一种基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器。包括一段普通单模光纤，其纤芯中写入了长周期光纤光栅A和长周期光纤光栅B，长周期光纤光栅B所在光纤的包层表面镀有一层金属薄膜；利用泵浦将激光注入长周期光纤光栅A，泵浦光被耦合入光纤包层中，并在长周期光纤光栅B的包层与金属薄膜发生热交换，影响热量场分布，同时由长周期光纤光栅B测量其变化，达到流量传感的目的。本发明将光纤光栅技术与热线式流量传感技术相结合，具有制作简单、体积小、灵敏度高、成本较低等优点。
【专利说明】一种基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光纤传感器件，具体涉及一种基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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:(I)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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]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。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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，提高了系统测量的多参量性、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。
[0010]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】
[0011]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镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器。
[0012]本发明采用的技术方案是:
[0013]包括一段普通单模光纤，其纤芯中写入了长周期光纤光栅A和长周期光纤光栅B，长周期光纤光栅B的包层表面镀有一层金属薄膜；利用泵浦将激光注入长周期光纤光栅A，泵浦光被耦合入光纤包层中，并在长周期光纤光栅B的包层与金属薄膜发生热交换，影响热量场分布，同时由长周期光纤光栅B测量其变化，达到流量传感的目的。
[0014]本发明具有的有益效果是:
[0015]本发明将光纤光栅技术与热线式流量传感技术相结合，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。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器的结构示意图。
[0017]图2是一种基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器件的检测装置图。
[0018]图中:1、单模光纤,2、长周期光纤光栅A, 3、长周期光纤光栅B,4、金属薄膜,5、宽带光源，6、泵浦激光器，7、波分复用器，8、热线式流量传感单元，9、光谱分析仪。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0020]如图1所示，包括一段普通单模光纤I，其中写入了长周期光纤光栅A2和长周期光纤光栅B3，长周期光纤光栅B3所在光纤的包层表面镀有一层金属薄膜4 ;利用泵浦将激光注入长周期光纤光栅A2，泵浦光被耦合入光纤包层中，并在长周期光纤光栅B3的包层与金属薄膜4发生热交换，影响热量场分布，同时由长周期光纤光栅B3测量其变化，达到流量传感的目的。
[0021]基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器的基本工作原理:
[0022]如图1所示，一方面，激光由长周期光纤光栅A段光纤的自由端注入，在经过长周期光纤光栅A时激光的绝大部分能量将被耦合到光纤包层中去，从而导致金属膜吸收部分激光能量。吸收了激光能量的金属膜将释放出热量，迫使对应的光栅区形成特定的温度场。显然，流体流速越大，带走的热量就越大，光栅区的温度就越小，温度与流体流量成负线性关系。长周期光纤光栅对温度的敏感度是普通光纤光栅的五倍，故通过长周期光纤光栅B来测量金属膜温度场的变化可以获得非常高的灵敏度，进而获得更准确的流体流量数据。
[0023]如图1所不，其中:单模光纤I总长Ilcm,长周期光纤光栅A2长度为25mm,长周期光纤光栅A2距左端自由端20mm,与长周期光纤光栅B3距离为20mm ;长周期光纤光栅B3长度为25mm,距右端自由端20mm,金属膜长度为30mm ；
[0024]如图2所示，宽带光源5为带宽1520-1620nm的ASE光源；泵浦激光器6为连续拉曼光纤激光器，功率O-1W可调；波分复用器7为高功率波分复用器，服用波段可根据长周期光纤光栅A2的中心波长来确定；光谱分析仪9为AQ8683。
[0025]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，下面列举一种检测结构，但不仅限于此。
[0026]如图2所示，采用第一种结构，波分复用器6将传感单元8与宽带光源5和泵浦激光器6连接，传感单元8的另一端连接光谱分析仪9。
【权利要求】
1.一种基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器，包括一段普通单模光纤(I)、长周期光纤光栅A (2)、长周期光纤光栅B (3)、包层表面镀的一层金属薄膜(4)、宽带光源(5)、泵浦激光器(6)、波分复用器(7)、传感单元(8)和光谱分析仪(9)。其特征在于:传感单元(8)包括刻有长周期光纤光栅A(2)、长周期光纤光栅B(3)、及其包层表面镀有金属薄膜(4)的单模光纤(I)。波分复用器(6)将传感单元(8)与宽带光源(5)和泵浦激光器(6)连接，传感单元(8)的另一端连接光谱分析仪(9)。
2.如权利要求1所述的长周期光纤光栅A(2)，其特征在于:可以将特定波长的泵浦激光率禹合入包层中。
3.如权利要求1所述的金属薄膜(4)，其特征在于:可以吸收被耦合入包层的激光的能量并发出热量。
【文档编号】G01F1/684GK103791957SQ201410076437
【公开日】2014年5月14日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】董新永, 朱磊, 王新淮, 周艳, 陈哲敏 申请人:中国计量学院