[發明專利]一種微腔干涉流速壓差敏感結構及微腔干涉光纖流速流量傳感器

有效

• 申請號: 201310737286.7
• 申請日: 2013-12-27
• 公開（公告）號: CN103697954A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發明（設計）人: 代志勇
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01F1/66
• 分類號: G01F1/66;G01P5/26
• 代理公司: 成都華典專利事務所(普通合伙) 51223
• 代理人: 徐豐;楊保剛

技術領域

本發明屬于光纖傳感技術領域，具體涉及一種用于獲得流體流速壓差光波相位調制信息的微腔干涉流速壓差敏感結構以及用于測量流體流速流量的微腔干涉光纖流速流量傳感器。

背景技術

流體的流速與流量是現代工業控制領域最為重要的監測參量之一。實現流體流速流量測量（流量通常通過流速測量實現）的技術與方法很多，如電子式流速流量計。但很多特殊的流體流速/流量測量，如高溫高壓油井的原油流量測試，常規電子式測量儀器受溫度限制、電磁干擾以及信號傳輸等限制，很難實現高精度、高可靠性的測量，甚至無法完成測量。光纖傳感器具有高靈敏度、高精度、大動態范圍、抗電磁干擾、以及耐高溫高壓等顯著技術優勢，受到了世界范圍內的關注，國內外都開展了相關的研究。

目前發展的用于流速/流量測量的光纖傳感器有渦輪式光纖流量傳感器、渦街光纖流量傳感器、多普勒光纖速度傳感器、光纖光柵流量傳感器以及干涉型光纖流量傳感器等。渦輪光纖流量傳感器是一種對傳統渦輪流量測量技術進行改進的光纖傳感器，其將流速作用下的渦輪轉化為對光波信號的調制，實現流速流量測量，優點是結構簡單，信號處理方式簡單，但存在低速無法啟動，測量精度不高等問題。渦街光纖流量傳感器則利用流體通過一定障礙物后形成的兩個方向相反的渦流對位于其中的光纖產生振動或微彎效應，通過微彎和振動效應監測實現流速流量測量。渦街光纖流量傳感器需要流體直接作用于光纖，由于光纖本身非常脆弱，因此難以實現長期的可靠測量。

例如申請號為201010619116.5的發明專利公開了一種全光纖干涉儀式測量流量的裝置與方法，包括光源、探測器和全光纖干涉儀，光源發出的光通過全光纖干涉儀進入傳感光纖的兩端，將傳感光纖纏繞在待測流場管道表面，在待測流暢內部設置一障礙物，全光纖干涉儀的輸出端連接一探測器。全光纖干涉儀可以基于以下技術：Sagnac?干涉技術、Mach-Zender?干涉技術、Michelson?干涉技術、Fabry-Peort?干涉技術及其他相位干涉技術實現。該全光纖干涉儀測量流量的方法，包括以下步驟：a、光源發出的光經過全光纖干涉儀進入傳感光纖兩端；b、在待測流場里設置一障礙物；流體遇到障礙物后形成有規則的兩列旋轉方向相反的并排旋渦稱為卡門渦街，此旋渦頻率與流速成正比；c、纏繞在待測流場管道表面的傳感光纖受旋渦沖力的作用而作受迫振動，傳感光纖中的光信號也就被此振動調制；d、傳感光纖振動后，在全光纖干涉儀處會形成明顯的干涉條紋，傳感光纖內光信號相位改變時通過干涉儀輸出的光信號與受到的振動對應，利用探測器對相干光信號的分析處理，即可得到待測流場的流速。

多普勒光纖速度傳感器則利用投射到流體上的光束所產生的光學多普勒頻移效應實現流速的精確測量，但常常因流體對光波產生的強烈吸收，而導致無法測量，同時低流速時頻移量非常小，存在低速測量誤差大等問題。光纖光柵流量傳感器通過在流體中安置壓力敏感元件，利用流體流動勢能產生的壓力使敏感元件產生應變，引起光纖光柵反射中心波長的移動，實現流速流量測量。盡管測量精度較高，但這種安裝方式使光柵無法完全密封封裝，在高溫高壓測試環境下無法可靠測試。干涉型光纖流量傳感器利用壓力對光波相位的調制，通過干涉儀（M-Z干涉儀、F-P干涉儀或邁克爾遜干涉儀）相位解調實現流速流量測量，具有非常高的靈敏度，而且通過壓力敏感膜片實現流速壓差到光波信號的調制，能進行敏感光路的全封閉封裝，能滿足高溫高壓環境的應用需要。但傳統的光纖干涉儀的干涉光路非常長，不可避免地存在嚴重的偏振信號衰落和信號溫度漂移，影響測量精度；同時獲取流速壓差的兩壓力敏感點存在一定距離，必然引入嚴重的靜壓干擾，導致測量靈敏度下降。

發明內容

本發明針對于現有技術的局限性，而提供了一種微腔干涉流速壓差敏感結構，有效地消除靜壓干擾、偏振信號衰落以及信號溫度漂移等，獲取高精度流速壓差信息，實現高精度的流速流量測量；同時提供一種微腔干涉光纖流速流量傳感器，一方面能有效地消除偏振信號衰落、信號溫漂以及振動擾動誤差，另一方面則能實現傳感光路的整體密閉封裝，滿足高溫、高壓、高污染的使用環境要求。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案是：