一种热式光纤光栅风速风向传感器及检测方法与流程

本发明涉及传感器领域中的风速风向传感器，特别涉及一种热式光纤光栅风速风向传感器及检测方法。

背景技术：

风是一种非常普遍的自然现象，与人们的生活密切相关，对于风速风向的检测在工农业生产、交通运输、能源开发和气象预报等诸多领域都有着十分重要的意义。

风速的测量按照原理主要分为机械测量法、皮托管测量法、超声波测量法、激光多普勒测量法、热式测量法等；运用热式测量原理制备的热式风速仪是用来测量气流速度的仪表，因其测量准确度高、使用方便、测量范围宽、灵敏度高而被广泛应用；热式风速仪多采用测温电阻或热电偶作为测温元件，存在着易受环境磁场干扰，使得传感器对风速和风向的测量精度降低。

2007年东南大学mems实验室的沈广平等人提出了一种圆形结构的热式风速风向传感器的芯片版图，该芯片利用剥离工艺分别在玻璃和陶瓷衬底上制备中心加热电阻和四周对称分布的测温pt电阻；该设计的测温元件为测温电阻。

申请号201510412704.4专利公开了一种铝修饰增强型光纤光栅温度传感器制造方法，在光纤光栅表面沉积铝膜，在高于660℃～700℃条件下真空处理带铝膜的光纤光栅，使铝膜呈熔融状态，并保持一段恒温状态再冷却，得到致密一体化铝膜，进而改善铝膜的温度线胀特性的重复性和稳定性；提高光纤光栅温度传感器的检测灵敏度和分辨力；该专利表明采用光纤光栅作为温度传感的敏感元件是可行的。

2018年哈尔滨工程大学张洪泉等人提出一种将光纤光栅风速传感器，该设计使用凹型挡风板连接等强度杆，在等强度杆中放置光纤光栅传感器；采用贴合在等强度杆的光纤光栅弯曲应变原理实现对风速的检测，属于常温检测方法，且只能对风向进行检测。

与传统的测温原件相比，光纤光栅温度传感器具有可靠性高、抗腐蚀、抗电磁干扰、灵敏度高等特点，适合在恶劣环境中工作。

由公开资料检索可见，采用在加热电阻周围设置测温元件属于热式风速传感器的通用方法，但是采用光纤光栅温度传感器作为测温元件用来提高风速传感器的抗腐蚀性、抗电磁干扰并具有高灵敏度的风速风向传感器未见报道。

技术实现要素：

本发明目的是提出一种热式光纤光栅风速风向传感器及检测方法，利用光纤光栅温度传感器具有可靠性高、抗腐蚀、抗电磁干扰等特性，解决现有热式风速传感器抗磁效果差，在恶劣环境下寿命短等问题，使热式风速风向传感器具有耐腐蚀、抗电磁干扰、精确度高等优点，可适用于工况较恶劣的检测环境。

本发明的技术方案：

一种热式光纤光栅风速风向传感器，包括：衬底、喷溅在所述衬底上的加热电阻丝、粘接在衬底上的正交排列在加热电阻丝四周的四个光纤光栅温度传感器，其特征在于，所述加热电阻丝呈双线盘旋状排布，两端留有焊接接头；所述温度传感器的感应元件为布拉格光纤光栅。

进一步的，所述衬底为单晶硅、硅化物、玻璃、陶瓷的某一种或几种按不同次序的叠加；衬底厚度为0.1-2.0mm。

进一步的，所述加热电阻丝通过溅射、镀膜、光刻、刻蚀等工艺在衬底表面形成；其材料为铂、钨、铜、镍铬合金、铁铬铝合金的一种；所述加热电阻丝在衬底中心位置，其排布直径为1-10mm。

进一步的，所述光纤光栅温度传感器采用单侧粘接的方法进行固定；采用的粘接胶为无机陶瓷胶。

进一步的，所述光纤光栅温度传感器采用布拉格光栅光纤；光纤长度为2.5-20mm，光纤截面直径为0.06-0.125mm；四个光纤光栅温度传感器分别与电阻丝保持相同间距，间距为1-10mm。

进一步的，所述光纤光栅温度传感器的波长监测区域为光纤光栅的中间区域；四个所述光纤光栅温度传感器采用同规格工艺处理，且原始波长相等。

进一步的，所述光纤光栅温度传感器在所述衬底的迎风侧或背风侧。

本发明还公开了一种热式光纤光栅风速风向传感器的风速风向检测方法，包括如下步骤；

1)在无风的条件下，采用功率为0.1-1w的交流信号对所述加热电阻丝进行加热，所述加热电阻丝对所述光纤光栅温度传感器进行加热，同时检测4个所述光纤光栅温度传感器的中心波长漂移情况，记录所述光纤光栅温度传感器中心波长至稳定不变时的加热时间t1及稳定时每个所述光纤光栅温度传感器的波长漂移值；

2)在待检环境下，采取与步骤1)相同的加热方式对所述加热电阻丝进行加热，当加热时间超过t1后，实时监测每个所述光纤光栅温度传感器的中心波长漂移值；对检测到的波长漂移值进行数据处理，得到所测环境中的实时风向和风速。

本发明的有益效果：

(1)采用盘旋状的电阻丝可有效地减弱高强度动态外部磁场对加热电阻丝产生的干扰电流，提高了气体传感器的适用性和稳定性。

(2)加热电阻丝四周正交排列的四个光纤光栅温度传感器的结构设计，采用成熟高效的传感器元件布局，同时充分利用光纤光栅温度传感器的抗电磁干扰、耐腐蚀、损耗低、易于远程检测等本征属性，克服了测温电阻或热电偶作为测温元件，易受环境磁场干扰，导致测量精度降低的问题，同时提高了抗腐蚀性，延长了传感器的使用寿命。

附图说明

本发明上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是一种热式光纤光栅风速风向传感器的原理图；

图2是一种热式光纤光栅风速风向传感器的第一种实施例的俯视图；

图3是一种热式光纤光栅风速风向传感器的第一种实施例的剖面图；

图4是一种热式光纤光栅风速风向传感器的第二种实施例的俯视图；

图5是一种热式光纤光栅风速风向传感器的第二种实施例的剖面图；

图6是一种热式光纤光栅风速风向传感器的加热电阻丝排布图；

其中图1至图6中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1、衬底；2、加热电阻丝；3、光纤光栅温度传感器；4、布拉格光栅波长监测区域；5、粘接胶；6、细套；7、电阻丝保护层；8、隔热层；9、焊接接头。

具体实施方式

下文将结合具体实施例1-3详细描述本发明；应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。

进一步的，所述热式光纤光栅风速风向传感器，其特征在于，所述光纤光栅温度传感器在所述衬底的迎风侧或背风侧。

实施例1

结合图1和图2描述本发明的实施例1：一种热式光纤光栅风速风向传感器，包括：衬底1、喷溅在所述衬底1上的加热电阻丝2、粘接在衬底1上的正交排列在加热电阻丝2四周的四个光纤光栅温度传感器3，其特征在于，所述加热电阻丝2呈盘旋状排布，两端留有焊接接头9；所述温度传感器的感应元件为布拉格光纤光栅。

在实施例1中，所述光纤光栅温度传感器3、加热电阻丝2和细套6位于衬底1的背风侧。

在实施例1中，所述衬底1为单晶硅、硅化物、玻璃、陶瓷的某一种或几种按不同次序的叠加；衬底1厚度为0.1-2.0mm。

在实施例1中，所述加热电阻丝2通过溅射、镀膜、光刻、刻蚀等工艺在衬底1表面形成；其材料为铂、钨、铜、镍铬合金、铁铬铝合金的一种；所述加热电阻丝2在衬底1中心位置，其排布直径为1-10mm。

在实施例1中，所述加热电阻丝2表面涂隔热层8，其材料为氧化硅粉末；氧化硅粉末制成浆料，涂在加热电阻丝2表面，再进行加热烧结。

在实施例1中，所述光纤光栅温度传感器3采用单侧粘接固定，两侧各由半个细套6进行定位；细套6的直径为0.5-5mm；细套6材料为陶瓷、不锈钢、玻璃、塑料、铝、铁、铜及其合金。

在实施例1中，所述光纤光栅温度传感器3采用单侧粘接的方法进行固定；采用的粘接胶5为无机陶瓷胶。

在实施例1中，所述光纤光栅温度传感器3采用布拉格光纤光栅；光纤长度为2.5-20mm，光纤截面直径为0.06-0.125mm；四个光纤光栅温度传感器3分别与加热电阻丝2保持一定的间距。

在实施例1中，所述光纤光栅温度传感器3的波长监测区域4为光纤光栅的中间区域；四个所述光纤光栅温度传感器3采用同规格工艺处理，且原始波长相等。

实施例2

结合图3和图4描述本发明的实施例2：一种热式光纤光栅风速风向传感器，它的构造在上述实施例进行了改进，所述光纤光栅温度传感器3、加热电阻丝2和细套6位于衬底1迎风侧；光纤温度传感器3放置在细套6中，细套6通过粘接的方式进行固定衬底1上。

在实施例2中，所述光纤温度传感器3整个被放置在一个细套6中并进行单侧固定，细套6的直径为0.5-5mm；细套6材料为陶瓷、不锈钢、玻璃、塑料、铝、铁、铜及其合金。

在实施例2中，所述加热电阻丝表面有电阻丝保护层7，其材料为无碱玻璃薄膜；运用无碱玻璃粉制成浆料，均匀地涂在加热电阻丝2上，在350-400℃的环境下加热玻璃粉至液态,冷却后形成加热电阻丝保护层7。

本发明还提供一种实施方式：一种热式光纤光栅风速风向传感器的测量方法，包括以下步骤：

步骤100：在无风环境下，进行标定测量，记录光纤光栅中心漂移值；

步骤200：在待测环境下，进行检测测量，记录光纤光栅中心波长漂移值；

步骤300：以标定测量值为参照，对检测到的光纤光栅中心波长漂移值进行数据处理，得到测量环境的风向和风速大小。

在实施例中，步骤100所述标定测量具体过程：通过功率为0.1-1w的交流信号对加热电阻丝进行加热，同时加热电阻丝通过衬底对光纤光栅温度传感器进行热传导加热，并同时检测所述光纤光栅温度传感器的波长漂移情况，记录所述光纤光栅传感器中心波长至稳定不变时的加热时间t1及稳定时每个光纤光栅传感器的波长漂移值。

在实施例中，步骤200所述检测测量具体过程：将热式光纤风速风向传感器置于待检测条件下，采取与步骤100相同的加热方式对加热电阻丝进行加热，当加热时间超过t1后，实时监测每个光纤光栅传感器的中心波长漂移值。

本文虽然已经给出了本发明的实施例，但是对于本领域技术人员应当理解，本发明专利不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明专利的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装配形式实现本发明专利；上述实施例只是示例性的，本发明专利的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明专利内；不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。