[发明专利]基于微球谐振器的风速测量装置

说明书

本发明涉及一种风速测量装置领域，尤其是涉及一种基于微球谐振器的风速测量装置。该风速测量装置，包括探头、半导体激光器、宽带光源和光谱仪，探头包括传导光纤和微球，传导光纤测试端端部设有内锥，内锥内设有微球。采用硅微球和光纤锥的结构，探头尺寸小；利用光纤锥的耦合技术，可以有效激励起硅微球中高Q值的回音壁模式，并获得一系列的谐振峰，这些谐振峰的位置对微球的温度变化非常敏感，当微球置于流场中，热传导将改变微球的温度，由于硅微球热光系数高，热膨胀系数小，谐振峰的移动主要由热光效应引起，因此，风速的变化与谐振峰的移动线性度高，可实现对风速的精确测量。

技术领域

本发明涉及一种风速测量装置领域，尤其是涉及一种基于微球谐振器的风速测量装置。

背景技术

风速检测在气象、空气动力学和流量监控等方面都有应用。在密闭小尺寸流道中的风速检测应用中，常要求风速计探头足够小。既能放入流道，也不会对流场产生很大的影响。现有风速测量方法中，电阻丝加热的方法存在测量精度不高，测量的范围小(一般在0-30m/s)和电绝缘等问题；叶轮式风速计存在探头体积大和检测精度低等问题；尽管皮托管的体积已经比较小了，但它对安装位置要求严格，必须安装在流道的直管部分，并且远离弯管或口径变化的区域，另外，使用时必须与流场方向设置成直角，而且只能用于高速流场的测量领域。总之，目前所采用的风速计主要存在风速计探头尺寸大，测速范围受限，精度不高等问题。

发明内容

为解决以上问题，本发明提供一种基于微球谐振器的风速测量装置，该风速测量装置具有尺寸小、测量范围大、检测灵敏度高、适用性广和可靠性高等特点。

本发明采用的技术方案是：一种基于微球谐振器的风速测量装置，包括设置在测试管道内的探头、用于发出泵浦光的半导体激光器、用于发出信号光的宽带光源和光谱仪，其特征在于：所述探头包括传导光纤和微球，所述传导光纤测试端端部设有内锥，所述内锥内设有微球，所述微球与内锥的母线相切，微球与内锥之间通过范德华力连接固定，所述内锥的深度H满足：以保证微球的部分球冠探出内锥端面，其中，R为微球的半径，φ为内锥的顶角；所述传导光纤连接端与半导体激光器之间设有第一波分复用器，且相互之间通过光纤连接，半导体激光器发出的泵浦光耦合进传导光纤，进一步耦合进微球；所述传导光纤连接端与宽带光源的尾纤连接，宽带光源发出的信号光注入传导光纤，进一步耦合进微球；所述传导光纤连接端与光谱仪之间设有第二波分复用器，且相互之间通过光纤连接，微球反射光谱信号中携带有微球半径和微球折射率的信息，通过第二波分复用器耦合进光谱仪进行分析。

作为优选，所述半导体激光器发出的泵浦光耦合进微球，对微球进行加热；所述宽带光源发出的信号光耦合进微球，波长满足条件：2πn_sR_s＝mλ₀的信号光可以在微球内部实现全内反射，形成回音壁模式，其中，n_s是微球的折射率，λ₀是谐振波长，R_s是微球半径，m是整数。

作为优选，所述的传导光纤为多模光纤或单模光纤，测试端通过刻蚀形成内锥，连接端通过光纤接头或熔接的方式与其他光纤连接。

作为优选，所述传导光纤外部设有毛细套管，所述毛细套管的内径大于传导光纤的外径，所述毛细套管与传导光纤之间通过固化的紫外胶连接在一起。

进一步的，所述毛细套管由不锈钢材料制成，所述毛细套管的长度小于传导光纤的长度，所述毛细套管的末端与传导光纤的内锥锥底平齐。

作为优选，所述微球由硅材料制成。