一种高灵敏度光纤光栅流速传感器的制作方法

本发明涉及一种用于测量流体流速和流量的光纤光栅传感器，特别是一种高灵敏度光纤光栅流速传感器。

背景技术：

流体的流速和流量是相关的，在一定的条件下是可以换算的。流速和流量是工业生产过程、能源计量、环境保护监测、水工及河工模型试验中的重要参量，流速/流量传感器是流体参量检测中不可缺少的装置。流速/流量传感器所采用的技术有许多种，例如：机械转子技术、超声波技术、电磁波技术、声学多普勒效应、霍尔效应等。这些流速/流量传感器都有各自的优点和缺点。由于光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、防腐蚀、抗电磁干扰、测量精度高和便于实现分布式传感等优点，因此将光纤光栅技术应用于流体流速/流量测量成为一个研究方向。例如：基于汾丘里管结构的光纤光栅流速传感器(光学学报，2006，26(8):136-139)；基于涡街原理的光纤光栅流量传感器(传感技术学报，2006,19(4):1195-1197)；基于V型内锥式的光纤光栅流量传感器(仪器仪表用户，2008,15(4):5911-7911)；多种基于阻流靶的光纤光栅流速传感器(Measurement，2005,38(3):230-235；应用光学，2006,27(3):228-231；传感技术学报，2010,23(4):471-474；光电子·激光，2012,23(1):1-8)。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种测量流体流速和流量的光纤光栅传感器，特别是一种高灵敏度光纤光栅流速传感器。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的高灵敏度光纤光栅流速传感器，其主要由圆筒，以及安装在圆筒内的光栅基座、阻流靶和限位装置组成；

所述圆筒的外径约32mm、内径约30mm、高约15mm，筒壁上开有固定光栅基座和限位装置的螺丝孔。

所述的光栅基座外形为圆柱体，圆柱体高9-11mm，直径29-30mm；圆柱体一个圆面的中间有一直径10mm、深2mm且与光栅基座同轴的圆洞；在圆洞周围，相对中心轴对称地开有四个直径4mm的轴向通孔。

在上述开有园洞的圆面上，沿径向开有0.3mm宽的凹槽，凹槽在靠近圆洞边缘时，深0.3mm；远离圆洞，凹槽逐渐加深，在光栅基座的经向边缘，凹槽穿过光栅基座的另一面。

将一根刻有10mm长光栅的光纤，去掉光栅两边约14-16mm长的光纤涂覆层，用强力固化胶将去掉涂覆层的光纤固定在所述的凹槽中，使得光栅刚好悬空横跨圆洞经向，与光栅基座面平行，和圆洞两侧形成一个简支梁，光纤两端从光栅基座另一面引出。

所述的阻流靶为一圆片，圆片厚度为1.5-2.5mm，圆片厚度薄些好，但要保证圆片的刚性；圆片径向相对两侧开有与定位销匹配的弧形口。

所述的阻流靶圆片的一面中间沿径向固定有一根与圆片形成一体的圆柱体压针，圆柱体压针长5-7mm，直径06.-0.8mm，圆柱体压针的轴线与圆片面平行，圆柱体压针的中心对准圆片中心。

所述的光栅基座安装在圆筒中，光栅基座引出光纤的一面与圆筒一端圆面平齐，光栅基座安装光栅的一面朝着圆筒里面。

所述的阻流靶置于圆筒内，阻流靶有压针的一面对着光栅基座安装光栅的一面。

所述的限位装置由定位销和定位螺丝组成，该限位装置使得阻流靶的压针垂直靠近光栅基座的光栅，并保证阻流靶不致转动和从圆筒中脱出。

所述的圆筒、光栅基座和阻流靶等，其尺寸依据实际应用情况有所变化，但光栅基座的直径不宜太大，以免影响待测流体的流动状态；光栅基座的直径不宜小于10mm，小于10mm不利于光栅简支梁的构建和光栅信号的读取；阻流靶圆片直径越大，测量灵敏度越高，最大测量值越小；阻流靶圆片直径越小，测量灵敏度越低，最大测量值越大。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

本发明使用了简支梁光栅结构，这种结构中，光栅两端固紧，中间悬空，流体作用在阻流靶圆面上的力通过压针传递到光栅简支梁的中点。从理论上讲，在一定的力作用下，压两端固定的光栅中点，光栅能够产生最大应变量，这就是本发明的流速传感器能够实现高灵敏度的根据。

本发明的光纤光栅流速传感器最小测量值和灵敏度都在每秒零点几毫米量级，最大量程可达到最小测量值的3000倍以上。

附图说明

图1是传感器剖面图。

图2是光栅基座图。

图3是阻流靶图。

图4是限位装置图。

图中：1.圆筒；2.光栅基座；3.圆洞；4.光栅；5.光纤；6.通孔；7.阻流靶；8.压针；9.弧形口；10.定位销；11.限位螺丝。

具体实施方式

本发明提供的高灵敏度光纤光栅流速传感器，此传感器由圆筒、光栅基座、阻流靶和限位装置组成。光栅基座、阻流靶和限位装置安装在圆筒内。光栅基座内安装有光纤光栅。光栅两端固定，中间悬空。阻流靶上安有一根刚性压针，压在悬空拉紧的光栅中点。流体冲击阻流靶，阻流靶压针压拉紧的光栅中点，引起光栅的应变，流速越大，光栅应变越大，通过光纤光栅解调仪测量光栅的波长信号就可以知道流体的流速。从理论上讲，在一定的力作用下，压两端固定的光栅中点，光栅能够产生最大应变，这是本传感器具有高灵敏度的根据。本传感器最小测量值和灵敏度都在每秒零点几毫米量级。

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不局限于下面所述内容。

本发明提供的是一种高灵敏度光纤光栅流速传感器，该传感器主要由圆筒1、光栅基座2、阻流靶7和限位装置组成。

所述圆筒1外径约32mm，内径约30mm，高约15mm，筒壁上开有固定光栅基座2和限位装置的螺丝孔。圆筒1材料可以是不锈钢或聚四氟乙烯等刚性材料，能够抵抗待测流体的腐蚀。

所述光栅基座2外形为圆柱体，圆柱体高约10mm，直径约30mm，能安装在圆筒1中，光栅基座2的一面与圆筒1一端圆面平齐。光栅基座2朝圆筒内的一面中间有一直径10mm，深2mm，与光栅基座2同轴的圆洞3。在光栅基座2的圆洞3面上沿径向开有0.3mm宽的凹槽，凹槽在靠近圆洞边缘时深0.3mm。远离圆洞，凹槽逐渐加深，在光栅基座2的径向边缘，凹槽穿过光栅基座2的另一面。一根刻有10mm长光栅4的光纤5，去掉光栅4两边约15mm长的涂覆层，用强力固化胶将光纤5固定在凹槽中，使得光栅4刚好悬空横跨圆洞3径向，与光栅基座2面平行，和圆洞3两侧形成一个简支梁，光纤5两端从光栅基座2另一面引出。光栅基座2材料可以是不锈钢或聚四氟乙烯等刚性材料，能够抵抗待测流体的腐蚀。

所述光栅基座2，在圆洞周围，相对中心轴对称地开有四个直径4mm的轴向通孔6，以保证阻流靶7与圆筒1内壁形成的环隙所流过的流体可以流出传感器。

所述阻流靶7为一圆片，圆片厚度约2mm，直径约29mm。圆片的一面中间沿径向固定有一根圆柱体形状的压针8，压针8长约6mm，直径约0.7mm。压针8轴线与阻流靶7圆片面平行，压针8中心对准阻流靶7圆片中心。阻流靶7的整体比重与待测流体近似，以减小浮力和重力对测量的影响。

所述限位装置由两根长约4mm、直径约2mm的圆柱体定位销10，以及两颗尖端机米定位螺丝11组成。两根定位销10沿圆筒1轴向，径向相对地固定在圆筒1内侧面。阻流靶7圆片径向相对两侧开有与定位销10匹配的弧形口9，弧形口9套在定位销10上，防止阻流靶7转动，从而保证阻流靶7上压针8的轴线与光栅4垂直。两颗尖端机米定位螺丝11拧在圆筒1径向相对的侧壁上，以防止阻流靶7从圆筒1中脱出，并保证阻流靶压针8靠近光栅4。

以上所述的尺寸可以根据实际应用情况有所变化。但光栅基座2外经不宜太大，以免影响待测流体的流动状态；光栅基座2的外径不宜小于10mm，小于10mm不利于光栅简支梁的构建和光栅4信号的读取。阻流靶7圆片直径越大，测量灵敏度越高，最大测量值越小；阻流靶7圆片直径越小，测量灵敏度越低，最大测量值越大。

本发明提供的高灵敏度光纤光栅流速传感器(简称传感器)，其工作过程是：测量流速时，传感器置于待测流体中，传感器的阻流靶7迎着流向，流体冲击阻流靶7，阻流靶的压针8压两端固紧的光栅4中点，引起光栅4的应变，流速越大，光栅4应变越大，通过光纤光栅解调仪测量光栅4的波长信号就可以知道流体的流速。