[实用新型]测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种光纤光栅流速传感器，能够对流体的流速进行高灵敏度感测，并在一定程度上改变传感及测量范围，属于光纤传感技术领域。

背景技术

流速是工业生产过程、能源计量等实际应用中的重要参量，人们已开发出多种类型的流速传感器。其中，机械转子式流速器技术相对成熟，但测量误差较大，精度低；超声波流速仪、电磁流速仪和声学多普勒流速仪等具有良好的测量精度，但成本高，且易受电磁波干扰；光纤流速传感器一般是基于光纤的应变、干涉以及光栅中心波长的变化等原理设计而成，但现有技术尚无法同时提供测量范围可调且温度不敏感的解决方案。

光纤具有质量轻、柔韧性好、抗电磁干扰、易设计加工等优良特性，它是新型流速传感器设计和研制的优选材料。采用紫外曝光、激光刻蚀、化学腐蚀等技术，能够在光纤的纤芯或包层上产生周期性折射率分布，形成光纤光栅。这种周期性的结构可以改变或控制光波在光纤中的传播行为，并易于设计和研制精度高、适于恶劣环境工作的光纤光栅传感器。通过把光纤光栅埋入衬底材料和结构内部或粘贴在其表面，可使其对流速、温度、应力、应变、压力、位移、曲率、压强、速度、加速度等待测参量敏感，并通过光纤光栅波长及带宽的变化来感测这些待测参量的大小及方向，从而设计并研制各种工程所需的光纤光栅传感器。光纤光栅传感器已被广泛应用于建筑结构、航天航空、海洋探测以及科学研究等诸多领域，属于一种新颖的光学检测技术。

检索结果表明，目前尚没有采用光纤布喇格光栅传感器，能对流体流速进行高灵敏度感测，并且具有测量范围可调特性的报道。

发明内容

本实用新型的目的旨在设计出一种能对流体的流速进行高灵敏度感测、测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器。

本实用新型提供的测量范围可调且温度不敏感的光纤光栅流速传感器，包括流速管部分、传感圆筒部分和测量部分；流速管部分包括流速管和双锥体分速装置，待测流体由流速管中流过，并经由管内固定设置的双锥体分速装置进行分速；在与双锥体分速装置对应区域的不同截面处的流速管壁上至少开有两个孔，在与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上开有一个孔；所述的传感圆筒部分包括一个密闭传感圆筒，筒内固定设置有一个铝箔管；与双锥体分速装置对应区域的流速管壁上的两个孔分别通过管路经选择控制开关与铝箔管的内部连通，与双锥体分速装置对应区域以外的流速管壁上的孔通过管路与铝箔管的外部连通；密闭传感圆筒另一端的端面上固定有一个等强度悬臂梁，等强度悬臂梁的自由端与铝箔管封闭一侧的底面连接，沿等强度悬臂梁中线靠近固定端的上表面和下表面对应粘贴中心波长不同的两个光纤光栅，光栅轴向与直梁平行；所述的测量部分包括2×2光纤耦合器、光源和光探测器，2×2光纤耦合器一侧的两根光纤分别连接两个光纤光栅；光纤耦合器另外一侧的两根光纤，一根接光源，另一根接光探测器（多波长计或光谱仪）。

所述的双锥体和等强度悬臂梁的材料为杨氏模量1000MPa～4000MPa的弹性材料（有机聚合物等）、金属或合金材料。

所述的光纤光栅为玻璃或塑料的光纤布喇格光栅。所述的光纤为单模光纤。

感测原理：

当某流速的流体流经流速管时，在固定设置的双锥体分速装置的两个不同横截面积的位置将产生不同的压强（如图1中的a、b处）；将这两个不同压强分别引入传感圆筒内铝箔管底面的两侧（如图2），则会对铝箔管底面产生一沿圆筒轴向的作用力；该力作用在与铝箔管底面相连的等强度梁上，带动粘贴其上下表面中心波长不同的两个光纤布喇格光栅的栅格周期发生变化，从而使两个光栅的谐振峰中心波长发生漂移。根据理论分析，流速可测范围取决于流速管开孔处对应的横截面积；流速管的一个开孔横截面积固定（如图1中的a处），另一开孔横截面积根据需要可作变动（如图1中的b、c处，由双锥体位置决定）。本流速管装置上设计了两个开孔，分别对应双锥体的大横截面积和小横截面积。理论分析表明：横截面较大处适合感测较小的流速（如选择图1中的b孔），反之则适合感测较大的流速（如选择图1中的c孔）。