基于光纤光栅的风速传感器系统及方法

本发明涉及风速传感，尤其涉及一种基于光纤光栅的风速传感器系统及方法。

背景技术：

1、风速是衡量空气流动速度的概念，风速传感在工业、农业、灾害预警、交通运输等领域都有着重要的意义。

2、常见的风速计有风杯风速计、声学风速计和热线式风速计。风杯风速计是最常见的风速计，空气的流动使得风杯发生转动，通过测量转动的角速度得出风速大小。这类风速计虽然结构简单，但是体积大，电路系统复杂而且精度较低。声学风速计的原理是不同状态的流体传递超声波的速度不同，当超声波的传播方向和空气流动方向一致时，超声波的传播速度增大，反之则超声波的传播速度减小。超声波风速计的方向性好，但是结构复杂、成本高。热线式风速计是基于热平衡原理，使用的探头是一根用电流加热的金属丝，风速的变化会导致金属丝的温度变化，通过测量温度的变化就可以得到风速的大小。在此基础上，发展出了基于光纤的热线式风速计，此类风速计的传感探头是表面镀有金属膜的光纤，利用金属电极对金属薄膜进行加热，或者通过设计特殊的光纤探头结构，利用泵浦激光器对金属膜进行加热。

3、现有的基于光纤的热线式风速计具有体积小、响应快、精度高等优点，但是因为有电极和金属薄膜存在，传感器探头结构复杂、稳定性较差，不适用于易燃易爆等场所，而且测量时需要进行标定。

技术实现思路

1、有鉴于此，有必要提出一种基于光纤光栅的风速传感器系统及方法，用于解决现有的基于光纤光栅的风速传感技术中传感器探头结构复杂、稳定性差、不适用于易燃易爆场所、测量时要进行标定的问题。

2、为了解决上述问题，第一方面，本发明提供一种基于光纤光栅的风速传感器系统，包括泵浦光源、传感光源、环形器、波分复用器、光纤传感探头和波长解调单元，

3、泵浦光源，用于产生泵浦光，以利用所述泵浦光对掺杂光纤进行加热，其中，所述掺杂光纤置于所述光纤传感探头中；

4、传感光源，用于产生传感光；

5、环形器，用于传输所述传感光并隔离光栅反射信号；

6、波分复用器，用于将所述泵浦光和所述传感光复用到掺杂光纤中；

7、光纤传感探头，用于传输泵浦光，以对掺杂光纤进行加热和风速传感，并反射传感信号和参考信号；

8、波长解调器，用于接收所述传感信号和参考信号，以分别根据传感信号的第一中心波长和参考信号的第二中心波长计算出受风速影响的中心波长漂移量，并基于所述中心波长漂移量计算风场风速。

9、进一步的，所述光纤传感探头包括掺杂光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅、通风管和隔风管，所述第一光纤光栅置于通风管中，所述第二光纤光栅置于隔风管中；

10、掺杂光纤，用于吸收泵浦光功率以实现光纤的自加热，并传输所述传感信号和所述参考信号；

11、第一光纤光栅，用于风速传感及传输所述传感信号；

12、第二光纤光栅，用于传输所述参考信号；

13、通风管，用于形成空气对流，以使第一光纤光栅暴露在风场中；

14、隔风管，用于隔离所述第二光纤光栅周围的空气流动，以使第二光纤光栅不受风场的影响。

15、进一步的，将所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅刻写在掺杂光纤上，以形成一体式结构；

16、或，将所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅与掺杂光纤并排固定，以形成双光纤的结构。

17、所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅为光纤布拉格光栅。

18、进一步的，所述第一光纤光栅中心波长为1550nm，长度为5mm，所述第二光纤光栅中心波长为1553nm，长度为5mm，所述第一光纤光栅与所述第二光纤光栅间隔3cm。

19、进一步的，

20、所述掺杂光纤的吸收系数为0.71db/cm，工作波长为1250-1620nm，长度设置为10cm；

21、所述掺杂光纤包括掺铒光纤、掺钕光纤及掺钴光纤中的任一项。

22、进一步的，所述通风管为不锈钢材料，通风管的内径为3mm，外径为4mm，且所述通风管不做密封处理。

23、进一步的，所述隔风管为聚氯乙烯材料，隔风管的内径为0.6mm，外径为1mm，且所述隔风管做密封处理。

24、进一步的，所述泵浦光源的功率为1500mw，所述泵浦光源为半导体激光器或yag激光器；

25、所述传感光源为可调谐激光器或固体激光器。

26、进一步的，所述波长解调器为光谱仪；

27、所述光谱仪具体用于获取第一光纤光栅反射的传感信号的光谱和第二光纤光栅反射的参考信号的光谱。

28、第二方面，本发明还提供一种基于光纤光栅的风速传感方法，包括：

29、通过泵浦光源产生泵浦光，所述泵浦光经波分复用器至掺杂光纤，以对掺杂光纤进行加热；

30、通过传感光源产生传感光，所述传感光经环形器和波分复用器至所述掺杂光纤，以使所述传感光在所述掺杂光纤上传递；

31、通过第一光纤光栅传输传感信号，所述第一光纤光栅置于通风管中；

32、通过第二光纤光栅传输参考信号，所述第二光纤光栅置于隔风管中；

33、通过波长解调器接收所述传感信号和参考信号，以分别根据传感信号的第一中心波长和参考信号的第二中心波长计算出受风速影响的中心波长漂移量，并基于所述中心波长漂移量计算风场风速。

34、采用上述实施例的有益效果是：

35、本发明通过泵浦光源产生泵浦光，以实现光纤的自加热，传感光和泵浦光复用至掺杂光纤中；当风场中的风速发生变化时，光纤传感探头中的第一光纤光栅置于通风管中，其反射光的中心波长发生漂移，并将其反射光作为传感信号；第二光纤光栅置于隔风管中，其反射光作为参考信号，最后将波长解调器接收到的传感信号和参考信号的中心波长作差，则可得出受风速影响的中心波长漂移量大小，由此可间接得出风场中风速的大小。本发明中的系统的结构比现有的光纤光栅风速传感器更加简单，成本更低；且将一个置于通风管中的光栅用于传感，一个置于隔风管中的光栅用于参考，避免了环境温度交叉敏感的问题，而且测量时不用标定。

技术特征：

1.一种基于光纤光栅的风速传感器系统，包括泵浦光源、传感光源、环形器、波分复用器、光纤传感探头和波长解调单元，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的风速传感器系统，其特征在于，所述光纤传感探头包括掺杂光纤、第一光纤光栅、第二光纤光栅、通风管和隔风管，所述第一光纤光栅置于通风管中，所述第二光纤光栅置于隔风管中；

3.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的风速传感器系统，其特征在于，所述第一光纤光栅和所述第二光纤光栅被刻写在掺杂光纤上，以形成一体式结构；

4.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的风速传感器系统，其特征在于，所述第一光纤光栅中心波长为1550nm，长度为5mm，所述第二光纤光栅中心波长为1553nm，长度为5mm，所述第一光纤光栅与所述第二光纤光栅间隔3cm。

5.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的风速传感器系统，其特征在于，

6.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的风速传感器系统，其特征在于，所述通风管为不锈钢材料，通风管的内径为3mm，外径为4mm，且所述通风管不做密封处理。

7.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的风速传感器系统，其特征在于，所述隔风管为聚氯乙烯材料，隔风管的内径为0.6mm，外径为1mm，且所述隔风管做密封处理。

8.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的风速传感器系统，其特征在于，所述泵浦光源的功率为1500mw，所述泵浦光源为半导体激光器或yag激光器；

9.根据权利要求2所述的基于光纤光栅的风速传感器系统，其特征在于，所述波长解调器为光谱仪；

10.一种基于光纤光栅的风速传感方法，应用于如权利要求1-9任一项所述的基于光纤光栅的风速传感系统，其特征在于，所述方法包括：

技术总结
本发明涉及一种基于光纤光栅的风速传感器系统及方法，包括泵浦光源、传感光源、环形器、波分复用器、光纤传感探头和波长解调单元，泵浦光源，用于产生泵浦光，以利用泵浦光对掺杂光纤进行加热，传感光源，用于产生传感光；环形器，用于传输传感光并隔离光栅反射信号；波分复用器，用于将泵浦光和所述传感光复用到掺杂光纤中；光纤传感探头，用于传输泵浦光，以对掺杂光纤进行加热和风速传感，并反射传感信号和参考信号；波长解调器，用于接收传感信号和参考信号，以分别根据传感信号的第一中心波长和参考信号的第二中心波长计算出受风速影响的中心波长漂移量，并基于中心波长漂移量计算风场风速。本发明结构简单，制造成本低廉。

技术研发人员：范典,余家玲,陈文嘉,周次明,徐婷
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16