專利名稱：一種基于摻雜光纖光柵的光纖流量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光纖傳感器件，具體涉及一種基于摻雜光纖光柵的熱線式流量傳感器件。
背景技術(shù)：
流速、流量的測(cè)量在石油、化工、醫(yī)藥、能源計(jì)量、環(huán)境監(jiān)測(cè)等工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中占據(jù)著舉足輕重的地位。因此，流速、流量傳感器是流體檢測(cè)和控制過(guò)程中不可缺少的傳感器件。傳統(tǒng)的機(jī)械式流速、流量傳感器測(cè)量誤差大、精度低。例如，采用超聲波的流速測(cè)量?jī)x、電磁波的流速儀或聲學(xué)多普勒效應(yīng)的流速儀等，雖然測(cè)量精度較高，但其成本高且易受電磁波干擾。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了很多基于光學(xué)原理的光纖流速、流量傳感器。近年來(lái)，光纖流量傳感器因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)備受人們的廣泛關(guān)注。光纖流量傳感器是采用光在光纖中傳輸時(shí)光的特性(如強(qiáng)度、相位、頻率、波長(zhǎng)等)會(huì)受流量的調(diào)制并將相應(yīng)的調(diào)制量解調(diào)為流體流速的原理實(shí)現(xiàn)的。與傳統(tǒng)的流量傳感器相比，光纖流量傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)準(zhǔn)確度、靈敏度高；(2)耐高壓、耐高溫、抗電磁干擾，在易燃、易爆環(huán)境下安全可靠；(3)頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍廣；(4)便于遠(yuǎn)距離測(cè)量和控制；(5)體積小、質(zhì)量輕。由于具有抗電磁干擾、抗環(huán)境噪聲，電氣絕緣性及自身安全性等特點(diǎn)，因此光纖流量傳感器將有著巨大的市場(chǎng)價(jià)值。傳統(tǒng)的基于光纖的流量傳感器主要有光纖小流量傳感器、光纖多普勒流速計(jì)、光纖渦輪流量傳感器、光纖渦街流量傳感器等。小流量光纖流量傳感器是基于菲涅耳拖曳效應(yīng)測(cè)量流量的，實(shí)現(xiàn)了特定領(lǐng)域流體低流量的測(cè)量。然而，流體流量的較小使得傳感信號(hào)較弱，不利于信號(hào)的檢測(cè)，降低了測(cè)量的準(zhǔn)確度?，F(xiàn)今，此類傳感器僅僅滿足油、水井流量測(cè)量的需要，難以廣泛應(yīng)用于流體的測(cè)量。光纖多普勒流速計(jì)是基于光的多普勒效應(yīng)來(lái)確定流體的流動(dòng)速度，可實(shí)現(xiàn)物體運(yùn)動(dòng)速度的非接觸高精度測(cè)量。光纖多普勒流速計(jì)可以很好地應(yīng)用于解決大管徑、厚管壁、水泥內(nèi)襯等場(chǎng)所。但是，流體中微小顆粒或者氣泡是隨機(jī)存在的，從而影響了其測(cè)量精度。光纖渦輪流量傳感器是在傳統(tǒng)渦輪流量測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，采用多模光纖代替了內(nèi)磁式傳感器而構(gòu)成的反射型光纖渦輪流量傳感器。它具有線性、重復(fù)性好、抗電磁干擾能力強(qiáng)、測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。但是，它的應(yīng)用局限在現(xiàn)場(chǎng)不帶電、低粘度燃油氣體流量測(cè)試。光纖渦街流量傳感器是一種以光纖作為非線性型流體產(chǎn)生渦流的渦街流量傳感器。利用旋渦的釋放頻率與流速成正比，就可以測(cè)出頻率從而得到流體流量。由于光纖長(zhǎng)期處于流體中，因此光纖可能產(chǎn)生斷裂、磨損等現(xiàn)象。目前，光纖光柵技術(shù)發(fā)展十分迅速，基于光纖光柵的溫度、壓力、振動(dòng)、濕度等物理量的傳感器也層出不窮。在流體流量測(cè)量方面，靶式光纖光柵流量計(jì)將單個(gè)或多個(gè)光纖光柵、懸臂梁及靶式圓盤(pán)結(jié)合起來(lái)，提高了系統(tǒng)測(cè)量的多參量性、安全性和準(zhǔn)確性，應(yīng)用十分廣泛。這類傳感器的基本工作原理為當(dāng)流體流動(dòng)產(chǎn)生的力作用在靶式圓盤(pán)上并通過(guò)傳力桿轉(zhuǎn)移到懸臂上時(shí)，懸壁的扭曲變形將引起光纖光柵形變，導(dǎo)致光纖光柵的波長(zhǎng)漂移，從而通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)的變化量即可得到所要測(cè)量的流量值。但是，這種傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)較為復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果與懸臂梁參數(shù)緊密相關(guān)，難以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的制定。在綜上所述的研究中，現(xiàn)有的光纖流量傳感器在性能和制作方法上各有特點(diǎn)，但是都存在各自的缺點(diǎn)，集中體現(xiàn)在傳感結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜、體積大、使用壽命偏短、測(cè)量精度低及價(jià)格高?；诠饫w流量計(jì)的廣闊應(yīng)用及對(duì)新型光纖流量傳感器的迫切需求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有光纖流量傳感器工藝復(fù)雜、使用壽命短、體積大、價(jià)格昂貴等問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于光纖光柵的熱線式流量傳感器件。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:包括溫度補(bǔ)償段光纖和流量測(cè)量段光纖；流量測(cè)量段光纖為摻雜光纖，其纖芯中寫(xiě)入了光纖光柵A，溫度補(bǔ)償段光纖為普通單模光纖，其纖芯寫(xiě)入光纖光柵B;利用泵浦激光器泵浦流量測(cè)量段光纖，其溫度和光纖光柵A的波長(zhǎng)隨風(fēng)速變化，而且該段光纖同時(shí)可作為寬帶光源，這樣就簡(jiǎn)化了傳感器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明具有的有益效果是:本發(fā)明將光纖光柵技術(shù)與熱線式流量傳感技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了溫度與流量雙參量的實(shí)時(shí)測(cè)量，具有制作簡(jiǎn)單、體積小、靈敏度高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，可用于微小氣體流量的測(cè)量。


圖1是基于摻雜光纖光柵的熱線式流量傳感器件的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是一種基于摻雜光纖光柵的熱線式流量傳感器件的檢測(cè)裝置圖。圖3是另一種基于摻雜光纖光柵的熱線式流量傳感器件的檢測(cè)裝置圖。圖中:1、摻雜光纖,2、單模光纖,3、光纖光柵A, 4、光纖光柵B, 5、波長(zhǎng)解調(diào)模塊,6、波分復(fù)用器，7、泵浦激光器，8、熱線式流量傳感單元。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所不,包括摻雜光纖(I)和單模光纖(2);摻雜光纖(I)的纖芯寫(xiě)入光纖光柵A(3)，作為傳感單元的流量測(cè)量段；單模光纖(2)纖芯寫(xiě)入光纖光柵B(4)，作為傳感單元的溫度補(bǔ)償段，摻雜光纖(I)與單模光纖(2)對(duì)芯熔接，組成傳感器的傳感單元?；趽诫s光纖光柵的新型熱線式流量傳感器件的基本工作原理:如圖1所示，一方面，激光由流量測(cè)量段光纖的自由端注入，由于摻雜光纖吸收特定波長(zhǎng)的激光，吸收了激光能量的光纖將釋放出熱量，迫使對(duì)應(yīng)的光柵區(qū)形成特定的溫度場(chǎng)。另一方面，摻雜光纖在特定波長(zhǎng)的泵浦光源的泵浦下發(fā)生放大的自發(fā)輻射輸出寬帶光信號(hào)，起到了寬帶光源的作用。摻雜光纖輸出的光信號(hào)在遇到光纖光柵A時(shí)會(huì)形成反射譜，通過(guò)波長(zhǎng)解調(diào)可以檢測(cè)出光纖光柵對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)。因此，當(dāng)傳感器件至于流體中時(shí)，利用波長(zhǎng)解調(diào)技術(shù)可實(shí)時(shí)測(cè)量出對(duì)應(yīng)的溫度，從而進(jìn)一步計(jì)算出流體的流量。顯然，流體流速越大，帶走的熱量就越大，光柵區(qū)的溫度就越低，溫度與流體流量成負(fù)線性關(guān)系。同時(shí)，溫度補(bǔ)償段光纖內(nèi)的光纖光柵B并不受摻雜光纖釋放熱量的影響，所以提供了當(dāng)前環(huán)境溫度的準(zhǔn)確測(cè)量。如圖1所示，其中:摻雜光纖為摻有高濃度鉺離子的光纖，長(zhǎng)度為4cm，寫(xiě)入光纖光柵A為1cm，光纖光柵A離熔接端35mm，中心波長(zhǎng)為1550nm，反射率為13dB ;單模光纖2長(zhǎng)度為4cm,寫(xiě)入光纖光柵B為4mm,寫(xiě)入光纖光柵B離熔接端Imm,中心波長(zhǎng)為1560nm,反射率為25dB ;波長(zhǎng)解調(diào)模塊5為AQ8683 ;波分復(fù)用器6為980/1550nm高功率波分復(fù)用器；激光器7為連續(xù)拉曼光纖激光器，中心波長(zhǎng)為980nm，功率O-1W可調(diào)?；诠饫w光柵的新型熱線式流量傳感器件的檢測(cè)裝置有許多結(jié)構(gòu)，下面列舉二種檢測(cè)結(jié)構(gòu)，但不僅限于此。如圖2所示，采用第一種結(jié)構(gòu)，激光器7經(jīng)由流量傳感單元8后接波分復(fù)用器6的Com端口，波分復(fù)用器6的1550nm端口接波長(zhǎng)解調(diào)模塊5。如圖3所示，采用第二種結(jié)構(gòu)，流量傳感單元8接波分復(fù)用器6的Com端，波分復(fù)用器6的980nm端口及1550nm端口分別接激光器7、波長(zhǎng)解調(diào)模塊5。
權(quán)利要求
1.一種基于摻雜光纖光柵的光纖流量傳感器，包括刻寫(xiě)了光纖光柵A的摻雜光纖、刻寫(xiě)了光纖光柵B的單模光纖、波長(zhǎng)解調(diào)模塊、波分復(fù)用器和泵浦激光器。其特征在于:摻雜光纖與單模光纖對(duì)芯熔接，作為傳感器的傳感單元，波分復(fù)用器將傳感單元與泵浦激光器和波長(zhǎng)解調(diào)模塊連接。
2.如權(quán)利要求1所述的泵浦激光器，其特征在于:其激光中心波長(zhǎng)在摻雜光纖的吸收帶上，能被摻雜光纖所吸收。
3.如權(quán)利要求1所述的摻雜光纖，其特征在于:可以吸收特定波長(zhǎng)的泵浦激光，發(fā)出熱量并產(chǎn)生放大的自發(fā)輻射光。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于摻雜光纖光柵的光纖流量傳感器。包括溫度補(bǔ)償段光纖和流量測(cè)量段光纖；流量測(cè)量段光纖為摻雜光纖，其纖芯中寫(xiě)入了光纖光柵A，溫度補(bǔ)償段光纖為普通單模光纖，其纖芯寫(xiě)入光纖光柵B；利用泵浦激光器泵浦流量測(cè)量段光纖，其溫度和光纖光柵A的波長(zhǎng)隨風(fēng)速變化，而且該段光纖同時(shí)可作為寬帶光源，這樣就簡(jiǎn)化了傳感器的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明將光纖光柵技術(shù)與熱線式流量傳感技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了溫度與流量的同時(shí)測(cè)量，具有制作簡(jiǎn)單、體積小、靈敏度高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01F1/688GK103148902SQ20131004090
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月29日
發(fā)明者董新永, 王新淮, 周艷, 趙春柳 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院