[发明专利]一种基于游标效应的光纤流速传感器及其测量方法

说明书

本发明公开了一种基于游标效应的光纤流速传感器及其测量方法，包括：人工纤毛悬臂梁、弹性支撑结构和光纤应变传感模块；人工纤毛悬臂梁的一端插入到弹性支撑结构中，另一端暴露在流体中，弹性支撑结构内部有多个相对设置的光纤应变传感模块，弹性支撑结构外部包裹封装外壳；人工纤毛悬臂梁暴露端在流场下发生形变，同时带动下端形变，使光纤应变传感模块内的光纤谐振腔的腔长发生改变，相对设置的光纤谐振腔光谱可叠加产生具有游标包络的叠加光谱，本发明的传感器不仅具备抗干扰、抗海水腐蚀的能力，还能利用游标增强效应大幅增加测量流体流速和方向的灵敏度。

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，尤其涉及一种基于游标效应的光纤流速传感器及其测量方法。

背景技术

传统的水流传感器可分为齿轮机械测速仪、热线式传感器、电磁式海流计、多普勒激光测速仪、声学式测速仪、粒子图像测速仪等，这些传感设备大部分体积较大且成本高昂、需要复杂的设备与搭建环境、或需要额外的辅助器件测量流体方向。一方面，无法对应日益数字化、智能化、阵列化的海洋检测网络建设，另一方面，也难以便捷地集成在勘探或作业设备上进行实时传感。

受毛细胞结构的启发，研究人员已利用微机电系统成功研制出了各类人工毛细胞水流传感器，但对于此类需长时间浸泡在海水中的传感器件，微机电传感器仍要克服如海水强导电性造成的器件损坏或不稳定，或强腐蚀性造成的使用寿命有限等问题。目前现有技术中已有一些利用光纤传感器进行水流传感的研究，但大多数是以光纤作为悬臂梁的机械传感系统，或以热交换为原理的热导传感系统，不具备对水流方向的传感能力。

发明内容

本发明提供一种基于游标效应的光纤流速传感器及其测量方法，以克服传统光纤传感器灵敏度较低、抗腐蚀能力弱，且不具备对水流方向传感能力的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于游标效应的光纤流速传感器，包括：人工纤毛悬臂梁、弹性支撑结构、光纤应变传感模块和封装外壳；

所述人工纤毛悬臂梁的一端插入到所述弹性支撑结构中，另一端暴露在流体中，所述弹性支撑结构内部有多个相对设置的光纤应变传感模块，且所述光纤应变传感模块为水平设置，所述弹性支撑结构外部包裹所述封装外壳；

所述光纤应变传感模块包括：封装毛细管、第一单模光纤、第二单模光纤、硬质固定胶和弹性固定胶；

所述封装毛细管的一端设有弹性固定胶，所述弹性固定胶与所述人工纤毛悬臂梁下部过盈配合；另一端设有所述硬质固定胶，所述硬质固定胶与所述封装外壳相抵；

所述封装毛细管内部设有通孔，所述第二单模光纤与所述弹性固定胶连接且设置于所述通孔内；所述第一单模光纤的一端穿过硬质固定胶插入至封装毛细管内部的通孔中，另一端在所述封装毛细管外部，所述第一单模光纤与所述第二单模光纤之间为光纤谐振腔。

进一步地，所述光纤应变传感模块有四个，任意两个光纤应变传感模块之间的间隔角度均为90度，处于一条直线上的两个光纤应变传感模块为一组光纤应变传感装置。

进一步地，所述光纤谐振腔的腔长范围为20至500μm。

进一步地，所述封装外壳为圆筒结构，所述弹性支撑结构为中间设有盲孔的圆柱形结构，所述盲孔的内径与所述人工纤毛悬臂梁的外径相匹配。

进一步地，所述人工纤毛悬臂梁和所述封装外壳的材质为PLA聚乳酸；所述弹性支撑结构与所述弹性固定胶的材质为柔软的紫外线硬化树脂，化学成分为丙烯酸酯；所述硬质固定胶的材质为硬性的紫外线硬化树脂；所述封装毛细管的材质为玻璃。

进一步地，一种基于游标效应的光纤流速传感器的测量方法，包括以下步骤：

将传感器与光源连接并固定放置于待测流场中，标定同一条直线上的两个光纤应变传感模块为x轴，另外两个光纤应变传感模块为y轴；