基于光纤光栅的风速传感器系统及方法

技术领域

本发明涉及风速传感技术领域，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

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。

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。

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。

发明内容

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。

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，

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；

传感光源，用于产生传感光；

环形器，用于传输所述传感光并隔离光栅反射信号；

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；

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。

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；

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；

第一光纤光栅，用于风速传感及传输所述传感信号；

第二光纤光栅，用于传输所述参考信号；

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；

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。

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；

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。

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。

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。

进一步的，

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；

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。

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。

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。

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；

所述传感光源为可调谐激光器或固体激光器。

进一步的，所述波长解调器为光谱仪；

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。

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：

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；

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；

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；

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；

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。

采用上述实施例的有益效果是：

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。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于光纤光栅的风速传感器系统一实施例的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种光纤传感探头的结构示意图；

图3为本发明提供的基于光纤光栅的风速传感方法的一实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。此外，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本发明提供了一种基于光纤光栅的风速传感系统及方法，利用掺杂光纤的热效应，使用泵浦激光对光栅进行加热，升温后的光栅在不同的风速下会产生不同程度的热量损失，从而影响光栅的反射波长的中心位置，通过测量光栅反射光谱中心波长的漂移量来间接测量风速的大小。

以下分别对具体实施例进行详细说明：

请参阅图1，图1为本发明提供的一种基于光纤光栅的风速传感器系统一实施例的结构示意图，包括泵浦光源1、传感光源2、环形器3、波分复用器4、光纤传感探头5和波长解调单元6，

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，所述光纤传感探头包括掺杂光纤；

传感光源，用于产生传感光；

环形器，用于传输所述传感光并隔离光栅反射信号；

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；

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。

可以理解的是，泵浦光源发出泵浦光经波分复用器到掺杂光纤，掺杂光纤吸收泵浦光的能量，将光能转换为热能，实现光纤的自加热；传感光源发出传感光经环形器和波分复用器到掺杂光纤；当风场中风速发生变化时，对掺杂光纤进行加热和风速传感，并将反射信号作为反射传感信号和反射参考信号；传感信号和参考信号经波分复用器和环形器到波长解调器；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。

在本发明的一个实施例中，请参阅图2，图2为本发明一实施例提供的一种光纤传感探头的结构示意图，光纤传感探头5包括掺杂光纤51、第一光纤光栅52、第二光纤光栅53、通风管54和隔风管55，第一光纤光栅置于通风管中，第二光纤光栅置于隔风管中；

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；

第一光纤光栅，用于风速传感及传输所述传感信号；

第二光纤光栅，用于传输所述参考信号；

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；

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。

可以理解的是，将第一光纤光栅置于通风管中，其会受到风场的影响，热量会有损失，则其反射光的中心波长发生漂移，不同的风速下会有不同的热量损失和漂移量，其反射光作为传感信号；将第二光纤光栅置于隔风管中，不受风场中风速变化的影响，其反射光作为参考信号；第一光纤光栅反射的传感信号和第二光纤光栅反射的参考信号。

可见，本发明提出的基于光纤光栅的风速传感器，仅由一根掺杂光纤、两个光栅、一个通风管和一个隔风管组成，其结构比现有的光纤光栅风速传感器更加简单，成本更低。跟传统的光纤光栅传感器相比，没有金属薄膜和电极，因此更加耐腐蚀、稳定性更高而且对易燃易爆的场所也适用。并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。

在本发明的一个实施例中，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；

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。

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。

可以理解的是，第一光纤光栅和第二光纤光栅可以直接刻写在掺杂光纤上形成一体式的结构，也可以将第一光纤光栅和第二光纤光栅与掺杂光纤并排固定在一起，形成双光纤的结构，更具体的，第一光纤光栅和所述第二光纤光栅为光纤布拉格光栅。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，

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；

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。

可以理解的是，掺杂光纤用于吸收泵浦光功率实现光纤的自加热并传输传感信号和参考信号；具体的，掺杂光纤的吸收系数为0.71dB/cm，吸收系数相对较大，使得光纤吸收泵浦光的功率之后温升足够高；工作波长为1250-1620nm，长度设置为10cm。

在本发明的一个实施例中，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。

在本发明的一个实施例中，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。

可以理解的是，通风管用于形成空气对流，使第一光纤布拉格光栅暴露在风场中，通风管为直径大于光纤直径的空心圆柱体，不进行密封处理，使其可以形成空气对流，材料可以为不锈钢、铜等。具体的，通风管内径为3mm，外径为4mm。

隔风管用于隔离第二光纤布拉格光栅周围的空气流动，使其不受风场的影响，隔风管为直径大于光纤直径并具有一定厚度的空心圆柱体，对其进行密封处理，使其隔绝空气流动，材料可以为聚氯乙烯、石英玻璃等。具体的，隔风管内径为0.6mm，外径为1mm。

在本发明的一个实施例中，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；所述传感光源为可调谐激光器或固体激光器；所述波长解调器为光谱仪，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。

可以理解的是，泵浦光源用于为掺杂光纤提供激发功率，可以是半导体激光器、YAG激光器等，本发明对此不做进一步限制，并且泵浦光源的功率设置为1500mw，功率太小会导致光纤温度变化不大，响应测温灵敏度。传感光源用于发出用于传感的光信号，其中，传感光源为连续光源，可以为半导体激光器、固体激光器等。波长解调器，即光谱仪用于获取第一光纤布拉格光栅反射的传感信号的光谱和第二光纤布拉格光栅反射的参考信号的光谱。

为了更好实施本发明实施例中的基于光纤光栅的风速传感系统，在基于光纤光栅的风速传感系统基础之上，对应的，请参阅图3，图3为本发明提供的基于光纤光栅的风速传感方法的一实施例的流程示意图，本发明实施例提供了一种基于光纤光栅的风速传感方法，包括：

步骤S301：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；

步骤S302：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；

步骤S303：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；

步骤S304：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；

步骤S305：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。

可以理解的是，泵浦光源发出泵浦光经波分复用器到掺杂光纤，惨杂光纤吸收泵浦光的能量，将光能转换为热能，实现光纤的自加热；传感光源发出传感光经环形器和波分复用器到掺杂光纤；当风场中风速发生变化时，第一光纤光栅置于通风管中，其会受到风场的影响，热量会有损失，则其反射光的中心波长发生漂移，不同的风速下会有不同的热量损失和漂移量，其反射光作为传感信号；第二光纤光栅置于隔风管中，不受风场中风速变化的影响，其反射光作为参考信号；传感信号和参考信号经波分复用器和环形器到波长解调器；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。

可见，本发明提出的基于光纤光栅的风速传感器，仅由一根掺杂光纤、两个光栅、一个通风管和一个隔风管组成，其结构比现有的光纤光栅风速传感器更加简单，成本更低。跟传统的光纤光栅传感器相比，没有金属薄膜和电极，因此更加耐腐蚀、稳定性更高而且对易燃易爆的场所也适用。并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。

这里需要说明的是：上述实施例提供的基于光纤光栅的风速传感方法可实现上述各系统实施例中描述的技术方案，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。