[发明专利]一种微腔干涉流速压差敏感结构及微腔干涉光纤流速流量传感器

说明书

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种用于获得流体流速压差光波相位调制信息的微腔干涉流速压差敏感结构以及用于测量流体流速流量的微腔干涉光纤流速流量传感器。

背景技术

流体的流速与流量是现代工业控制领域最为重要的监测参量之一。实现流体流速流量测量（流量通常通过流速测量实现）的技术与方法很多，如电子式流速流量计。但很多特殊的流体流速/流量测量，如高温高压油井的原油流量测试，常规电子式测量仪器受温度限制、电磁干扰以及信号传输等限制，很难实现高精度、高可靠性的测量，甚至无法完成测量。光纤传感器具有高灵敏度、高精度、大动态范围、抗电磁干扰、以及耐高温高压等显著技术优势，受到了世界范围内的关注，国内外都开展了相关的研究。

目前发展的用于流速/流量测量的光纤传感器有涡轮式光纤流量传感器、涡街光纤流量传感器、多普勒光纤速度传感器、光纤光栅流量传感器以及干涉型光纤流量传感器等。涡轮光纤流量传感器是一种对传统涡轮流量测量技术进行改进的光纤传感器，其将流速作用下的涡轮转化为对光波信号的调制，实现流速流量测量，优点是结构简单，信号处理方式简单，但存在低速无法启动，测量精度不高等问题。涡街光纤流量传感器则利用流体通过一定障碍物后形成的两个方向相反的涡流对位于其中的光纤产生振动或微弯效应，通过微弯和振动效应监测实现流速流量测量。涡街光纤流量传感器需要流体直接作用于光纤，由于光纤本身非常脆弱，因此难以实现长期的可靠测量。

例如申请号为201010619116.5的发明专利公开了一种全光纤干涉仪式测量流量的装置与方法，包括光源、探测器和全光纤干涉仪，光源发出的光通过全光纤干涉仪进入传感光纤的两端，将传感光纤缠绕在待测流场管道表面，在待测流畅内部设置一障碍物，全光纤干涉仪的输出端连接一探测器。全光纤干涉仪可以基于以下技术：Sagnac 干涉技术、Mach-Zender 干涉技术、Michelson 干涉技术、Fabry-Peort 干涉技术及其他相位干涉技术实现。该全光纤干涉仪测量流量的方法，包括以下步骤：a、光源发出的光经过全光纤干涉仪进入传感光纤两端；b、在待测流场里设置一障碍物；流体遇到障碍物后形成有规则的两列旋转方向相反的并排旋涡称为卡门涡街，此旋涡频率与流速成正比；c、缠绕在待测流场管道表面的传感光纤受旋涡冲力的作用而作受迫振动，传感光纤中的光信号也就被此振动调制；d、传感光纤振动后，在全光纤干涉仪处会形成明显的干涉条纹，传感光纤内光信号相位改变时通过干涉仪输出的光信号与受到的振动对应，利用探测器对相干光信号的分析处理，即可得到待测流场的流速。

多普勒光纤速度传感器则利用投射到流体上的光束所产生的光学多普勒频移效应实现流速的精确测量，但常常因流体对光波产生的强烈吸收，而导致无法测量，同时低流速时频移量非常小，存在低速测量误差大等问题。光纤光栅流量传感器通过在流体中安置压力敏感元件，利用流体流动势能产生的压力使敏感元件产生应变，引起光纤光栅反射中心波长的移动，实现流速流量测量。尽管测量精度较高，但这种安装方式使光栅无法完全密封封装，在高温高压测试环境下无法可靠测试。干涉型光纤流量传感器利用压力对光波相位的调制，通过干涉仪（M-Z干涉仪、F-P干涉仪或迈克尔逊干涉仪）相位解调实现流速流量测量，具有非常高的灵敏度，而且通过压力敏感膜片实现流速压差到光波信号的调制，能进行敏感光路的全封闭封装，能满足高温高压环境的应用需要。但传统的光纤干涉仪的干涉光路非常长，不可避免地存在严重的偏振信号衰落和信号温度漂移，影响测量精度；同时获取流速压差的两压力敏感点存在一定距离，必然引入严重的静压干扰，导致测量灵敏度下降。

发明内容

本发明针对于现有技术的局限性，而提供了一种微腔干涉流速压差敏感结构，有效地消除静压干扰、偏振信号衰落以及信号温度漂移等，获取高精度流速压差信息，实现高精度的流速流量测量；同时提供一种微腔干涉光纤流速流量传感器，一方面能有效地消除偏振信号衰落、信号温漂以及振动扰动误差，另一方面则能实现传感光路的整体密闭封装，满足高温、高压、高污染的使用环境要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：