CN218766993U - 一种高灵敏的流体流速光学测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，包括：端面切平的单模光纤、光反射镜、以及连接反射镜的弹性长条；所述单模光纤固定在不锈钢或适合水下使用材料的固定套管中,所述反射镜固定于弹性长条的一端，并朝向所述单模光纤的一端面，以使得所述单模光纤和反射镜沿着水槽中水流的方向前后设置构成法布里‑珀罗光学干涉仪结构；所述单模光纤的另一端面与光源连接。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高灵敏的流体流速光学测量传感器。
背景技术
流速流量是工业生产和自动化控制中的重要参数，其准确测量在能源计量、气象预报、农业生产、生物医疗等众多领域中具有重要意义，因而种类繁多的流速流量传感器被广泛应用。其中激光多普勒测速仪是利用多普勒原理，通过检测流体中运动粒子引起散射波的多普勒频移计算出待测流速。由于利用激光散射的原理，该方法容易受到待测流体性质的影响，虽具有较高的测量精度但也伴随着高成本和复杂的信号处理系统；基于示踪技术进行流速测量是将示踪物质放入流体中，当其随着流体流动时，可通过检测其运动规律可以得到待测流速。但示踪剂可能会对水质造成影响，对环境造成污染，尤其当示踪剂为放射性元素或同位素时，其发出的射线能量难以捕获，并可能对人体健康造成危害。当面临渗流检测等微小流速测量的应用需求时，该方法需要很长的测量时间并且较为稳定的测量环境；热式流量(速)计是依据对流传热原理进行流速测量的，根据流体与热源之间的热量传递以及二者的热量交换关系可得待测流速。然而当在流体中的热源需要供电时，会引发流体中的用电安全问题，且实际应用中也面临着整个测量系统大功耗和高成本等问题。除上述类型的传感器之外，靶式流量(速)计也被广泛应用于日常生活生产之中，该类传感器结构主要由靶片和与之连接的金属片(杆)构成，金属片(杆)上贴有应变传感器，例如光纤布拉格光栅(FBG，Fiber Bragg Grating)，其测量原理是靶片受到流体流动的冲击而产生作用力，进而使金属片(杆)受力产生应变，导致粘贴在金属片(杆)上的FBG中心波长移动。因此通过测量FBG的中心波长变化可以得到待测流速。虽然该传感器具有体积小，可点式实时测量，易于复用等优点，但受限于普通FBG的应变灵敏度较低(约为1.2pm/με)，当测量微小流速时，靶片受到流体的冲击作用力很小，难以使金属片(杆)上的FBG发生较大的波长变化。在深海、地下水渗流等需要测量流体微小流速变化的应用场景，上述类型传感器的灵敏度不够高，难以实现对微小流速的测量。
实用新型内容
针对上述问题，本实用新型提出了一种基于法布里-珀罗干涉仪(F-P，Fabry-Perot)的流速测量传感器结构设计、以及结合虚拟参考干涉仪的灵敏度增强测量方法，实现了对微小流速的高灵敏测量。
为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，包括：端面切平的单模光纤、反射镜、弹性长条；
所述单模光纤固定在套管中,所述反射镜固定于弹性长条的一端，并朝向所述单模光纤的一端面，以使得所述单模光纤和反射镜沿着水槽中水流的方向前后设置构成法布里-珀罗干涉仪结构；所述单模光纤的另一端面与光源连接。
在一较佳实施例中：所述不锈钢套管的直径为0.3mm。
在一较佳实施例中：所述反射镜为半径10mm，厚度0.1mm的圆形载玻片。
在一较佳实施例中：所述反射镜的表面通过磁控溅射技术镀有200nm厚度的金膜。
与现有技术相比，本实用新型具有以下突出的技术效果和优点：
本实用新型提供了一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，该传感器可以进行点式测量，灵敏度高，还可以通过灵活调整反射镜和弹性长条的几何参数以满足不同的应用需求，具有很大的实用性，并且基于数值仿真构造一个虚拟的参考干涉仪，通过游标效应实现高灵敏度的流速测量。
附图说明
图1为光纤流速传感器结构图。
图2为流速测量装置图。
图3为不同流速下传感器的干涉光谱图。
图4为不同流速下自由谱宽FSR与流速v的实验曲线。
图5为虚拟参考干涉仪的干涉光谱图。
图6为不同流速下叠加光谱的自由光谱范围FSRE与流速v的实验曲线。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是壁挂连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
参考图1，本实用新型提供了一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，包括：端面切平的单模光纤、表面镀金的反射镜、金属弹性长条；
所述单模光纤固定在不锈钢套管中,所述反射镜固定于金属弹性长条的一端，并朝向所述单模光纤的一端面，以使得所述单模光纤和反射镜沿着水槽中水流的方向前后设置构成法布里-珀罗结构；所述单模光纤的另一端面与光源连接。
本实施例中，所述不锈钢套管的直径为0.3mm。所述反射镜为半径10mm，厚度0.1mm的圆形载玻片。所述反射镜的表面通过磁控溅射技术镀有200nm厚度的金膜。
利用上述的流速传感器测量流速时，利用的是光源发出的光从单模光纤端面和反射镜处分别反射后发生干涉后，其反射光谱强度I可以用下式表示：
其中I1和I2分别是两束相干的反射光强度，φ表示二者之间的相位差，可以表示为：
其中λ为光波长；从公式1和2可见，光强I将随λ呈周期性变化；设λ1和λ2分别代表光谱中两个相邻峰或谷值的波长，则流速传感器的自由谱宽FSR和腔长L可以通过下式计算：
FSR＝|λ2-λ1| (3)
因而当反射镜受到流体流动的冲击时，可以根据F-P腔长L以及自由谱宽FSR的变化得到待测流速。根据测量得到的L，构造一个腔长与L接近的虚拟参考干涉仪。根据我们的理论分析，这种基于游标效应的灵敏度增强因子M与两个腔长的比值g有关，即：
其中LR为虚拟参考干涉仪的腔长。
在实际中，可以根据需要，通过设定M为10～50(或其它数值，确定g值，从而计算得到参考腔的长度。
进而虚拟参考干涉仪的光谱强度IR可表示为：
因此，传感的法布里-珀罗干涉仪与参考干涉仪的叠加光谱的输出光强I′可表示为：
可以定义叠加光谱包络中心波长附近的两个相邻波峰波长λE1和λE2的差为包络的自由谱宽FSRE，由此可得叠加光谱包络的自由光谱范围FSRE为：
通过叠加光谱包络的自由光谱范围FSRE在不同流速下的变化，实现高灵敏的流速测量。
F-P流速传感器的结构如图1所示，主要由端面切平的单模光纤以及表面镀金的反射镜和金属弹性长条构成。单模光纤固定在直径为0.3mm的不锈钢套管中，反射镜选用半径为10mm，厚度为0.1mm的圆形载玻片，固定于金属弹性长条的一端，为保证水中的干涉光谱具有良好的对比度，反射镜表面通过磁控溅射技术镀有约200nm厚度的金膜，以提高反射率。当光从单模光纤端面和反射镜处分别反射后发生干涉，当反射镜受到流体流动的冲击产生位移时，可以根据F-P腔长的变化得到待测流速。F-P腔长变化的相关公式推导在本文附录中给出。
上述的传感器可以进行点式测量，灵敏度高，还可以通过灵活调整反射镜和弹性长条的几何参数以满足不同的应用需求，具有很大的实用性。
实施举例：
通过流速测量实验以验证本实用新型提出的传感器的有效性，实验装置如图2所示，定制的304不锈钢水槽长、宽、高依次为130cm、21cm、17.5cm，进水口和出水口位于水槽两端横截面的中心位置，两台转子流量计分别与进水口和出水口相连，可调流量范围为0-160ml/min，根据流量，横截面积与流速的关系计算出等效流速范围为0-80um/s。宽带光通过环形器到流速传感器，经过镀金反射镜反射，重新回到环形器后被光谱仪记录，再由电脑进行信号处理。
不同流速下的干涉光谱如图3所示。当干涉光谱中两相邻波峰的波长λ1和λ2选取在1550nm附近时，光谱的自由谱宽FSR可由公式(3)计算。不同流速下FSR的变化如图4所示，经过拟合后，自由谱宽FSR与流速v的关系可表示为：
FSR＝-0.0000482321v2-0.00119v+2.31755
当流速从0um/s变化到80um/s,FSR变化了0.41nm，实现了对微小流速的测量。由公式(4)得到传感器的腔长L为250.95um，当灵敏度增强因子M设定为20为例时，根据公式(5)虚拟参考干涉仪的腔长LR为238.40um，根据公式(6)得到虚拟参考干涉仪的光谱如图5所示。计算出叠加光谱包络的自由光谱范围FSRE，从而得到图6，实现高灵敏的流速测量。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，利用此构思对本实用新型进行非实质性的改动，均属于侵犯本实用新型保护范围的行为。
Claims (4)
1.一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，其特征在于包括：端面切平的单模光纤、反射镜、弹性长条；
所述单模光纤固定在套管中,所述反射镜固定于弹性长条的一端，并朝向所述单模光纤的一端面，以使得所述单模光纤和反射镜沿着水槽中水流的方向前后设置构成法布里-珀罗干涉仪结构；所述单模光纤的另一端面与光源连接。
2.根据权利要求1所述的一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，其特征在于：所述套管为直径0.3mm的不锈钢套管。
3.根据权利要求1所述的一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，其特征在于：所述反射镜为半径10mm，厚度0.1mm的圆形载玻片。
4.根据权利要求1所述的一种高灵敏的流体流速光学测量传感器，其特征在于：所述反射镜的表面通过磁控溅射技术镀有200nm厚度的金膜。
Priority Applications (1)
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2022
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