CN103148902A

CN103148902A - 一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器

Info

Publication number: CN103148902A
Application number: CN 201310040905
Authority: CN
Inventors: 董新永; 王新淮; 周艳; 赵春柳
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2013-01-29
Filing date: 2013-01-29
Publication date: 2013-06-12

Abstract

本发明公开了一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器。包括温度补偿段光纤和流量测量段光纤；流量测量段光纤为掺杂光纤，其纤芯中写入了光纤光栅A，温度补偿段光纤为普通单模光纤，其纤芯写入光纤光栅B；利用泵浦激光器泵浦流量测量段光纤，其温度和光纤光栅A的波长随风速变化，而且该段光纤同时可作为宽带光源，这样就简化了传感器的结构。本发明将光纤光栅技术与热线式流量传感技术相结合，实现了温度与流量的同时测量，具有制作简单、体积小、灵敏度高、成本较低等优点。

Description

一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器

技术领域

本发明涉及一种光纤传感器件，具体涉及一种基于掺杂光纤光栅的热线式流量传感器件。

背景技术

流速、流量的测量在石油、化工、医药、能源计量、环境监测等工业生产过程中占据着举足轻重的地位。因此，流速、流量传感器是流体检测和控制过程中不可缺少的传感器件。传统的机械式流速、流量传感器测量误差大、精度低。例如，采用超声波的流速测量仪、电磁波的流速仪或声学多普勒效应的流速仪等，虽然测量精度较高，但其成本高且易受电磁波干扰。随着光纤技术的发展，出现了很多基于光学原理的光纤流速、流量传感器。

近年来，光纤流量传感器因其独特的优点备受人们的广泛关注。光纤流量传感器是采用光在光纤中传输时光的特性(如强度、相位、频率、波长等)会受流量的调制并将相应的调制量解调为流体流速的原理实现的。与传统的流量传感器相比，光纤流量传感器具有如下优点：(1)准确度、灵敏度高；(2)耐高压、耐高温、抗电磁干扰，在易燃、易爆环境下安全可靠；(3)频带宽、动态范围广；(4)便于远距离测量和控制；(5)体积小、质量轻。由于具有抗电磁干扰、抗环境噪声，电气绝缘性及自身安全性等特点，因此光纤流量传感器将有着巨大的市场价值。

传统的基于光纤的流量传感器主要有光纤小流量传感器、光纤多普勒流速计、光纤涡轮流量传感器、光纤涡街流量传感器等。

小流量光纤流量传感器是基于菲涅耳拖曳效应测量流量的，实现了特定领域流体低流量的测量。然而，流体流量的较小使得传感信号较弱，不利于信号的检测，降低了测量的准确度。现今，此类传感器仅仅满足油、水井流量测量的需要，难以广泛应用于流体的测量。

光纤多普勒流速计是基于光的多普勒效应来确定流体的流动速度，可实现物体运动速度的非接触高精度测量。光纤多普勒流速计可以很好地应用于解决大管径、厚管壁、水泥内衬等场所。但是，流体中微小颗粒或者气泡是随机存在的，从而影响了其测量精度。

光纤涡轮流量传感器是在传统涡轮流量测量原理的基础上，采用多模光纤代替了内磁式传感器而构成的反射型光纤涡轮流量传感器。它具有线性、重复性好、抗电磁干扰能力强、测量动态范围大等优点。但是，它的应用局限在现场不带电、低粘度燃油气体流量测试。

光纤涡街流量传感器是一种以光纤作为非线性型流体产生涡流的涡街流量传感器。利用旋涡的释放频率与流速成正比，就可以测出频率从而得到流体流量。由于光纤长期处于流体中，因此光纤可能产生断裂、磨损等现象。

目前，光纤光栅技术发展十分迅速，基于光纤光栅的温度、压力、振动、湿度等物理量的传感器也层出不穷。在流体流量测量方面，靶式光纤光栅流量计将单个或多个光纤光栅、悬臂梁及靶式圆盘结合起来，提高了***测量的多参量性、安全性和准确性，应用十分广泛。这类传感器的基本工作原理为当流体流动产生的力作用在靶式圆盘上并通过传力杆转移到悬臂上时，悬壁的扭曲变形将引起光纤光栅形变，导致光纤光栅的波长漂移，从而通过测量波长的变化量即可得到所要测量的流量值。但是，这种传感器结构相对较为复杂，测量结果与悬臂梁参数紧密相关，难以实现标准的制定。

在综上所述的研究中，现有的光纤流量传感器在性能和制作方法上各有特点，但是都存在各自的缺点，集中体现在传感结构相对复杂、体积大、使用寿命偏短、测量精度低及价格高。基于光纤流量计的广阔应用及对新型光纤流量传感器的迫切需求。

发明内容

针对现有光纤流量传感器工艺复杂、使用寿命短、体积大、价格昂贵等问题，本发明的目的在于提供了一种基于光纤光栅的热线式流量传感器件。

本发明采用的技术方案是：

包括温度补偿段光纤和流量测量段光纤；流量测量段光纤为掺杂光纤，其纤芯中写入了光纤光栅A，温度补偿段光纤为普通单模光纤，其纤芯写入光纤光栅B；利用泵浦激光器泵浦流量测量段光纤，其温度和光纤光栅A的波长随风速变化，而且该段光纤同时可作为宽带光源，这样就简化了传感器的结构。

本发明具有的有益效果是：

本发明将光纤光栅技术与热线式流量传感技术相结合，实现了温度与流量双参量的实时测量，具有制作简单、体积小、灵敏度高、成本较低等优点，可用于微小气体流量的测量。

附图说明

图1是基于掺杂光纤光栅的热线式流量传感器件的结构示意图。

图2是一种基于掺杂光纤光栅的热线式流量传感器件的检测装置图。

图3是另一种基于掺杂光纤光栅的热线式流量传感器件的检测装置图。

图中：1、掺杂光纤，2、单模光纤，3、光纤光栅A，4、光纤光栅B，5、波长解调模块，6、波分复用器，7、泵浦激光器，8、热线式流量传感单元。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如图1所示，包括掺杂光纤(1)和单模光纤(2)；掺杂光纤(1)的纤芯写入光纤光栅A(3)，作为传感单元的流量测量段；单模光纤(2)纤芯写入光纤光栅B(4)，作为传感单元的温度补偿段，掺杂光纤(1)与单模光纤(2)对芯熔接，组成传感器的传感单元。

基于掺杂光纤光栅的新型热线式流量传感器件的基本工作原理：如图1所示，一方面，激光由流量测量段光纤的自由端注入，由于掺杂光纤吸收特定波长的激光，吸收了激光能量的光纤将释放出热量，迫使对应的光栅区形成特定的温度场。另一方面，掺杂光纤在特定波长的泵浦光源的泵浦下发生放大的自发辐射输出宽带光信号，起到了宽带光源的作用。掺杂光纤输出的光信号在遇到光纤光栅A时会形成反射谱，通过波长解调可以检测出光纤光栅对应的温度场。因此，当传感器件至于流体中时，利用波长解调技术可实时测量出对应的温度，从而进一步计算出流体的流量。显然，流体流速越大，带走的热量就越大，光栅区的温度就越低，温度与流体流量成负线性关系。同时，温度补偿段光纤内的光纤光栅B并不受掺杂光纤释放热量的影响，所以提供了当前环境温度的准确测量。

如图1所示，其中：掺杂光纤为掺有高浓度铒离子的光纤，长度为4cm，写入光纤光栅A为1cm，光纤光栅A离熔接端35mm，中心波长为1550nm，反射率为13dB；单模光纤2长度为4cm，写入光纤光栅B为4mm，写入光纤光栅B离熔接端1mm，中心波长为1560nm，反射率为25dB；波长解调模块5为AQ8683；波分复用器6为980/1550nm高功率波分复用器；激光器7为连续拉曼光纤激光器，中心波长为980nm，功率0-1W可调。

基于光纤光栅的新型热线式流量传感器件的检测装置有许多结构，下面列举二种检测结构，但不仅限于此。

如图2所示，采用第一种结构，激光器7经由流量传感单元8后接波分复用器6的Com端口，波分复用器6的1550nm端口接波长解调模块5。

如图3所示，采用第二种结构，流量传感单元8接波分复用器6的Com端，波分复用器6的980nm端口及1550nm端口分别接激光器7、波长解调模块5。

Claims

1.一种基于掺杂光纤光栅的光纤流量传感器，包括刻写了光纤光栅A的掺杂光纤、刻写了光纤光栅B的单模光纤、波长解调模块、波分复用器和泵浦激光器。其特征在于：掺杂光纤与单模光纤对芯熔接，作为传感器的传感单元，波分复用器将传感单元与泵浦激光器和波长解调模块连接。

2.如权利要求1所述的泵浦激光器，其特征在于：其激光中心波长在掺杂光纤的吸收带上，能被掺杂光纤所吸收。

3.如权利要求1所述的掺杂光纤，其特征在于：可以吸收特定波长的泵浦激光，发出热量并产生放大的自发辐射光。