一种光纤差压风速传感器及应用
【专利摘要】本发明公开了一种光纤差压风速传感器及应用，该传感器包括外壳，在外壳内设置内外嵌套的端部封闭的两个圆周侧可伸缩的套管，内套管一端部与外套管的一端部之间设置传感器，在内套管与外套管之间的空腔内填充有液体以减小外界噪声影响；内套管与外套管中一个通过管路与文丘里管的圆筒段连接，二者中另一个通过管路与文丘里管的缩径段连接，以将流体穿过文丘里管产生的压力通过两个套管作用于传感器上，本发明通过双波纹管增敏结构，使传感器敏感度提高，降低了风速传感器的测量下限值；将光纤光栅置于内、外波纹管之间，避免与外界环境接触，延长了传感器的使用寿命，将内、外波纹管之间充满硅油，减轻了外界噪声对传感器测量精度的影响。
【专利说明】
一种光纤差压风速传感器及应用
技术领域
[0001] 本发明涉及风速传感器技术领域，具体涉及一种光纤差压风速传感器及应用。
【背景技术】
[0002] 风速测量技术在煤炭油田、航海航天、气象预报、电力系统等领域有广泛的应用。 很多种风速传感器被投入使用，以解决实际问题。但对于环境恶劣的场合，机械风杯式和热 线式风速传感器有自身的局限性，无法使用。目前，应用较广的差压风速传感器，该类传感 器绝大多数属于电子传感器，受外界电磁干扰严重，在易燃易爆的环境下电子传感器自身 就带有安全隐患；同时灵敏度较差，对于较低风速无法准确进行测量。
【发明内容】
[0003] 针对上述问题，为了解决现有技术的不足，本发明提供一种光纤差压风速传感器， 利用光纤光栅的应变原理进行风速的检测，通过双套管的设置，可有效避免光纤振动带来 的干扰影响，测量灵敏度得到了提高，即使较低的风速也可以准确测量。
[0004] 本发明提供的第一个方案是：
[0005] -种光纤差压风速传感器，包括：
[0006] 外壳，在外壳内设置内外嵌套的端部封闭的两个圆周侧可伸缩的套管，内套管一 端部与外套管的一端部之间设置光纤光栅，在内套管与外套管之间的空腔内填充有润滑液 体以减小外界噪声影响；
[0007] 内套管与外套管中一个通过管路与文丘里管的圆筒段连接，二者中另一个通过管 路与文丘里管的缩径段连接，以将流体穿过文丘里管产生的压力通过两个套管作用于光纤 光栅上。
[0008] 所述套管为波纹管，波纹管为金属波纹管，具有耐压、抗腐蚀性能，抗震动性能好， 采用内外嵌套的两个波纹管，实现同时向光纤光栅的两端施加压力，与普通差压传感器的 光纤光栅受到两作用力之差相比，作用在光纤光栅的作用力增大，使传感器灵敏度增大，从 而实现了〇. 3~0.5m/s低速风速下的测量。
[0009] 内外波纹管产生形变的计算方法：
[0010] 流体在文丘里管中运行时遵循能量守恒，根据伯努利方程：
[0013]式中Pl、vA传感器标定时提供的已知量，在截面Η处不存在引压口，hpO。传感 器作业时，水平固定，流体经前、后引压管作用分别作用在内、外波纹管上受力点位于同一 高度，因此h2 = h3。结合传感器自身特点，受力点到文丘里管中心轴向的距离为5cm作用，当 流体为空气时，由重力产生势能影响为Pgh 2 = 1.25 X 9.8 X 0.05~0.6Pa，其作用可以忽略。
[0017] 当流体流经管道时，在相同时间t内每个截面上的流量相同，可知：
[0018] vi*Sl*t = V2*S2*t
[0023] 式中Hhs分别为作用力点到文丘里管中心轴线的距离;Pl、p2、p3分别为图1中 截面1-1、2-2、3-3处的压强 ;￥1、￥2、￥3分别为截面1-1、2-2、3-3处的流速 ;01、02、03分别1-1、 2-2、3-3的直径;截面P为流体密度，g为重力加速度。
[0024] 常温下金属波纹管可以看成弹簧，金属波纹管的弹性系数：
[0026] 式中:m为波纹管层数(m=l)，Dm为平均直径，E为杨氏模量，h为波纹管的波深，η为 波纹管的波数，&为腐蚀量(通常认为0)，C f为系数，SP为波纹管的波厚。
[0027] 波纹管的总变形量为两个波纹管变形量之和：
[0029]光纤光栅波长变化可表示为：
[0032] S内和S外分别表不内、外波纹管和的受力面；pe为光纤光栅有效光弹系数，大约为 0.22；
[0033] 结合以上分析，传感器结构确定后将设计参数带入上式，可知m和η为常数，光纤光 栅中心波长变化仅与速度有关，通过光纤光栅的测量结果带入上式即可求得风速。
[0034] 进一步地，两个所述的套管一端部固定于外壳内一侧，外套管的一端部与外壳内 另一侧间隔设定距离。
[0035] 进一步地，为了消除温度对光纤光栅测量的影响，在所述外壳内设置有温度补偿 光栅，以确保光纤光栅对应变的测量，温度补偿光栅的一侧通过设于外壳上的出纤孔悬挂 于外壳内，在出纤孔内温度补偿光栅的圆周设置密封圈进行密封。
[0036] 进一步地，所述液体为硅油，硅油的填充可有效减小外界噪声影响，使传感器达到 高灵敏度，降低风速传感器的测量下限值。
[0037] 进一步地，所述传感器在所述液体中通过密封件进行设置，光纤光栅置于内、外波 纹管之间一个封闭的环境中，避免与液体接触，减小流体冲击对光纤光栅产生的振动影响。
[0038] 进一步地，所述内套管与外套管一端部共同固定于一底座上，在底座上设有用于 和外壳密封连接的螺纹凸台，和用于安装内、外波纹管的凹槽，以及用于连接引压管的螺纹 孔，该底座与所述的外壳固定，内、外波纹管通过凹槽与底座固定后，再通过激光进行焊接。
[0039] 进一步地，所述内套管与外套管均为铍青铜金属波纹管。
[0040] 本发明提供的第二个方案如下:所述的一种光纤差压风速传感器在矿山环境下的 应用，也可以应用于其他恶劣环境中。
[0041] 本发明中传感器依据光纤光栅应变传感原理，将光纤光栅置于内、外波纹管之间 的轴心方向；流体风经文丘里管在截面2-2和截面3-3产生压力，通过引压管将压力作用到 内、外波纹管上，波纹管产生弹性形变进而使光纤光栅产生应变，使光纤光栅中心波长产生 变化，从而确定流体速度。
[0042] 本发明提供的第二种方案是：一种提高差压风速传感器测量灵敏度的方法，采用 所述的光纤差压风速传感器。
[0043] 本发明的有益效果是：
[0044] 1)本发明通过双波纹管增敏结构，使传感器敏感度提高，降低了风速传感器的测 量下限值。
[0045] 2)本发明将光纤光栅置于内、外波纹管之间，避免与外界环境接触，延长了传感器 的使用寿命。
[0046] 3)本发明将内、外波纹管之间充满硅油，减轻了外界噪声对传感器测量精度的影 响。
[0047] 4)本发明传感元件为光纤光栅，抗雷击、不受电磁干扰。
【附图说明】
[0048] 图1为本发明光纤差压风速传感器示意图；
[0049] 其中，1.文丘里管，2.前引压管，3.后引压管，4.内波纹管，5.外波纹管，6.光纤光 栅，7.外壳，8.波纹管底座，9.硅油，10.温度补偿光栅。
【具体实施方式】
[0050] 下面结合说明书附图具体实施例对本发明作进一步的描述：
[0051] 图1为本发明提供的一种光纤差压风速传感器的示意图；该光纤差压风速传感器 包括:文丘里管1，前引压管2,后引压管3,内波纹管4,外波纹管5,光纤光栅6,外壳7,底座 8,硅油9,温度补偿光栅10。
[0052]内、外波纹管为铍青铜金属波纹管;所述的内波纹管内径是10_12mm，外径是15-16mm，波距为2-3mm，波厚为0 · 1mm，波数为6-7;所述外波纹管内径20-22mm，外径是25-26mm， 波距为2_3mm，波厚为0.1mm，波数为14-15。内、外波纹管自由端经特殊处理，壁厚2mm，所述 外波纹管自由端同时开有注油孔;所述内、外波纹管同轴设置，一端对齐，另一端面之间相 距20mm左右。
[0053]其中，文丘里管1和前引压管2和后引压管3之间通过螺纹连接，便于拆卸，为保证 密封性，装配完成后打螺纹胶密封。前引压管2的另一端与底座8相连接，后引压管3的另一 端与外壳7相连接。
[0054] 如图1所示，传感结构为内、外双波纹管增敏结构，内波纹管4和外波纹管5的自由 端分别用激光焊接一法兰，法兰的厚度为2mm，开有光纤固定孔;两光纤固定孔位于两波纹 管的轴心线上，其间距为20mm左右;将光纤光栅6置于内、外波纹管之间，用硅氧树脂胶进行 密封固定;温度补偿光栅10固定于出纤孔悬于外壳7内，避免温度交叉影响。密封固定之前 对光纤光栅6进行预紧，同时通过外波纹管5上的注油孔注入硅油，硅油注满波纹管4与波纹 管5之间的空腔后，将注油孔封住。
[0055] 波纹管底座8上有凸起的螺纹，用于连接外壳7,同时还有放置内波纹管4和外波纹 管5的凹槽，便于波纹管焊接固定。
[0056]外壳7采用不锈钢金属材料，其上有引压管连接孔和出纤孔，光纤光栅6的尾纤通 过光纤固定孔与外部解调仪连接以解调光纤光栅的中心波长变化;外壳具有良好的气密 性。
[0057]传感器依据光纤光栅应变传感原理，将光纤光栅置于内、外波纹管之间的轴心方 向；流体风经文丘里管在截面2-2和截面3-3产生压力，通过引压管将压力作用到内、外波纹 管上，波纹管产生弹性形变进而使光纤光栅产生应变，使光纤光栅中心波长产生变化，从而 确定流体速度。
[0058]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不是本发明的全部实施例，不用以限 制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在 本发明的保护范围之内。
[0059]除说明书所述技术特征外，其余技术特征均为本领域技术人员已知技术，为了突 出本发明的创新特点，上述技术特征在此不再赘述。
【主权项】
1. 一种光纤差压风速传感器，其特征在于，包括： 外壳，在外壳内设置内外嵌套的端部封闭的两个圆周侧可伸缩的套管，内套管一端部 与外套管的一端部之间设置光纤光栅，在内套管与外套管之间的空腔内填充有润滑液体以 减小外界噪声影响； 内套管与外套管中一个通过管路与文丘里管的圆筒段连接，二者中另一个通过管路与 文丘里管的缩径段连接，以将流体穿过文丘里管产生的压力通过两个套管作用于光纤光栅 上。2. 根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，所述套管为波纹管。3. 根据权利要求1或2所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，两个所述的套管 一端部固定于外壳内一侧，外套管的一端部与外壳内另一侧间隔设定距离。4. 根据权利要求3所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，在所述外壳内设置有 温度补偿光栅。5. 根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，所述液体为硅油。6. 根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，所述传感器在所述液 体中通过密封件进行设置。7. 根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，所述内套管与外套管 一端部共同固定于一底座上，该底座与所述的外壳固定。8. 根据权利要求1所述的一种光纤差压风速传感器，其特征在于，所述内套管与外套管 均为铍青铜金属波纹管。9. 根据权利要求1-8中任一项所述的一种光纤差压风速传感器在矿山环境下的应用。
【文档编号】G01P5/14GK106093464SQ201610600310
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月27日 公开号201610600310.6, CN 106093464 A, CN 106093464A, CN 201610600310, CN-A-106093464, CN106093464 A, CN106093464A, CN201610600310, CN201610600310.6
【发明人】李振, 王纪强, 刘统玉, 赵林, 侯墨语
【申请人】山东省科学院激光研究所