[发明专利]一种基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量系统及方法

权利要求书

1.一种基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量系统，其特征在于，包括可调谐激光光源(1)、隔离器(2)、出射透镜(3)、入射透镜(5)、光电探测器A(61)、光电探测器B(62)、电信号线A(71)、电信号线B(72)、示波器(8)、光纤A(91)、光纤B(92)、有序排列光纤束(93)、光纤束A(94)和光纤束B(95)；所述的可调谐激光光源(1)为输出光波长可调节的激光光源，被检气体的光谱吸收波长在其可调范围内；隔离器(2)用于实现光信号沿箭头方向单向传输；光纤A(91)、光纤B(92)、光纤束A(94)、光纤束B(95)、有序排列光纤束(93)均采用宽带光纤，且宽带光纤的可传输光波长范围相同，能够传输被检气体的光谱吸收波长所对应光信号；有序排列光纤束(93)内的光纤按照垂直于气体流速方向依次排列成行，行与行之间依次错落叠放，相邻两行间互相相切的三个光纤的纤芯构成等边三角形；出射透镜(3)与光纤B(92)相连，用于将从隔离器(2)输入进光纤B(92)的光信号发散输出，照射并穿透被检气体；入射透镜(5)与有序排列光纤束(93)相连，用于接收穿透被检气体的光信号，并将接收到的光信号传递到有序排列光纤束(93)；光电探测器A(61)和光电探测器B(62)能够将被检气体的光谱吸收波长所对应光信号的强度转化成电信号的强度；电信号线A(71)与光电探测器A(61)和示波器(8)相连，用于将光电探测器A(61)产生的电信号传递给示波器(8)；电信号线B(72)与光电探测器B(62)和示波器(8)相连，用于将光电探测器B(62)产生的电信号传递给示波器(8)；示波器(8)用于对光电探测器A(61)和光电探测器B(62)输出的电信号进行实时显示，并对采集到的电信号进行计算处理。

2.根据权利要求1所述的一种基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量系统，其特征在于，所述宽带光纤为光子晶体光纤或掺杂光纤。

3.权利要求1或2所述的基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量系统的方法，其特征在于，包括如下步骤：可调谐激光光源(1)发出光信号经光纤A(91)进入到隔离器(2)，并由隔离器(2)经光纤B(92)进入出射透镜(3)，由出射透镜(3)照射到流经气体管道(4)的混合气体(10)，经过混合气体(10)后，光信号由入射透镜(5)进入有序排列光纤束(93)，由于混合气体(10)中的被检气体对光信号的吸收作用，进入有序排列光纤束(93)的光信号强度发生变化，并且，随着混合气体(10)中被测气体沿轴向移动，有序排列光纤束(93)内有序排列的每行光纤依次接收到该光信号强度变化，其中，有序排列光纤束(93)的奇数行光纤接收到的光信号经光纤束A(94)传输到光电探测器A(61)，有序排列光纤束(93)的偶数行光纤接收到的光信号经光纤束B(95)传输到光电探测器B(62)，光电探测器A(61)产生的电信号经电信号线A(71)传到示波器(8)，光电探测器B(62)产生的电信号经电信号线B(72)传到示波器(8)；通过示波器(8)对两路电信号进行差分运算和频谱分析，即可得到混合气体(10)中的被测气体流速和流量。

4.权利要求3所述的基于光谱吸收的光纤气体流速和流量测量系统的方法，其特征在于，所述差分运算是将光电探测器A(61)和光电探测器B(62)的实时输出电信号做减法运算，用于将光电探测器A(61)和光电探测器B(62)的共模干扰信号减弱，提高信噪比；对差分运算结果进行频谱分析，计算得到光电探测器A(61)和光电探测器B(62)探测到的光强信号的变化频率；光强信号的变化频率与被测气体的流速有关，根据公式其中w表示透镜放大倍数，d表示相邻光纤纤芯间距离，依据频谱分析计算得到光强信号变化频率f计算得到被测气体流速，根据管道口径、气体密度、浓度计算得到被测气体的体积流量和质量流量。