一种全光学流速传感器的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域的一种流速传感器，尤其涉及了一种全光学流速传感器。


背景技术：

2.相比于传统的流速传感器，如热线风速计、旋转叶片流量计和超声波涡流流量计，基于光纤方案的流速传感器具有更大的优势。采用光纤或者微纳光纤作为悬臂，依靠测量光纤本身对流体产生的阻力的反作用力标定出流速大小。微纳光纤因其微米级的直径而在流速感应方面具有较高的灵敏度，通过在微纳光纤中导入光能量，测量出射光斑的位移即可精确测量流速的大小。
3.尽管基于纯光学方法特别是光纤方案的气流传感器在灵敏度和精度上具有独特的优势，而现有基于光纤与光纤耦合的方案在走向实用方面仍然存在遇到封装方面的障碍，特别是光纤解调仪的大尺寸劣势。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的在于提供一种全光学流速传感器，可利用微纳光纤在气流中的摆动实现高灵敏度的流速测量，同时降低流速传感器的成本。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案包括：
6.本发明包括微纳光纤、cmos图像传感器、led光源和处理器；
7.所述led光源，用于发射可见光；
8.所述微纳光纤，置于气体流场中，用于感应来自气体流场中气体流动产生的力，同时用于从led光源接收可见光后传导到cmos图像传感器；
9.所述cmos图像传感器，用于接收从述微纳光纤出射的可见光形成带有光斑的成像；
10.所述处理器，用于接收来自cmos图像传感器的带有光斑的成像进行分析处理检测获得气体流场中气体流动的流速。
11.所述微纳光纤固定并悬垂于cmos图像传感器上方；
12.所述微纳光纤较粗的一端靠近led光源，用于耦合接收led光源发出的可见光的光能量；
13.所述微纳光纤较细的一端靠近cmos图像传感器光敏面并将可见光的光能量传导到cmos图像传感器表面。
14.所述led光源与所述cmos图像传感器之间光线隔离，led光源发出的可见光不能直接到达cmos图像传感器表面。
15.所述微纳光纤的两端分别连接光源和光探测器。
16.所述的气体流场包括气室，气室内底面布置cmos图像传感器，微纳光纤从上往下伸入到气室内，气室的两侧开设进气孔和出气孔。
17.所述的微纳光纤较粗的一端朝上穿出气室正对布置于led光源，微纳光纤较细的一端朝下伸入到气室内后位于cmos图像传感器上面。
18.所述微纳光纤置于气体流场中的结构为微纳光纤的锥型区，所述锥型区较粗的一端靠近led光源并耦合接收可见光，较细的一端将可见光出射传导到cmos图像传感器上；
19.所述全光学流速传感器还包括光源驱动电路、图像传感器驱动电路和信号读出电路；
20.所述光源驱动电路，与led光源连接，用于驱动led光源发光；
21.所述图像传感器驱动电路，用于驱动cmos图像传感器的工作；
22.所述信号读出电路，用于将cmos图像传感器图像信号进行格式转换和图像输出。
23.本发明的有益效果是：
24.本发明以微纳光纤为基础，提出了微纳光纤与cmos图像传感器结合的纯光学测流方案，利用cmos图像传感器高像素分辨的优势，在无需实现光纤之间耦合的情况下利用微纳光纤出射光斑的位移测定流速，提高了灵敏度，降低了成本。
附图说明
25.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本发明一实施例提供的全光学流速传感器的结构示意图；
27.图2为微纳光纤在cmos图像传感器上的成像图；
28.图3为微纳光纤在15ml/min的流速场中的测试结果图；
29.图4为微纳光纤在100ml/min的流速场中的测试结果图；
30.图5为微纳光纤在0-200ml/min的流速场中的标定曲线图。
31.图中：cmos图像传感器(10)、微纳光纤(20)、led光源(30)、气室(40)、进气孔(50)、出气孔(60)。
具体实施方式
32.为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.如图1所示，具体实施包括微纳光纤20、cmos图像传感器10、led光源30和处理器；
34.led光源30，用于发射可见光；光源可为任意可发射可见光的光源。
35.微纳光纤20，置于气体流场中，用作流速感应部件，具体是用于感应来自气体流场中气体流动产生的力，同时用于从led光源30接收可见光后传导光能量到cmos图像传感器10；
36.cmos图像传感器10，用于接收从述微纳光纤20出射的可见光形成带有光斑的成像；
37.处理器，和cmos图像传感器10电连接，用于接收来自cmos图像传感器10的带有光斑的成像进行分析处理检测获得气体流场中气体流动的流速。
38.微纳光纤20固定并悬垂于cmos图像传感器10上方；微纳光纤20的两端分别连接光源和光探测器。
39.微纳光纤20较粗的一端靠近led光源30，用于耦合接收led光源30发出的可见光的光能量；微纳光纤20粗的一端具有足够大的直径耦合led光源30的光能量。微纳光纤20较细的一端靠近cmos图像传感器10光敏面并将可见光的光能量传导到cmos图像传感器10表面。
40.具体实施中，微纳光纤20固定于cmos图像传感器10上方并形成悬臂，且足够靠近cmos图像传感器10表面。
41.led光源30与cmos图像传感器10之间光线隔离，led光源30发出的可见光不能直接到达cmos图像传感器10表面。
42.气体流场包括气室40，气室40用于气流进出和隔绝外部光线，气室40内底面布置cmos图像传感器10，微纳光纤20从上往下伸入到气室40内，气室40的两侧开设进气孔50和出气孔60，进气孔50和出气孔60用于气体的流入和流出。微纳光纤20较粗的一端朝上穿出气室40正对布置于led光源30，微纳光纤20较细的一端朝下伸入到气室40内后位于cmos图像传感器10上面。
43.微纳光纤20置于气体流场中的结构为微纳光纤的锥型区，锥型区的一端较粗另一端较细，较粗的一端和较细的一端之间通过锥面过渡。锥型区较粗的一端靠近led光源30并耦合接收可见光，获得光能量，较细的一端将可见光出射传导到cmos图像传感器10上；
44.cmos图像传感器10采集获得一个背景黑色、中间带有一个亮光点的图像，亮光点即为光斑。
45.处理器在获得带有光斑的成像后，通过图像处理获得其中光斑在图像中的位置，进而获得光斑的位移，根据光斑的位移获得气体流动的流速。光斑的位移大小和气体流动的流速正相关，由此根据根据光斑的位移获得气体流动的流速。
46.全光学流速传感器还包括光源驱动电路、图像传感器驱动电路和信号读出电路；
47.光源驱动电路，与led光源30连接，用于驱动led光源30发光；
48.图像传感器驱动电路，用于驱动cmos图像传感器10的工作；
49.信号读出电路，用于将cmos图像传感器10图像信号进行格式转换和图像输出。
50.具体的，请参阅图1，微纳光纤长度取决于实际使用需要，细的一端最细处直径通常在1-10微米，粗的一端直径尽可能接近常规光纤以提高光耦合效率和便于固定。
51.本发明实施例并未示出led光源驱动电路板、cmos图像传感器信号读出电路板或主控电路板的具体位置，可理解的，在不影响本发明实施例实施的前提下，led光源驱动电路板、cmos图像传感器信号读出电路板或主控电路板的具体位置不受限制。
52.在本发明实施例中，led光源30用于发射可见光，发射的部分光能量从较粗的一端耦合进入微纳光纤20，微纳光纤用于将耦合进来的可见光从较细的一端输出传导到cmos图像传感器10的光敏面，cmos图像传感器10对微纳光纤20出射的光斑进行成像。
53.微纳光纤在cmos图像传感器上的成像如图2所示，所用cmos为ov5647.微纳光纤细端直径10微米，粗端直径100微米；给结果说明了微纳光纤可以在cmos上获得高信噪比的像。
54.微纳光纤在15ml/min的流速场中的测试结果如图3所示，测试过程为0和15ml/min两个流速交错切换，结果表明微纳光纤对15ml/min的低流速具有较高的响应。
55.微纳光纤在100ml/min的流速场中的测试结果如图4所示，测试过程为0和100ml/min两个流速交错切换，结果表明微纳光纤对100ml/min的流速具有较高信噪比和稳定性。
56.微纳光纤在0-200ml/min的流速场中的标定曲线结果如图5所示，测试过程为将流速从0ml/min逐渐增加到200ml/min后平均得到的点，对点进行拟合得到的2次曲线，结果表明传感器在0-200ml/min具有较好的动态范围。
57.气体流速的力会推动微纳光纤20的弯曲或摆动，使得微纳光纤20较细的一端输出可见光传导到cmos图像传感器10光敏面的光斑位置发生移动，偏离于未有气体流动下的光斑位置。而气体流速的变化会对微纳光纤20的弯曲或摆动也产生变化，导致出射微纳光纤20的光斑位置移动变化，通过分析光斑位置的位移变化计算出流速大小，相比于传统基于光纤的流速传感器，具有更低的成本和更高的可靠性。
58.由此实施可见，本发明通过气体流场带动微纳光纤产生弯曲从而使微纳光纤中的出射光斑在cmos图像传感器表面发射位移变化，通过位移变化与流速的关联实现流速测量，相比于传统的流速传感器具有更低的成本和更高的灵敏度及分辨率。
59.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
60.以上为对本发明所提供全光学流速传感器的描述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。