[发明专利]一种基于光源加热的聚合物法珀腔风速测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于光源加热的聚合物法珀腔风速测量装置及方法，装置包括宽带光源、光纤环行器、光谱仪及聚合物法珀腔光纤风速计。聚合物法珀腔光纤风速计利用紫外光固化胶在光纤端面制作而成。方法利用宽带光源同时作为信号光和泵浦光，加热聚合物法珀腔，通过光谱仪观察聚合物法珀腔的干涉光谱，从而测量出风速的变化。该方法避免了引入额外的泵浦激光，简化了系统结构；无需在传感器上附着铜片，不影响传感器周围的风场。所述聚合物法珀腔光纤风速计结构紧凑，能实现“点式”风速测量。在实现高灵敏度的同时，所需输入光功率比一般热线式光纤风速计更低，降低了能耗。本发明具有灵敏度高、结构紧凑、能耗低、系统简单、制备简易等优点。

技术领域

本发明涉及风速测量的技术领域，尤其涉及到一种基于光源加热的聚合物法珀腔风速测量装置及方法。

背景技术

风速测量在气象学、空气动力学、化工生产、工业过程控制及医疗设备技术等领域中具有十分重要的作用。传统的风速测量传感器分别有机械式(三杯式)风速计、超声波风速计、压差式风速计(皮托管)等，这些传感器容易收到电磁干扰，且体积大，不能满足风速点式测量的要求。近年来，光纤风速计因具有高灵敏度、体积小、抗电磁干扰和便于长距离测量等优点而成为风速测量研究中的热点。

目前光纤风速计主要有两类：一是通过弯曲或扭曲光纤结构来测量风速，然而该类设计的光纤结构脆弱，在高风速的情况下容易损坏。二是热线式光纤风速计，其多利用光纤光栅(FBG)作为传感器件。该设计通过输入高功率的泵浦光到光纤结构中，并通过耦合结构耦合到包层中，被包层外的金属薄膜吸收转化为热量，从而加热了光纤光栅。当风吹带走传感器上的热量时，光纤光栅的波长会随着温度的变化而变化。由于热线式光纤风速计具有灵敏度高和结构稳固的优点，近年来成为光纤风速计主要的研究类型。然而该类设计采用光纤光栅作为传感元件，其温度灵敏度较低，只有0.01nm/℃，这限制了其风速测量灵敏度的提升。另外，该类设计通常需要输入功率达数百毫瓦的泵浦激光到光纤结构中加热光纤光栅，这也造成了能耗过高的问题。因此，需要提出一种输入泵浦光功率低，风速灵敏度高的风速测量装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光源加热的、具有高灵敏度、低输入光功率、结构小巧、系统简单的风速测量系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种基于光源加热的聚合物法珀腔风速测量装置，包括宽带光源、光纤环行器、光谱仪以及聚合物法珀腔光纤风速计；

其中，所述宽带光源的输出端与光纤环行器的a端口相连，光纤环行器的b端口和聚合物法珀腔光纤风速计相连，光谱仪和光纤环行器的c端口相连；聚合物法珀腔光纤风速计固定放置在可调速风洞中。

进一步地，所述聚合物法珀腔光纤风速计由单模光纤和聚合物法珀腔组成，聚合物法珀腔固化在单模光纤的端面。

进一步地，所述聚合物法珀腔的厚度在10-50μm范围内。

为实现上述目的，本发明另外提供一种基于光源加热的聚合物法珀腔风速测量方法，包括以下步骤：

S1、宽带光源从光纤环行器的a端口输入，并从光纤环行器的b端口输出，进入聚合物法珀腔光纤风速计；

S2、聚合物法珀腔吸收一部分光的能量，并转化为热量，使得聚合物法珀腔自身的温度升高；

S3、在聚合物法珀腔和单模光纤、空气接触的两个面分别发生菲涅尔反射，反射回的两束光形成干涉；

S4、反射的信号光经过光纤环行器的c端口后，到达光谱仪，光谱仪检测出干涉光谱信号；

S5、当有风吹过聚合物法珀腔时，风会带走聚合物法珀腔的部分热量，从而使得聚合物法珀腔的温度降低，腔长变短，此时聚合物法珀腔的干涉光谱的会发生蓝移，最后从光谱仪中检测出信号变化，从而测量出风速的变化。