CN104330587B - 光纤流速传感器、光纤流速检测装置及传感器用光纤 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤流速传感器、光纤流速检测装置及传感器用光纤。其中光纤流速传感器包括具有可弯曲段的光纤，光纤用于传输光波的纤芯上于光纤的可弯曲段设有用于使部分光波泄漏出的光泄漏口，在可弯曲段弯曲时曲率半径相同的位置，光泄漏口的朝向与曲率半径的方向相同或相反，光纤流速传感器还包括用于在相应流速的流体的冲击下使可弯曲段的曲率发生对应改变的光纤形变装置。流体流速发生变化时，光纤的可弯曲段会在光纤形变装置的作用下发生形变，而光泄漏口能够使光纤的光强在光纤的弯曲情况变化时发生明显变化，实现系统检测灵敏度的提升，能够降低光纤成本、降低配套的波长处理设备的成本，便于制造、调试和维护，系统简单，成本低。

Description

光纤流速传感器、光纤流速检测装置及传感器用光纤

技术领域

本发明涉及光纤流速传感器、光纤流速检测装置及传感器用光纤。

背景技术

大多数传统的传感器主要是基于电磁技术的传感器，这类传感器不能应用于强电磁干扰环境及易燃易爆气体的检测。现代光纤最重要的优点之一就是它的易弯曲性和防磁防爆性能，当光纤的弯曲状态发生变化时，会引起光纤中的模式耦合，其中有些导波模变成了辐射模，从而引起弯曲损耗，曲率半径越小，弯曲损耗就越大，从而利用光纤的弯曲损耗原理制成光强调制型光纤传感器，克服传统传感器的不足。

近年来，出现了基于光纤传感技术的流速检测传感器，即光纤流速传感器，例如申请号为201010530074.8、授权公告号为CN 101995485B的中国专利公开的一种靶式光纤光栅流速计，包括悬臂梁、设置在悬臂梁的悬伸端的金属靶体和粘贴固定在悬臂梁上的光纤光栅，金属靶体迎向流体设置。其中悬臂梁为等强度梁，其能够在金属靶体受到流体冲击时受力而产生弯曲形变，进而带动悬臂梁上的光纤光栅发生变化，使光纤光栅在拉压力的作用下中心波长发生漂移，然后使用波长解调仪检测光纤光栅的中心波长，并有软件采集存储数据，得到与流速变化成对应关系的波长的变化量，最终实现对流速的检测。但是，现有的流速传感器由于采用了光纤光栅，涉及到对波长的处理，系统复杂，成本较高，在实际应用中受到了较大的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种系统简单、成本低的光纤流速传感器，同时，本发明还提供了一种使用该光纤流速传感器的光纤流速检测装置及一种传感器光纤。

本发明中光纤流速传感器采用的技术方案是：光纤流速传感器，包括具有可弯曲段的光纤，所述光纤用于传输光波的纤芯上于光纤的所述可弯曲段设有用于使部分光波泄漏出的光泄漏口，在可弯曲段弯曲时曲率半径相同的位置，所述光泄漏口的朝向与曲率半径的方向相同或相反，所述光纤流速传感器还包括用于在相应流速的流体的冲击下使所述可弯曲段的曲率发生对应改变的光纤形变装置。

所述光纤形变装置包括悬臂梁和用于在流体作用下对悬臂梁施加弯曲作用力的杠杆机构，所述杠杆机构包括杠杆和杠杆转轴，杠杆的一端与悬臂梁的悬臂端传动连接，另一端设有用于迎向流体流动方向的靶体，所述光纤贴紧固定在悬臂梁上而随悬臂梁的形变发生变形。

所述杠杆为省力杠杆，其与所述悬臂梁传动连接的一端到杠杆转轴的距离小于其设有靶体的一端到杠杆转轴的距离。

所述光泄漏口是平底槽形缺口。

本发明中传感器用光纤采用的技术方案是：传感器用光纤，所述光纤具有可弯曲段，所述光纤用于传输光波的纤芯上于所述可弯曲段处设有用于使部分光波泄漏出的光泄漏口，在可弯曲段弯曲时曲率半径相同的位置，所述光泄漏口的朝向与曲率半径的方向相同或相反，所述光泄漏口是沿光纤的轴向延伸的槽形缺口。

所述槽形缺口为平底槽形缺口。

本发明中光纤流速检测装置采用的技术方案是：光纤流速检测装置，包括光纤流速传感器和与光纤流速传感器连接的信号处理系统，所述光纤流速传感器包括具有可弯曲段的光纤，所述光纤用于传输光波的纤芯上于光纤的所述可弯曲段设有用于使部分光波泄漏出的光泄漏口，在可弯曲段弯曲时曲率半径相同的位置，所述光泄漏口的朝向与曲率半径的方向相同或相反，所述光纤流速传感器还包括用于在相应流速的流体的冲击下使所述可弯曲段的曲率发生对应改变的光纤形变装置。

所述光纤形变装置包括悬臂梁和用于在流体作用下对悬臂梁施加弯曲作用力的杠杆机构，所述杠杆机构包括杠杆和杠杆转轴，杠杆的一端与悬臂梁的悬臂端传动连接，另一端设有用于迎向流体流动方向的靶体，所述光纤贴紧固定在悬臂梁上而随悬臂梁的形变发生变形。

所述杠杆为省力杠杆，其与所述悬臂梁传动连接的一端到杠杆转轴的距离小于其设有靶体的一端到杠杆转轴的距离。

所述光泄漏口是平底槽形缺口。

本发明采用上述技术方案，光纤流速传感器包括光纤和光纤形变装置，光纤形变装置能够在流体的冲击力下使所述可弯曲段的曲率发生改变，并且所述光纤用于传输光波的纤芯上于光纤的所述可弯曲段设有用于使部分光波泄漏出的光泄漏口，在可弯曲段弯曲时曲率半径相同的位置，所述光泄漏口的朝向与曲率半径的方向相同或相反，因此，流体流速发生变化时，光纤的可弯曲段会在光纤形变装置的作用下发生形变，而光泄漏口能够使光纤的光强在光纤的弯曲情况变化时发生明显变化，实现系统检测灵敏度的提升，与现有技术中采用光纤光栅相比，不仅能够降低光纤成本，还能降低配套的波长处理设备的成本，便于制造、调试和维护，系统简单，成本低。

附图说明

图1是本发明中光纤流速检测装置的一个实施例的结构示意图，同时也是本发明中光纤流速传感器的一个实施例的结构示意图；

图2是图1中光纤上光泄漏口的结构示意图，同时也是本发明中传感器光纤的一个实施例的结构示意图。

图中各附图标记对应的名称为：1—光发射器驱动电路，2—光发射器，3—光纤，31—光泄漏口，4—固定箱体，5—轴承，6—靶体，7—杠杆，8—转轴，9—传力片，10—悬臂梁，11—光接收器，12—信号处理系统。

具体实施方式

本发明中光纤流速检测装置的一个实施例如图1~图2所示，包括光发射器驱动电路1、光发射器2、光纤流速传感器、光接收器11和信号处理系统12。

光纤流速传感器包括光纤3和光纤形变装置，光纤形变装置包括固定箱体4、转动装配在固定箱体4上的杠杆7和悬伸固定在固定箱体4上的悬臂梁10。杠杆7固定在杠杆转轴8上，杠杆转轴8通过轴承5转动装配在固定箱体4上；杠杆7的一端伸出固定箱体4并固定有圆片状的靶体6，另一端通过传力片9与悬臂梁10的悬伸端刚性连接。杠杆7和杠杆转轴8构成用于在流体作用下对悬臂梁10施加弯曲作用力的杠杆机构。为了提高测量结果的准确性，杠杆7为省力杠杆，其与悬臂梁传动连接的一端到杠杆转轴8的距离小于其设有靶体6的一端到杠杆转轴8的距离，能够将流体作用于靶体6上的冲击力进行放大后作用于悬臂梁10；并且，在靶体6不受流体冲击力的作用时，杠杆7的延伸方向与悬臂梁10一致。

光纤3的输入端与光发射器2连接，光发射器2与光发射器驱动电路1连接，光发射器2在光发射器驱动电路1的驱动下向光纤3发射恒定的光强信号。光纤3的输出端与光接收器11连接，光接收器11能够将光纤3中的光信号转换为电信号；光接收器11与信号处理系统12连接，该信号处理系统12可对光接收器11输出的电信号进行运放、滤波等处理。上述光发射器驱动电路1、光发射器2、光接收器11和信号处理系统12均是本领域的惯用技术，是本领域技术人员不需付出创造性劳动即可实现的，其具体结构此处不再详细说明。

光纤3的结构如图2所示，具有用于与悬臂梁10的根部对应的可弯曲段，可弯曲段的包层和部分纤芯被破坏掉，加工出一段平底槽形缺口，形成用于使部分光波泄漏出的光泄漏口31。光纤3依靠柔性胶贴紧固定在悬臂梁10的根部，其上的光泄漏口31朝向悬臂梁10与长度方向垂直的外侧，并对应悬臂梁10的根部A处，从而随悬臂梁10的形变发生变形。悬臂梁10在弯曲时，根部A处的弯曲变形最大，光泄漏口31对应该处设置能够保证最大的检测灵敏度。通过在光纤3上设置上述光泄漏口31能够增加光纤3弯曲时的光泄漏，从而提高系统检测的灵敏度。为保证光纤3的正常工作和检测灵敏度，光泄漏口31沿光纤3轴向的长度为1mm。

下面以测量液体流速为例说明上述光纤流速检测装置的工作过程：当液体作用于靶体6时，液体在靶体6上产生一个冲击力，该冲击力与流速成正比。冲击力通过杠杆7产生力矩，从而使杠杆转轴8产生转动，进而使杠杆7靠近悬臂梁10的短力矩端产生位移。这样，通过杠杆7对靶体6上的力进行放大后将该力传给传力片9，传力片9带动悬臂梁10产生弯曲变形，从而使粘贴在悬臂梁10上的光纤3产生弯曲变形，使光纤3的输出光强发生变化，进而通过光接收器11将光纤3输出的光信号转化为电信号，并通过信号处理系统12对该电信号进行运放、滤波等处理，从而达到测量流速的目的。在上述工作过程中，液体的流速与作用于靶体6的力成正比，通过杠杆7对力的放大后，将该力传递给悬臂梁10，因此，悬臂梁10的弯曲变形与液体的流速成正比。通过检测光纤的输出光强就可以检测悬臂梁10的弯曲变形曲率，进而测量出液体的流速。上述采用光纤流速传感器的光纤流速检测装置可以实现现场无电子元件，能够在强电磁干扰及易燃易爆环境下进行流速检测，例如对易燃易爆液体进行流速检测，并且系统简单、价格低廉，可实现检测信号的远距离传输。当然，上述光纤流速检测装置也可以用于其他流体的测量。

本发明中光纤流速传感器的一个实施例即上述光纤流速检测装置的实施例中的光纤流速传感器，本发明中传感器用光纤的一个实施例即上述实施例中的光纤3，具体结构此处不再赘述。

在上述实施例中，光纤形变装置采用的是悬臂梁10和杠杆机构，而光纤3上的光泄漏口31为平底槽形缺口且朝向背离悬臂梁10的一侧设置。在本发明的其他实施例中，光纤形变装置也可以替换成其他形式，只要能够在相应流速流体的冲击下使光纤可弯曲段的曲率发生对应改变，均能够实现对流速的检测，例如采用背景技术引用的对比文件中公开的直接在悬臂梁的悬伸端设置靶体的形式。另外，在其他实施例中，光纤3上的光泄漏口31也可以替换成其他形式，例如波浪形缺口、矩形缺口、槽底为弧形的缺口等。

再者，在其他实施例中，光泄漏口31的数量也不限于一个，光泄漏口31的朝向也可以是其他方向，例如与上述实施例中光泄漏口31的朝向相反的方向，即朝向悬臂梁8的方向，需要注意的是，当光泄漏口位于弯曲光纤的凸侧时，即背离弯曲中心时，光的泄漏会比平直状态下的泄漏要大，而且随着弯曲曲率的增大(曲率半径减小)，光泄漏也会越大；而光泄漏口位于弯曲光纤的凹侧时，即朝向弯曲中心时，光泄漏会比平直状态下的泄漏要小，且随着弯曲曲率的增大(曲率半径减小)，光泄漏会随之减小；因此，若设置两个以上的光泄漏口，在可弯曲段弯曲时曲率半径相同的位置，光泄漏口的朝向只能沿曲率半径的方向或与曲率半径的方向相反，即在可弯曲段弯曲时曲率半径相同的位置，各光泄漏口的朝向不能设置成相反的方向，也不可以在某处的径向两侧设置对称的光泄漏口，以避免一侧光泄漏口的光泄漏增大时另一侧的光泄漏减小，导致光强无法出现明显变化；而对于弯曲曲率不同的可弯曲段，各光泄漏口的朝向可以相反。

Claims (8)

1.光纤流速传感器，其特征在于：包括具有可弯曲段的光纤，所述光纤用于传输光波的纤芯上于光纤的所述可弯曲段设有用于使部分光波泄漏出的光泄漏口，在可弯曲段弯曲时曲率半径相同的位置，所述光泄漏口的朝向与曲率半径的方向相同或相反，所述光泄漏口是沿光纤的轴向延伸的槽形缺口，所述光纤流速传感器还包括用于在相应流速的流体的冲击下使所述可弯曲段的曲率发生对应改变的光纤形变装置, 所述光纤形变装置包括悬臂梁和用于在流体作用下对悬臂梁施加弯曲作用力的杠杆机构，所述杠杆机构包括杠杆和杠杆转轴，杠杆的一端与悬臂梁的悬臂端传动连接，另一端设有用于迎向流体流动方向的靶体，所述光纤贴紧固定在悬臂梁上而随悬臂梁的形变发生变形。

2.根据权利要求1所述的光纤流速传感器，其特征在于：所述杠杆为省力杠杆，其与所述悬臂梁传动连接的一端到杠杆转轴的距离小于其设有靶体的一端到杠杆转轴的距离。

3.根据权利要求1所述的光纤流速传感器，其特征在于：所述光泄漏口是平底槽形缺口。

4.传感器用光纤，其特征在于：所述光纤具有可弯曲段，所述光纤用于传输光波的纤芯上于所述可弯曲段处设有用于使部分光波泄漏出的光泄漏口，在可弯曲段弯曲时曲率半径相同的位置，所述光泄漏口的朝向与曲率半径的方向相同或相反，所述光泄漏口是沿光纤的轴向延伸的槽形缺口。

5.根据权利要求4所述的传感器用光纤，其特征在于：所述槽形缺口为平底槽形缺口。

6.光纤流速检测装置，包括光纤流速传感器和与光纤流速传感器连接的信号处理系统，其特征在于：所述光纤流速传感器包括具有可弯曲段的光纤，所述光纤用于传输光波的纤芯上于光纤的所述可弯曲段设有用于使部分光波泄漏出的光泄漏口，在可弯曲段弯曲时曲率半径相同的位置，所述光泄漏口的朝向与曲率半径的方向相同或相反，所述光泄漏口是沿光纤的轴向延伸的槽形缺口，所述光纤流速传感器还包括用于在相应流速的流体的冲击下使所述可弯曲段的曲率发生对应改变的光纤形变装置，所述光纤形变装置包括悬臂梁和用于在流体作用下对悬臂梁施加弯曲作用力的杠杆机构，所述杠杆机构包括杠杆和杠杆转轴，杠杆的一端与悬臂梁的悬臂端传动连接，另一端设有用于迎向流体流动方向的靶体，所述光纤贴紧固定在悬臂梁上而随悬臂梁的形变发生变形。

7.根据权利要求6所述的光纤流速检测装置，其特征在于：所述杠杆为省力杠杆，其与所述悬臂梁传动连接的一端到杠杆转轴的距离小于其设有靶体的一端到杠杆转轴的距离。

8.根据权利要求6所述的光纤流速检测装置，其特征在于：所述光泄漏口是平底槽形缺口。