一種基于鍍金屬膜長周期光纖光柵的光纖流量傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于鍍金屬膜長周期光纖光柵的光纖流量傳感器。包括一段普通單模光纖，其纖芯中寫入了長周期光纖光柵A和長周期光纖光柵B，長周期光纖光柵B所在光纖的包層表面鍍有一層金屬薄膜；利用泵浦將激光注入長周期光纖光柵A，泵浦光被耦合入光纖包層中，并在長周期光纖光柵B的包層與金屬薄膜發(fā)生熱交換，影響熱量場分布，同時(shí)由長周期光纖光柵B測量其變化，達(dá)到流量傳感的目的。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，具有制作簡單、體積小、靈敏度高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種基于鍍金屬膜長周期光纖光柵的光纖流量傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光纖傳感器件，具體涉及一種基于鍍金屬膜長周期光纖光柵的光纖流量傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]流速、流量的測量在石油、化工、醫(yī)藥、能源計(jì)量、環(huán)境監(jiān)測等工業(yè)生產(chǎn)過程中占據(jù)著舉足輕重的地位。因此，流速、流量傳感器是流體檢測和控制過程中不可缺少的傳感器件。傳統(tǒng)的機(jī)械式流速、流量傳感器測量誤差大、精度低。例如，采用超聲波的流速測量儀、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。
[0003]近年來，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):(I)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價(jià)值。
[0004]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。
[0005]小流量光纖流量傳感器是基于菲涅耳拖曳效應(yīng)測量流量的，實(shí)現(xiàn)了特定領(lǐng)域流體低流量的測量。然而，流體流量的較小使得傳感信號較弱，不利于信號的檢測，降低了測量的準(zhǔn)確度?，F(xiàn)今，此類傳感器僅僅滿足油、水井流量測量的需要，難以廣泛應(yīng)用于流體的測量。
[0006]光纖多普勒流速計(jì)是基于光的多普勒效應(yīng)來確定流體的流動(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)襯等場所。但是，流體中微小顆?；蛘邭馀菔请S機(jī)存在的，從而影響了其測量精度。
[0007]光纖渦輪流量傳感器是在傳統(tǒng)渦輪流量測量原理的基礎(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)場不帶電、低粘度燃油氣體流量測試。
[0008]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，就可以測出頻率從而得到流體流量。由于光纖長期處于流體中，因此光纖可能產(chǎn)生斷裂、磨損等現(xiàn)象。
[0009]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、懸臂梁及靶式圓盤結(jié)合起來，提高了系統(tǒng)測量的多參量性、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上并通過傳力桿轉(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)致光纖光柵的波長漂移，從而通過測量波長的變化量即可得到所要測量的流量值。但是，這種傳感器結(jié)構(gòu)相對較為復(fù)雜，測量結(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。
[0010]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)相對復(fù)雜、體積大、使用壽命偏短、測量精度低及價(jià)格高。基于光纖流量計(jì)的廣闊應(yīng)用及對新型光纖流量傳感器的迫切需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對現(xiàn)有光纖流量傳感器工藝復(fù)雜、使用壽命短、體積大、價(jià)格昂貴等問題，本發(fā)明的目的在于提供了一種基于鍍金屬膜長周期光纖光柵的光纖流量傳感器。
[0012]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0013]包括一段普通單模光纖，其纖芯中寫入了長周期光纖光柵A和長周期光纖光柵B，長周期光纖光柵B的包層表面鍍有一層金屬薄膜；利用泵浦將激光注入長周期光纖光柵A，泵浦光被耦合入光纖包層中，并在長周期光纖光柵B的包層與金屬薄膜發(fā)生熱交換，影響熱量場分布，同時(shí)由長周期光纖光柵B測量其變化，達(dá)到流量傳感的目的。
[0014]本發(fā)明具有的有益效果是:
[0015]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，具有制作簡單、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量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是基于鍍金屬膜長周期光纖光柵的光纖流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是一種基于鍍金屬膜長周期光纖光柵的光纖流量傳感器件的檢測裝置圖。
[0018]圖中:1、單模光纖,2、長周期光纖光柵A, 3、長周期光纖光柵B,4、金屬薄膜,5、寬帶光源，6、泵浦激光器，7、波分復(fù)用器，8、熱線式流量傳感單元，9、光譜分析儀。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0020]如圖1所示，包括一段普通單模光纖I，其中寫入了長周期光纖光柵A2和長周期光纖光柵B3，長周期光纖光柵B3所在光纖的包層表面鍍有一層金屬薄膜4 ;利用泵浦將激光注入長周期光纖光柵A2，泵浦光被耦合入光纖包層中，并在長周期光纖光柵B3的包層與金屬薄膜4發(fā)生熱交換，影響熱量場分布，同時(shí)由長周期光纖光柵B3測量其變化，達(dá)到流量傳感的目的。
[0021]基于鍍金屬膜長周期光纖光柵的光纖流量傳感器的基本工作原理:
[0022]如圖1所示，一方面，激光由長周期光纖光柵A段光纖的自由端注入，在經(jīng)過長周期光纖光柵A時(shí)激光的絕大部分能量將被耦合到光纖包層中去，從而導(dǎo)致金屬膜吸收部分激光能量。吸收了激光能量的金屬膜將釋放出熱量，迫使對應(yīng)的光柵區(qū)形成特定的溫度場。顯然，流體流速越大，帶走的熱量就越大，光柵區(qū)的溫度就越小，溫度與流體流量成負(fù)線性關(guān)系。長周期光纖光柵對溫度的敏感度是普通光纖光柵的五倍，故通過長周期光纖光柵B來測量金屬膜溫度場的變化可以獲得非常高的靈敏度，進(jìn)而獲得更準(zhǔn)確的流體流量數(shù)據(jù)。
[0023]如圖1所不，其中:單模光纖I總長Ilcm,長周期光纖光柵A2長度為25mm,長周期光纖光柵A2距左端自由端20mm,與長周期光纖光柵B3距離為20mm ;長周期光纖光柵B3長度為25mm,距右端自由端20mm,金屬膜長度為30mm ；
[0024]如圖2所示，寬帶光源5為帶寬1520-1620nm的ASE光源；泵浦激光器6為連續(xù)拉曼光纖激光器，功率O-1W可調(diào)；波分復(fù)用器7為高功率波分復(fù)用器，服用波段可根據(jù)長周期光纖光柵A2的中心波長來確定；光譜分析儀9為AQ8683。
[0025]基于光纖光柵的新型熱線式流量傳感器件的檢測裝置有許多結(jié)構(gòu)，下面列舉一種檢測結(jié)構(gòu)，但不僅限于此。
[0026]如圖2所示，采用第一種結(jié)構(gòu)，波分復(fù)用器6將傳感單元8與寬帶光源5和泵浦激光器6連接，傳感單元8的另一端連接光譜分析儀9。
【權(quán)利要求】
1.一種基于鍍金屬膜長周期光纖光柵的光纖流量傳感器，包括一段普通單模光纖(I)、長周期光纖光柵A (2)、長周期光纖光柵B (3)、包層表面鍍的一層金屬薄膜(4)、寬帶光源(5)、泵浦激光器(6)、波分復(fù)用器(7)、傳感單元(8)和光譜分析儀(9)。其特征在于:傳感單元(8)包括刻有長周期光纖光柵A(2)、長周期光纖光柵B(3)、及其包層表面鍍有金屬薄膜(4)的單模光纖(I)。波分復(fù)用器(6)將傳感單元(8)與寬帶光源(5)和泵浦激光器(6)連接，傳感單元(8)的另一端連接光譜分析儀(9)。
2.如權(quán)利要求1所述的長周期光纖光柵A(2)，其特征在于:可以將特定波長的泵浦激光率禹合入包層中。
3.如權(quán)利要求1所述的金屬薄膜(4)，其特征在于:可以吸收被耦合入包層的激光的能量并發(fā)出熱量。
【文檔編號】G01F1/684GK103791957SQ201410076437
【公開日】2014年5月14日 申請日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】董新永, 朱磊, 王新淮, 周艷, 陳哲敏 申請人:中國計(jì)量學(xué)院