[發(fā)明專利]速度矢量測量光纖傳感器及測量方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010003693.5
• 申請日: 2020-01-02
• 公開（公告）號: CN111077334A
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳浩玉;羅振雄;莫俊杰;謝明強(qiáng);但加坤;郭昭亮;劉明濤
• 申請（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: G01P3/36
• 分類號: G01P3/36
• 代理公司: 四川省成都市天策商標(biāo)專利事務(wù)所 51213
• 代理人: 胡慧東

本發(fā)明公開了速度矢量測量光纖傳感器及測量方法，所述速度矢量測量光纖傳感器，包括第一光纖探頭、第二光纖探頭、第三光纖探頭和第四光纖探頭，四支光纖探頭分別包括前端聚焦透鏡以及探頭尾纖兩部分，四支光纖探頭的前端聚焦透鏡部分設(shè)置在保護(hù)套內(nèi)。所述第四光纖探頭設(shè)置在與保護(hù)套同軸心位置；所述第一光纖探頭、第二光纖探頭、第三光纖探頭沿第四光纖探頭環(huán)向間隔120度均布、并與第四光纖探頭保持固定的傾角θ。本發(fā)明的速度矢量測量光纖傳感器，可精確計(jì)算獲得運(yùn)動(dòng)靶面的矢量運(yùn)動(dòng)速度方向和大小，克服了傳統(tǒng)激光干涉測速只能獲取沿光纖探頭方向速度的缺點(diǎn)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電測試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及速度矢量測量光纖傳感器及測量方法。

背景技術(shù)

隨著激光干涉測速技術(shù)的成熟，其應(yīng)用也越來越廣泛。但其不足之處在于，測量的速度是待測物體沿激光傳播路徑上的速度分量，并非真實(shí)的速度矢量。在某些實(shí)驗(yàn)中真實(shí)速度與測速方向速度分量差別不大，但在某些特定實(shí)驗(yàn)中(特別是滑移爆轟和特殊結(jié)構(gòu)等)，真實(shí)速度與其在測速方向的速度分量可能有較大差別，即真實(shí)速度方向與測速方向有不可忽略的夾角。獲取速度矢量(真實(shí)速度方向和大小)對于計(jì)算某些物理量和更精確地校驗(yàn)數(shù)值模擬程序有重要作用。

本申請的支持基金為內(nèi)爆加載下微噴微層裂物質(zhì)全過程診斷方法，基金號：11802286。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就在于為了解決上述問題而提供速度矢量測量光纖傳感器及測量方法，本發(fā)明不同于傳統(tǒng)的標(biāo)量測量光纖傳感器，可對被測靶面的速度方向進(jìn)行判定，并計(jì)算獲得速度矢量方向的速度大小。

本發(fā)明通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)上述目的：

速度矢量測量光纖傳感器，包括第一光纖探頭、第二光纖探頭、第三光纖探頭和第四光纖探頭，四支光纖探頭分別包括前端聚焦透鏡以及探頭尾纖兩部分，四支光纖探頭的前端聚焦透鏡部分設(shè)置在保護(hù)套內(nèi)。

進(jìn)一步方案為，所述第四光纖探頭設(shè)置在與保護(hù)套同軸心位置；

所述第一光纖探頭、第二光纖探頭、第三光纖探頭沿第四光纖探頭環(huán)向間隔120度均布、并與第四光纖探頭保持固定的傾角θ。

進(jìn)一步方案為，所述第四光纖探頭功能是入射和收集激光；

所述第一光纖探頭、第二光纖探頭、第三光纖探頭的功能是接收激光；

所述保護(hù)套為圓柱形，起到固定支撐和定位四支光纖探頭的作用。

本發(fā)明另一方面提供了上述的速度矢量測量光纖傳感器的測量方法，假設(shè)靶面運(yùn)動(dòng)矢量v方向與中間第四光纖探頭的夾角為θ₀，沿環(huán)向與第二光纖探頭的夾角為；對各探頭原始信號進(jìn)行短時(shí)FFT變換得到各自的頻率，四個(gè)探頭原始信號短時(shí)FFT變換的頻率分別為Δf₁、Δf₂、Δf₃和Δf₄，假設(shè)靶面運(yùn)動(dòng)矢量v沿四個(gè)測試方向的分量分別為v₁、v₂、v₃和v₄，則它們滿足：

其中，f₀為入射激光的頻率；根據(jù)上述方程可以得到靶面運(yùn)動(dòng)矢量v沿四個(gè)測試方向的分量；

根據(jù)幾何關(guān)系，靶面運(yùn)動(dòng)矢量v與速度分量之間滿足如下方程：

根據(jù)上述四個(gè)方程可以求解四個(gè)未知數(shù)：從而得到靶面運(yùn)動(dòng)矢量v的大小v₀和方向

其中，任意兩個(gè)方向和之間的夾角α滿足：

本發(fā)明的有益效果在于：