[发明专利]一种用于检测流体复合参数的测试仪及数据处理方法

权利要求书

1.一种用于检测流体复合参数的测试仪，其特征在于，包括：光源模块、第一光开关组、第二光开关组、传感器接口模块、光谱仪、处理模块、显示模块；

其中，所述光源模块包括电源、激发光源、分光器，所述电源用于为所述激发光源提供激发电能，所述激发光源用于发出包含复合光纤光栅传感器特征频率的多频复合光束，所述分光器用于将所述激发光源发出的所述多频复合光束分成进入所述传感器接口模块的多路并行光信号和一路进入所述光谱仪的比对用参考光信号；

所述第一光开关组包括多个光开关，所述光开关按特定要求设置在所述分光器的光路中，用于接通或关闭所述光源模块到所述传感器接口模块的光路；

所述传感器接口模块用于给多个所述复合光纤光栅传感器内的光纤提供设定强度的多频光信号，并接受所述复合光纤光栅传感器内的光纤上的光栅反射回的特定波长的反射光信号；

所述第二光开关组包括多个光开关，用于接通或关闭所述传感器接口模块到所述光谱仪之间的光路；

所述光谱仪用于接收由所述第二光开关组来的反射光信号和所述比对用参考光信号，并将所述反射光信号或/和所述比对用参考光信号经衍射后形成的包含光谱间距信息的光谱信号转化为调制电信号；

所述光谱仪包括：汇聚光信号的凹面镜、汇聚光信号的聚焦凸透镜，入射狭缝、透光基体、准直凹面镜、光栅、聚焦凹面镜、电荷耦合器件，其中，所述透光基体包括第一平面、第二平面、第三平面，第一曲面、第二曲面；

所述汇聚光信号的凹面镜用于将所述反射光信号汇聚并反射成平行于所述聚焦凸透镜光轴轴线的平行光形式的入射光信号；所述聚焦凸透镜用于将所述平行光形式的入射光信号进行透射，并将所述入射光信号汇聚到所述入射狭缝上；所述入射狭缝设置在所述透光基体的所述第一平面上，用于使汇聚后的所述入射光信号改善为所需带宽的光信号以射入所述透光基体中，并屏蔽不必要的杂光从中穿过；所述准直凹面镜设置在所述透光基体的所述第一曲面上，用于将射入所述透光基体中的入射光信号进行准直；所述光栅设置在所述透光基体的所述第二平面上，用于将经过所述准直凹面镜准直后的入射光信号进行衍射；所述聚焦凹面镜设置在所述透光基体的所述第二曲面上，用于将所述入射光信号经过衍射后形成的光谱进行汇聚；

所述电荷耦合器件设置在所述透光基体的所述第三平面上，用于获取由所述处理模块经所述第一光开关组和所述第二光开关组调制过的两两合成的入射光信号经衍射后形成的光谱信号，并转化为包含所述复合光纤光栅传感器内光栅调制信息和所述处理模块调制信息的调制电信号；

所述处理模块用于向所述第一光开关组和所述第二光开关组发送控制信号，以控制进入所述光谱仪的所述反射光信号以及所述比对用参考光信号为可比对的两组光信号，并接受所述光谱仪发来的所述调制电信号，计算相邻调制电信号之间的中心间隔以及所述中心间隔之间的变动量，以根据预存数据和修正系数，得到流体温度、流体压力、流体压力脉动、流体流速的相关参数；所述显示模块，用于显示输入的参数以及经所述处理模块控制而检测出的所述流体温度、流体压力、流体压力脉动、流体流速的相关数据和单位；

所述分光器用于将所述多频复合光束分成八路光信号，包括：第一路光信号、第二路光信号、第三路光信号、第四路光信号、第五路光信号、第六路光信号、第七路光信号、第八路光信号，所述传感器接口模块包括：第一光纤、第二光纤、第三光纤、第四光纤、第五光纤、第六光纤；

所述第一路光信号用于作为所述光谱仪的比对用参考光信号；

所述第二路光信号与所述第三路光信号进行复合，得到复合后的光信号，用于射入所述第一光纤；

所述第四路光信号用于射入所述第二光纤；

所述第五路光信号用于射入所述第三光纤；

所述第六路光信号用于射入所述第四光纤；

所述第七路光信号用于射入所述第五光纤；

所述第八路光信号用于射入所述第六光纤；

所述第一光开关组包括第一光开关、第二光开关、第三光开关；这些光开关其控制目的是为了光谱仪能够读取两两比对光信号的相对位置信息，以便由处理模块判断压力波动的正负或者流体流动方向；

所述第一光开关用于根据所述处理模块发送的控制信号，控制是否接通所述第八路光信号或第七路光信号，使得第六光纤光栅反射的光信号与第五光纤光栅反射的光信号之间同一级光谱与中心谱线之间的位置信息发生有或无的变化，通过处理模块中的预存数据和修正系数，来获取复合光纤光栅传感器所处环境的流体的这些流向信息；

所述第二光开关用于根据所述处理模块发送的控制信号，控制是否接通所述第五路光信号或第六路光信号，使得第三光纤光栅和第四光纤光栅反射的光信号之间同一级光谱之间的位置信息发生变化，从而通过处理模块中的预存数据和修正系数，来获取复合光纤光栅传感器所处环境的压力方向的信息，从而得到脉动压力正负压的变化方向；

所述第三光开关用于根据所述处理模块发送的控制信号，控制是否接通所述复合后的光信号或第四路光信号；

所述第一光纤上刻有光栅的部分封装于所述复合光纤光栅传感器内部，所述光栅还通过与所述光栅连接的增敏金属感知所述复合光纤光栅传感器外部的流体温度变化而改变自身的栅距，从而反射出携带温度变化信息的第一反射光信号；

所述第二光纤上刻有光栅的部分安装于所述复合光纤光栅传感器外部，用于在所述复合光纤光栅传感器外部的流体温度和流体压力产生变化时，所述第二光纤上的光栅栅距产生变化，并反射出携带流体温度和流体压力变化信息的第二反射光信号；

所述第三光纤上刻有光栅的部分安装于所述复合光纤光栅传感器上设置的弹性膜片的外侧或内侧，所述第四光纤上刻有光栅的部分安装于所述弹性膜片的另一侧，与第三光纤上刻有的光栅相对应，并保证所述弹性膜片两侧温度一致，以便用于在所述弹性膜片产生形变时，所述第三光纤上光栅的栅距和所述第四光纤上光栅的栅距随所述流体温度变化的变化量相同，随所述弹性膜片的形变的栅距变化量相反，从而反射出携带膜片压应力或拉应力相关信息的第三反射光信号和第四反射光信号；

所述第五光纤上刻有光栅的部分安装于所述复合光纤光栅传感器的外部；所述第六光纤上刻有光栅的部分安装于所述复合光纤光栅传感器的与第五光纤上刻有光栅的部分相对应的外部，保证两个光栅与流体的流速方向相垂直，用于在所述复合光纤光栅传感器外部的流体温度以及流体流速产生变化时，所述第五光纤上光栅的光栅栅距和所述第六光纤上光栅的光栅栅距随所述流体温度变化的变化量相同，随所述流体流速变化的变化量不同，从而反射出携带来流或去流方向上的流体压力相关信息的第五反射光信号和第六反射光信号；

所述第一光纤上刻有光栅的部分用于检测所述流体温度；

所述第二光纤上刻有光栅的部分用于检测所述流体温度与流体压力的共同信息；

所述第三光纤和第四光纤上刻有光栅的部分用于配合检测所述流体压力脉动；

所述第五光纤和第六光纤上刻有光栅的部分用于配合检测所述流体流速和流动方向；

所述第二光开关组包括：第四光开关、第五光开关、第六光开关、第七光开关、第八光开关；

所述第四光开关用于根据所述处理模块发送的控制信号，控制是否接通所述比对用参考光信号；

所述第五光开关用于根据所述处理模块发送的控制信号，控制是否接通流体流速光信号，其中，所述流体流速光信号由所述第五反射光信号与第六反射光信号复合得到；

所述第六光开关用于根据所述处理模块发送的控制信号，控制是否接通流体压力脉动光信号，其中，所述流体压力脉动光信号由所述第三反射光信号与第四反射光信号复合得到；

所述第七光开关用于根据所述处理模块发送的控制信号，控制是否接通流体压力光信号，其中，所述流体压力光信号由所述第一反射光信号与第二反射光信号复合得到；

所述第八光开关用于根据所述处理模块发送的控制信号，控制是否接通流体温度光信号，其中，所述流体温度光信号由所述第一反射光信号分离得到。