基于脉冲激光和温度变化的光纤流速流向测量装置及方法

技术领域

本发明涉及低流速测量领域，具体是涉及基于脉冲激光和温度变化的光纤流速流向测量装置及方法。

背景技术

流速的测量在生产生活中有着多方面的应用，在生产方面，石油测井，煤、石油、天然气的开采等都需要对液体或者气体的流动性进行监测；在生活中，灾害预警可以保障人们的生命安全，减少经济损失，在诸如大坝渗流监测等领域，需要进行低流速的水流测量。

现有的流速测量方法有：示踪法(刘桂元.基于荧光示踪技术的微流速测量系统设计与开发[D].华中科技大学,2016.)：通过将示踪物质放入流体中，示踪物质随着流体流动，对示踪物质的运动规律进行检测可以得到流体的流速；差压法(卢嘉敏,张强,张达远,刘雅杰.差压式流量计综述[J].计量技术,2018(01):9-12；李彦军,严登丰.一种新型差压流速流量计的研制与应用[J].排灌机械,2009,27(04):251-254.)：差压法是工业中广泛应用的测量方法，其测量原理主要是基于伯努利方程，设置节流件，当流体通过节流件时，管道截面的减小使得流体的部分静压转化为动能，静压力在该位置会下降一个值，从而产生差压，节流件前后的差压与流速有关，通过测量这个压差来获取流速信息；电磁流量计(曾为民,李斌.电磁流量计综述[J].上海大学学报(自然科学版),1997(S1):273-276.)：电磁流量计的工作原理基于法拉第电磁感应定律，用来测量导电液体的流速大小，测量截面各点流速对测量信号的作用，因此测量的是管内的平均流速；超声多普勒流速仪(梁思达.多通道超声波流速仪的设计与研究[D].华北电力大学,2021.)：超声波流量流速测量方法是通过检测流体流动时对超声束的影响来进行测量的：超声波在传播过程中被液体吸收和反射能量，从而改变声波的强度，对接收的声波信号强度处理即可得到流量信息；激光多普勒流速仪：激光多普勒测速仪(刘同波.激光多普勒测速仪的设计及实现[D].大连理工大学,2006.)是利用多普勒原理，测量激光入射到被测流体后，测量散射粒子对激光的散射信号，由于流体的运动可以计算出散射光的频移，通过对频移量进行计算可以进一步推出流体的流速；热线热量式流速仪：热式流量计是依据对流传热原理进行流量测量的：流动的液体与热源棒之间有热量的传递过程，通过二者的热量交换关系可以测出流体的流量，其原理和结构简单，尺寸小，因此引起的压力损失小，结构紧凑，稳定性好，测量范围大，是当前质量流量计的研究热点(袁琨翔.热式流量计的误差分析及精度提升方法研究[D].浙江大学,2015.)。以上方法大多受限于水质好坏的影响，无法应用于磁场、油气等特殊领域。

随着光纤技术的进步，光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)凭借其结构紧凑、稳定性高、信号强、快速响应、精度高、不受光源波动和链路损耗变化的影响、抗干扰能力强等优点，成为应用领域十分广泛的光纤传感技术。已有一些采用FBG的流速传感器报导：Ping Lu et.Al(Lu P,Chen Q.Fiber Bragg grating sensor for simultaneousmeasurement of flow rate and direction[J].Measurement Science and Technology,2008,19(12):125302.)设计了一种基于光纤光栅的悬臂梁结构流速传感器，利用光纤光栅对应变敏感，同时测量流体的流速和流向，但流向只能通过光纤光栅的波长红移或蓝移判断正反向流动，无法判断任意流体流动方向。另外，这种结构的传感器灵敏度有限，无法测量很低的流速；Jiang,X et.Al(Jiang X,Wang K,Li J,et al.Optical sensor ofthermal gas flow based on fiber Bragg grating[J].Sensors,2017,17(2):374.)设计了一种热式气体流量传感器，制作两个独立的FBG，其中一个与可以通过激光加热的特殊光纤封装在一起，分别将两个FBG固定在气体管道的上下游，通过测量两个FBG之间的波长差得到气体的流速，但该测量方案无法测量气体流向，另外，可以激光加热的特殊光纤也难以获得，性能较难掌握。目前，这些基于FBG的传感器无法实现流速和流向的同时测量，且难以测量超低液体流速(流速<0.1mm/s)。

发明内容

为解决液体超低流速流向的测量问题，本发明提出基于脉冲激光和温度变化的光纤流速流向测量装置，包括光纤、热源棒和多个FBG传感器；所述光纤包括加热光纤和传感光纤，加热光纤与所述热源棒连接，用于加热热源棒；传感光纤与所述FBG传感器连接，用于接收FBG传感器的传感信息至光纤光栅解调仪；所述热源棒为金属棒；所述FBG传感器与所述热源棒平行布置，布置方向满足所述FBG传感器的横截面与所述热源棒的横截面均平行于液体流向，且所述FBG传感器的横截面位于以所述热源棒的横截面为原点的圆周上。

优选的，所述FBG传感器的数量为三个，每个FBG传感器与另外两个FBG传感器分别构成120°的夹角，三个FBG传感器均与热源棒距离1mm。

优选的，所述热源棒与所述加热光纤封装于金属管内。

优选的，所述热源棒的材质为不锈钢，所述金属管的材质为不锈钢

优选的，在所述加热光纤周围用金属粉末填充增加温度的传导性。

本发明还提供基于脉冲激光和温度变化的光纤流速流向测量方法，基于上述任一的测量装置，包括以下步骤：

S1，布置测量装置；所述FBG传感器与所述热源棒平行布置，布置方向满足所述FBG传感器的横截面与所述热源棒的横截面均平行于液体流向，且所述FBG传感器的横截面位于以所述热源棒的横截面为原点的圆周上；

S2，采用脉冲激光加热所述热源棒；

S3，计算所述FBG传感器处的温度变化与时间t的关系，结合所述FBG传感器的布置位置，包括所述FBG传感器到热源棒的距离以及所述FBG传感器之间的夹角，计算液体流速或同时计算液体流速流向。

优选的，单独计算流速时，所述S3为：所述FBG传感器处的温度变化与时间t的关系，表示为

其中，(x,y)表示该FBG传感器在以热源棒为原点以流体流向为x轴正方向、以垂直于流体流向和热源棒的方向为y轴正方向所建立的二维坐标系中的坐标点；

所述温度变化为所述FBG传感器处的温度与未加热时的流体温度的差值；Q

所述ΔT(x,y,t)的数值通过光纤光栅解调仪分析FBG传感器测量的波长随时间t的变化得到，结合式(1)求得流体流速v。

优选的，同时计算流速流向时，所述S3为：所述FBG传感器处的温度变化与时间t的关系，表示为

其中，i表示所述FBG传感器的个数，(r

ΔT

优选的，所述FBG传感器的数量为三个，分别为第一FBG传感器、第二FBG传感器和第三FBG传感器，且三个FBG传感器到热源棒的距离均为r；则三个所述FBG传感器的ΔT

根据式(3)得到

其中，ΔT

通过所述FBG传感器的布置可得两两所述FBG传感器之间的夹角和三个FBG传感器到热源棒的距离r，测量已知一段时间t内的ΔT

优选的，脉冲激光加热热源棒的方法是：通过软件控制高功率激光器的通断时间来实现激光的脉冲输出；所述高功率激光器通过直流稳压电源供电。

本发明采用脉冲激光加热金属物体，物体周围不同位置点因脉冲加热引起的温度变化与液体的流速和流向有关。通过具体方案是在脉冲激光加热金属圆棒，周围间隔一定距离与圆棒平行放置多个FBG温度传感器，并在金属圆棒周围布设多个光纤光栅温度传感器，可以方便地实现全光纤超低流速与流向的测量。本发明具有以下有益效果：

(1)可用于对低流速液体的流速流向测量，且不限于液体测量，如可用于气体的流速流向测量；

(2)通过多个FBG传感器，可同时测得流向流速；

(3)热源棒采用脉冲激光加热，无导电引线，具有防电磁干扰、防静电等优势，在井下油气开采等严苛的作业环境中有着巨大的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例测量装置的示意图，图1(a)为立体图，图1(b)为三根FBG与加热棒的横截面示意图；

图2为本发明实施例测量装置的热源棒示意图；

图3为本发明实施例测量方法的步骤图；

图4为本发明实施例测量方法的脉冲激光功率与时间变化曲线；

图5为本发明实施例测量方法的FBG传感器在不同流体流速下测量的温度变化曲线；

图6为本发明实施例测量方法的FBG传感器对流速的响应曲线图。

具体实施方式

为说明本发明专利对低流速和流向的具体实施方法，下面结合附图和实施例进行进一步说明：

参见图1所示，为本发明实施例测量装置的示意图，图1(a)为立体图，图1(b)为三根FBG与加热棒的横截面示意图；所述测量装置包括光纤、热源棒2和FBG传感器；所述光纤包括加热光纤11和传感光纤12，加热光纤11与所述热源棒2连接，用于加热热源棒2；传感光纤12与所述FBG传感器连接，用于接收FBG传感器的传感信息至光纤光栅解调仪；FBG传感器包括第一FBG传感器31、第二FBG传感器32和第三FBG传感器33；所述热源棒2为金属管；所述FBG传感器与所述热源棒2平行布置，布置方向满足所述FBG传感器的横截面与所述热源棒2的横截面均平行于液体流向4，且所述FBG传感器的横截面位于以所述热源棒2的横截面为原点的圆周上。所述FBG传感器分别与另外两个FBG传感器构成夹角为120°，且三个所述FBG传感器均与热源棒距离1mm。

具体的，参见图2所示，为本发明实施例测量装置的热源棒示意图；所述热源棒2与所述加热光纤11封装于金属管5内；在所述加热光纤11周围用金属粉末6填充增加温度的传导性。

具体的，所述金属粉末为为氧化铝粉末。

具体的，所述金属管和所述热源棒的材质为不锈钢。

参见图3，为本发明实施例测量方法的步骤图，包括以下步骤：

S1，布置测量装置；所述FBG传感器与所述热源棒平行布置，布置方向满足所述FBG传感器的横截面与所述热源棒的横截面均平行于液体流向，且所述FBG传感器的横截面位于以所述热源棒的横截面为原点的圆周上；

S2，采用脉冲激光加热所述热源棒；

S3，计算所述FBG传感器处的温度变化与时间t的关系，结合所述FBG传感器的布置位置，包括所述FBG传感器到热源棒的距离以及所述FBG传感器之间的夹角，计算液体流速或同时计算液体流速流向。

具体的，单独计算流速时，所述S3为：所述FBG传感器处的温度变化与时间t的关系，表示为

其中，(x,y)表示该FBG传感器在以热源棒为原点以流体流向为x轴正方向、以垂直于流体流向和热源棒的方向为y轴正方向所建立的二维坐标系中的坐标点；

所述温度变化为所述FBG传感器处的温度与未加热时的流体温度的差值；Q

所述ΔT(x,y,t)的数值通过光纤光栅解调仪分析FBG传感器测量的波长随时间t的变化得到，结合式(1)求得流体流速v。

具体的，同时计算流速流向时，所述S3为：所述FBG传感器处的温度变化与时间t的关系，表示为

其中，i表示所述FBG传感器的个数，(r

ΔT

具体的，所述FBG传感器的数量为三个，分别为第一FBG传感器、第二FBG传感器和第三FBG传感器，且三个FBG传感器到热源棒的距离均为r；则三个所述FBG传感器的ΔT

根据式(3)得到

其中，ΔT

通过所述FBG传感器的布置可得两两所述FBG传感器之间的夹角和三个FBG传感器到热源棒的距离r，测量已知一段时间t内的ΔT

对本发明实施例的测量方法做验证实验，将所述高功率激光器激光功率设置为12W，脉冲宽度为1s，测量装置放置在静止的水中。从光纤光栅解调仪开始记录的第10s开启激光器，然后改变水流的流速，第一FBG传感器记录到的温度变化如图3所示，温度最大值为8.8℃，时间为第10s。

对于图4中的曲线，通过对温升的最大值进行标记，温升最大值与流速的关系如图5所示，对图6中的散点做线性拟合得到所述传感器的流速测量标定曲线，在所述实施例中，0-80um/s的流速范围内测量装置的灵敏度为0.4pm/(um/s)，所述FBG传感器的灵敏度约为10pm/℃。

单独测量流速时，根据第一FBG传感器测量到的温度升高的最大值判断，代入图4所示的拟合曲线方程中可得出流体的流速大小。举例如下：第一FBG传感器测得的温度最大值为7.94℃度时，通过标定的曲线可求得水流的流速约为20um/s左右。

同时测量流速和流向时，采用三个FBG传感器，根据任一FBG传感器测量流速，结合第一FBG传感器、第二FBG传感器和第三FBG传感器测量的温度变化，代入公式(4)，可以得到流体流动的方向。

本发明专利具有可以快速获取流体流速流向的特点，可用于但不限于对低流速流体的测量，并且可以通过多个传感器放置得到流体的流向；本发明采用激光加热，无导电引线，具有防电磁干扰、防静电等优势，在井下油气开采等严苛的作业环境中有着巨大的应用前景。