专利名称：光纤感测系统的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及感测技术，更具体来说，涉及光纤感测装置。
背景技术：
用于测量例如流速、压力、温度、质量流等流体或气体流参数的各种感测装置是已 知的。但是，对于通过难以接近的通道、如通过密封的冷却流或泄漏流的流量测量，常规感 测装置实现起来比较复杂。 希望具有一种较小尺寸的改进感测装置。
发明内容
根据本文所公开的一个实施例，提供一种光纤感测系统。该光纤感测系统包括设 置在流径中的壳体和光纤传感器。光纤传感器包括固定在壳体中的光纤、布拉格(Bragg) 光栅、用于将光线传输到光纤的光源以及用于检测经光纤的布拉格光栅过滤的光线并且监 测所检测光线的波长变化的检测器。光纤与流径基本垂直。壳体在上游侧定义开口，以便 允许通过流径的流量对光纤施加压力并且引起布拉格光栅的变形。 根据本文所公开的另一个实施例，提供一种光纤感测系统。该光纤感测系统包括 设置在流径中的壳体和光纤传感器。光纤传感器包括固定在壳体中的光纤。光纤与流径基 本垂直，并且包括第一部分，包含用于测量流径中的差压的第一布拉格光栅；第二部分， 包含用于测量流径中的总压力的第二布拉格光栅；以及第三部分，包含用于测量流径中的 温度的第三布拉格光栅。光纤传感器还包括光源，用于通过光纤传输光线；以及检测器， 用于检测经光纤的布拉格光栅过滤的光线并且监测所检测光线的波长变化。
本发明的这些及其它特征、方面和优点在参照附图阅读以下详细描述时将变得更 好理解，附图中，相似符号在整个附图中表示相似部件，其中 图1是根据本发明的一个实施例、用于测量流量的差压的光纤感测系统的截面 图。
图2示出因施加于光纤的压力而引起的布拉格光栅的波长变化。 图3是根据本发明的另一个实施例、用于测量流量的差压和静压的光纤感测系统
的截面图。 图4是示出图3的光纤感测系统的空腔中的光线的反射和透射(transmission) 的放大图。 图5是根据本发明的又一个实施例、用于测量流量的总压力和静压的光纤感测系 统的截面图。 图6是根据本发明的又一个实施例、用于测量流量的流向和总压力的光纤感测系 统的截面图。
图7是沿图6的线条7-7的光纤感测系统的截面图。 图8是根据本发明的又一个实施例、用于测量流量的总压力、差压和温度的光纤 感测系统的侧视图。 图9是沿图8的线条9-9的截面图。 图10示出三个布拉格光栅分别由于通过图8和图9的实施例的流量的总压力、差 压和温度的改变而弓I起的波长变化。
具体实施例方式
本发明的实施例公开用于测量流体(液体或气体)流参数的光纤感测系统。光纤 感测系统包括各具有布拉格光栅的光纤传感器。通过监测所检测光线的波长的变化，可测 量流量的差压、静压、流速和/或温度。为了简化描述，不同实施例的共同元件共用相同的 参考标号。 图1示出一种光纤感测系统10，它包括设置在流径12中的壳体14和光纤传感器 16。光纤传感器16包括固定在壳体14中的光纤28，并且其上具有布拉格光栅36。光纤28 与流径基本垂直，以及壳体在上游侧定义开口，以便允许通过流径的流量对光纤28施加压 力，并且引起布拉格光栅36的变形。光纤传感器16还包括光源38，用于通过光纤28传 输光线；以及检测器39，用于检测通过光纤的布拉格光栅所过滤的光线并且监测所检测光 线的波长变化。 图1还示出用于测量流径12中的差压的示范光纤感测系统10。通过流径12的流 体流量一般沿流向D，相应地，如下文所使用的术语"下游"和"上游"均相对于流向D来定 义。在图1的实施例中，壳体14包括基本成直角的隧道18，其中具有沿流向D的上游通道 20以及与流向D基本垂直的下游通道22。上游和下游通道20、22分别包括在壳体14正面 的上游开口 24以及在壳体14底面的下游开口 26。在图1的实施例中，光纤传感器16包括 与流向D —般垂直设置的光纤28，其中上端和下端在壳体14中固定并且密封，使得光纤端 部没有与流径12接触。光纤28包括芯27以及围绕芯27的外层29，并且光纤28的中间部 分30设置在上游通道20中并且与下游通道22相邻。 因此，流体从上游开口 24流入隧道18并且从下游开口 26流出隧道18，其中光纤 28的中间部分30具有与流体流量的总压力Pt相关的一侧32和经受流体流量的静压Ps的 另一侧34。因流量12而施加于光纤28的总压力Pt和静压Ps服从伯努利(Bernoulli)方 程 Pt = Ps+Pd 其中"Pd"是按照下式与流速的平方成正比的动压或差压
Pd =全P. U2 其中p是单位为kg/m3的流体密度，以及u是单位为m *s—1的流体速度。相应地， 光纤28的偏转与差压Pd成正比，并且又指示流速u。 继续参照图l，光纤传感器16还包括光纤28中的布拉格光栅36、用于向光纤28 发射光线的光源38以及接收从布拉格光栅36所反射的光线的检测器39。在一个实施例 中，布拉格光栅36包括在光纤28的中间部分30中的分布式周期性光栅，而在另一个实施例中，布拉格光栅36位于光纤28的中间部分30之下或之上。光源38可包括例如可调谐 激光器、LED、激光二极管或者任何其它准单色源，它们可通过通常1400至1500纳米的波长 范围来进行扫描。 布拉格光栅36可通过本领域已知的任何方法在光纤28上形成，并且在一个示例 中，这种制造包括使用紫外光的干扰图来创建折射率的永久调制。当来自光源38的光线通 过光纤28传输到布拉格光栅36时，布拉格光栅在下式给出的对应布拉格波长反射光能
AB = 2neffA 其中"A B"表示布拉格波长，"neff"是折射率，以及"A "是光栅的周期。光栅36 的折射率rwf和周期A是温度和应变(strain)的函数。因此，施加到布拉格光栅36的差 压Pd在布拉格光栅36上引起应变，该应变导致反射光线的布拉格波长的变化。
如图2所示，实线中的波形是没有给光纤28垂直施加的压力的原始波长A ，而虚 线中的波形是差压Pd所引起的偏移波长A 。相应地，通过将布拉格波长的偏移量A A与 差压Pd相关，差压Pd因而可通过监测布拉格波长偏移A A来获得。光纤传感器由于尺寸 较小并且对应变敏感而有用。因此，光纤感测系统io可用于例如通过燃气涡轮机中的密封 的冷却流或泄漏流等难以接近的流量区域。 图3示出根据本发明的另一个实施例、用于测量差压Pd和静压Ps的光纤感测系 统40，其中光纤传感器42包括包含固定在壳体14的下端部分并且在光纤28下方的介电 膜44的法布里-珀罗(Fabry-Perot)光学传感器。光纤28包括下端46。膜44包括面向 光纤28的内表面47以及暴露于流径12并且经受静压Ps的外表面49。具有距离d的空腔 48在光纤28的下端46与膜44的内表面47之间形成。 参照图4，来自光源38(图3)的光线通过光纤28进行传输，并且被部分送入空腔 48。光纤28的下端和膜44分别具有反射率ni和n2，并且在一个实施例中& = n2。空腔48 具有与反射率&和n2不同的反射率ne。送入空腔48的光线包括在光纤28的下端46与空 腔48中的膜44之间反射的反射光分量50以及通过光纤28的下端46从空腔48透射并且 由检测器38接收的透射光分量52。假定正常反射条件，透射光分量52没有与空腔48进一 步相互作用。膜44的外表面49暴露于待测量的静压Ps。静压Ps的增加使膜44朝空腔 48偏转。膜44的内表面由于压力增加而弯曲，使得在膜44的内表面上所反射的光线的反 射角改变。到达检测器38的光线的强度相对于空腔48中的光线的强度与作用于膜44的 外表面49的压力(静压Ps)相关。相应地，通过测量来自空腔48的光线的强度，可测量静 压Ps。 图5示出根据本发明的另一个实施例、用于测量流径12中的总压力Pt和静压Ps 的光纤感测系统60。所示光纤感测系统60包括其中具有中心槽(slot)66的纵向壳体64 以及固定在壳体64的中心槽66中的光纤传感器62。光纤传感器62具有与图3的光纤传 感器42相似的配置，并且具有固定在壳体64的中心槽66中的光纤28、光纤28中的布拉格 光栅36、光纤28的下端46之下的膜44以及下端46与膜44之间的空腔48。
壳体64沿与流向D基本垂直的方向设置在流径12中。 壳体64具有通过其上游侧、与中心槽66联系的上游开口 68。总压力Pt通过开口 68施加到光纤28，并引起光纤28的变形，且又引起通过布拉格光栅36的光线的波长偏移， 如上所述。通过监测布拉格光栅36的波长偏移，可获得流量12的总压力Pt。在某些实施例中，光纤感测系统60还包括密封膜67，用于防止流量12通过开口 68流入中心槽66，但 使流量12的总压力Pt传递到光纤28。在某些实施例中，在光纤28中相邻光纤28的下游 侧定义沟槽(groove) 69，以便允许光纤28在总压力Pt下的变形。 膜44固定到壳体64的下端，并且经受静压Ps。如上所述，空腔48的距离d的变 化引起空腔48的强度变化，该强度变化与静压Ps相关。相应地，通过监测空腔48的强度 变化，可获得流量12的静压Ps。 图6和图7示出根据本发明的另一个实施例、用于测量流量12的流向和总压力 Pt的光纤感测系统70。参照图6，光线感测系统70包括光纤传感器71和保持光纤传感器 71的壳体72。在一个实施例中，光纤传感器71包括包含第一、第二和第三光纤73、74、75 的至少三个光纤。在一个实施例中，壳体72具有等腰三角形截面，其中等腰三角形的顶端 (tip) —般面对通过流径12的流量，并且两边相对于一般流向对称分布。第一开口 76在壳 体72的顶端中定义，并且第二与第三开口 77和78对称地分布于两边。第一、第二和第三 光纤73、74、75固定在壳体72中，并且各具有分别在第一、第二和第三开口 76、77、78中暴 露的部分。在其它实施例中，壳体可具有奇数条边的多边形截面。流量通过流径12入射到 多边形的顶端中安装的传感器。至少一对边相对于一般流向对称分布，并且各边定义有开 口。在又一个实施例中，壳体72可具有其它截面形状。第一、第二和第三光纤73、74、75分 别具有暴露于开口 76、77和78的测量平面，并且测量平面的方位相互成一角度。
光纤73、74和75中的每个包括布拉格光栅36。在一些实施例中，各布拉格光栅 36是相同的。参照上文针对图5的描述，光纤73、74和75中的每个因流体流经流径12而 变形。当流量正好在流向D时，从第一光纤73的布拉格光栅36透射或反射的光线的波长 指示总压力Pt，而影响第二和第三光纤74、75的布拉格光栅36的压力小于总压力，并且产 生相同的波长偏移。当流向改变时，将存在影响第一光纤73的布拉格光栅36的所感测总 压力的减小，并且第二和第三光纤74、75所感测的压力发生变化。例如，通过先前校准和构 造的查找表，可推导出流向和总压力。在一个实施例中，光纤传感器71还包括用于接收来 自检测器39的信号并且估计流向的控制器79(图7)。在另一个实施例中，控制器79嵌于 检测器39中，使得检测器39执行估计功能。在又一个实施例中，速度及其方向可通过在光 纤传感器71的校准期间所开发的算法来确定，其可在计算机或者在相似的数据获取系统 上实现。 参照示出沿图6的线条7-7的截面图的图7，在一个实施例中，密封膜67设置在第 一光纤73与第一开口 76之间，用于防止流量12通过第一开口 76流入壳体72，但准许流量 12的压力到达第一光纤73。在某些实施例中，开口 76设置成没有与第一光纤73的布拉格 光栅36相邻，以便防止布拉格光栅36被损坏。在一个实施例中，沟槽69设置在相对于布 拉格光栅36的下游方向，以便允许第一光纤73在流量12的压力下的充分变形。在某些实 施例中，壳体72具有与用于图7的第一光纤73相似的用于保持第二和第三光纤74、75的 布置。 图8和图9示出根据本发明的另一个实施例、用于测量流径12中的总压力Pt、差 压Ps和温度的光纤感测系统80。光纤感测系统80包括光纤82、保持光纤82的壳体84以 及光纤82中用于分别测量差压Pd、总压力Pt和温度的第一、第二、第三布拉格光栅86、87、 88。在一个实施例中，布拉格光栅86、87和88在一个公共光纤82中。参照图8和图9，壳体84设置在流径12中，并且以光纤82沿与流向基本垂直的方向保持在壳体84中的方式 设置。光纤82包括分别保持第一、第二和第三布拉格光栅86、87、88的第一、第二和第三部 分90、91、92。壳体84包括一般沿流向并且与光纤82的第一部分90相邻的侧通孔94。来 自流径12的流量部分流经通孔94。相应地，差压Pd在光纤92的第一部分90上引起应变， 从而朝下游方向变形。来自第一布拉格光栅86的波长变化与流量12的差压Pd相关。通 过监测第一布拉格光栅86的波长变化，可获得差压Pd。在某些实施例中，布拉格光栅86设 置成低于或高于通孔94，以便防止布拉格光栅86被损坏。在一个实施例中，沟槽100设置 在布拉格光栅86的下游侧，以便允许第一部分90在流量的差压下的充分变形。
壳体84定义与光纤28的第二部分91相邻的侧开口 96。密封膜67设置在光纤 82与侧开口 96之间，用于防止流量12通过侧开口 96流入壳体84，但可将流量12的总压 力传递到光纤82的第二部分91。相应地，光纤28的第二部分经受流量12的总压力Pt，因 而第二布拉格光栅87的波长变化与流量12的总压力Pt相关。通过监测第二布拉格光栅 87的波长变化，可获得流量12的总压力Pt。 在某些实施例中，第一和第二部分90、91分别具有采用支承固定到壳体87的上端 和下端，因而第一和第二部分90、91的偏转不会相互转移。 当第三布拉格光栅88的温度具有增加A T时，第三布拉格光栅88的布拉格波长 由于对折射率调制的热膨胀效应和第三布拉格光栅88的光栅周期而朝较长波长偏移。因 此，流径12中的温度变化可通过监测第三布拉格光栅88的波长偏移来监测。壳体84定义 空腔98，并且空腔98中的布拉格光栅88对温度变化敏感。在一个实施例中，刚性盖子102 设置在空腔98中，以便进一步防止来自流径12的任何压力影响光纤82的第三部分92。
在某些实施例中，因流量的温度变化而引起的第一和第二布拉格光栅86、87的波 长变化将根据第三布拉格光栅88的测量进一步校准。 参照图10，在一个实施例中，第一、第二和第三组布拉格光栅86、87、88具有不同 的反射谱，并且将以不同波长AB1、 A^和A^进行反射。因此，检测器39接收第一、第二 和第三光栅86、87、88的全部三个波长AB1、 A^和AB3，并且分别监测其中的变化。
除非另加说明，否则本文所使用的科技术语具有与本发明所属领域的技术人员普 遍理解相同的含义。本文所使用的术语"第一"、"第二"等并不表示任何顺序、量或重要性， 而是用来区分各个元件。另外，术语"一个"并不表示量的限制，而是表示存在所引用项的 至少一个，并且除非另加说明，否则例如"前"、"后"、"底部"和/或"顶部"等术语的使用只 是便于描述，而并不局限于任何一个位置或空间方位。 既然已经参照示范实施例描述了本发明，那么本领域的技术人员会理解，在没有 背离本发明的范围的情况下，可进行各种变更，并且等效方案可代替其中的元件。另外，可 对本发明的教导在没有背离其本质范围的情况下进行多种修改以适合具体情况或材料。因 此，意图是本发明并不局限于作为预期用于执行本发明的最佳模式而公开的特定实施例， 本发明将包括落入所附权利要求书的范围之内的所有实施例。 要理解，不一定按照任何具体实施例可实现以上所述的所有这类目的或优点。因 此，例如，本领域的技术人员将领会，本文所述的系统和技术可通过下列方式来体现或执 行实现或优化本文教导的一个或一组优点，而不一定实现本文可能教导或暗示的其它目 的或优点。
7
此外，技术人员将领会来自不同实施例的各种特征的可交换性。所述的各种特征 以及各特征的其它已知等效体可由本领域的技术人员进行混合和匹配，以便根据本公开的 原理构建其它系统和技术。
部件清单 10
12 14 16 18
20， 22 24 26 28
27， 29 30
32， 34 36
38
39
40 42 44 46 48
47， 49
50
52
60
62
64
66
68
67
69
70
71
72
73，74，75 76，77，78
光纤感测系统 流量 壳体
光纤传感器 成直角的隧道 上游和下游通道 上游开口 下游开口 光纤
光纤28的芯和外层
光纤28的中间部分 经受总压力Pt和静压Ps的两侧 布拉格光栅 光源 检测器 光纤感效 光纤传感器 介
电膜
光纤28的下端
空腔
膜44的内表面和外表面 反射光分量 透射光分量 光纤感测系统
光纤传感器
壳体
中心槽
壳体64的上游开口
密封膜
沟槽
光纤感测系统
光纤传感器
壳体
第一、第二和第三光纤
壳体中的第一、第二和第三开口
8
79 控制器 80 光纤感测系统 82 光纤 84 壳体 86， 87， 88 第一、第二和第三布拉格光栅 90，91，92 光纤82的第一、第二和第三部分 94 通孔 96 开口 98 空腔 100 沟槽 102 刚性盖子
权利要求
一种光纤感测系统(10)，包括设置在流径(12)中的壳体(14)；以及光纤传感器(16)，包括光纤(28)，固定在所述壳体中，并且包括布拉格光栅(36)，所述光纤与所述流径基本垂直，其中所述壳体在上游侧定义开口以便允许通过所述流径的流量对所述光纤施加压力并引起所述布拉格光栅的变形；用于将光线传输到所述光纤的光源(38)；以及检测器，用于检测经所述光纤的所述布拉格光栅过滤的光线并且监测所述所检测光线的波长变化。
2. 如权利要求l所述的光纤感测系统，其中，所述壳体包括基本成直角的隧道，其中具有沿所述流径的初始流向的上游通道以及与 所述上游通道基本垂直并且在其下游端部具有下游开口的下游通道。
3. 如权利要求2所述的光纤感测系统，其中，所述光纤设置在所述上游通道中，其中一侧经受所述流量的总压力，而另一侧经受流 量的静压。
4. 如权利要求3所述的光纤感测系统，其中，所述光纤传感器还包括固定到所述壳体并且面向所述光纤端部的膜，其中空腔定义在 所述壳体中在所述膜与所述光纤端部之间，以及 其中所述膜经受所述静压。
5. 如权利要求1所述的光纤感测系统，其中，所述光纤还包括 密封膜，用于防止所述流径中的流量从所述开口流入所述壳体。
6. 如权利要求l所述的光纤感测系统，其中，所述壳体具有多边形截面和至少一对边，所述多边形截面的顶端一般直接面向所述流径。
7. 如权利要求6所述的光纤感测系统，其中，所述壳体具有三角形截面和一对边，其中所述三角形的顶端基本上面向所述流径，以及其中第一、第二和第三开口在所述顶端和所述一对边中定义。
8. 如权利要求7所述的光纤感测系统，其中，所述光纤包括 第一、第二和第三光纤，分别具有面向所述第一、第二和第三开口的部分。
9. 如权利要求8所述的光纤感测系统，其中，所述光纤传感器还包括用于接收来自检测器39的信号并且估计流向的控制器。
10. 如权利要求1所述的光纤感测系统，其中，所述布拉格光栅设置在所述开口的下游。
全文摘要
一种光纤感测系统(10)包括设置在流径(12)中的壳体(14)和光纤传感器(16)。光纤传感器包括固定在壳体中的光纤(28)、布拉格光栅(36)、用于将光线传输到光纤的光源(38)以及用于检测经光纤的布拉格光栅过滤的光线并且监测所检测光线的波长变化的检测器。光纤与流径基本垂直。壳体在上游侧定义开口以便允许通过流径的流量对光纤施加压力并且引起布拉格光栅的变形。
文档编号G01K11/32GK101750120SQ200910253588
公开日2010年6月23日 申请日期2009年12月4日 优先权日2008年12月5日
发明者A·K·辛普森, C·E·沃尔夫, E·J·鲁吉尔奥, R·罗德里古滋-埃德门格 申请人:通用电气公司