一种光纤流速传感探针和传感装置

本发明涉及光纤流速传感，尤其涉及一种光纤流速传感探针和传感装置。

背景技术：

1、流速流量的测量在国民生产、生物医学、环境监测等领域有着举足轻重的地位。随着生物科学和技术的发展，需要准确地测量各种微流控体的流速，如微流体通道、样品dna、血管等。一般来说，这些领域使用的流体体积是以毫升、微升计算的。因此，需要一种更精确的测量装置来监测微流体速度。光纤流速传感器因其具有灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、成本低、易于系统集成等优点得到了广泛的研究。现有可用于流体速度测量的光纤流速传感器有很多种类，主要包括超声波、薄膜、热线、目标流量计。然而基于光纤弯曲效应或反射膜形变等力学型的光纤流速传感器只能用于较大流速的测量，而不适用于微流速的测量。此外，光纤多普勒流速传感器是基于光的多普勒频移来实现流体速度的非接触测量，具有较高的流速灵敏度，然而这种方法要求流体中存在足够浓度的颗粒，而流体中的杂质和气泡易给测量结果带来的误差。因此寻找一种快速、准确、实时的微流速测量方法是十分必要的。

2、近年来，光纤热式流速传感器的出现为复杂环境下微流速的测量提供了一种新手段。光纤热式流速传感器主要包括两种类型：基于法布里珀罗干涉(fpi)的光纤流速传感器和基于光纤布拉格光栅(fbg)的光纤流速传感器。其中，基于fbg的光纤流速传感器因其体积小、制备过程简单，得到了广泛的研究。然而，这种类型的流速传感器的温度灵敏度较低，进而导致传感器的流速灵敏度较低。为了提高热式流速传感器的流速灵敏度，研究者们将具有高热光系数或者高热膨胀系数的材料用于基于fpi的光纤流速传感器中。例如，在专利号为cn114935669a的“一种光纤流速传感探头、流速传感器及上述探头制备方法”，其特征在于微腔内的纳米银液体被当作热源，热量被流经探头的外部流体带走。然而微腔内的纳米银液体在光热条件下会发生流动，给实验带来一定的误差。

技术实现思路

1、为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种光纤流速传感探针和传感装置。

2、本发明提出的一种光纤流速传感探针，包括：单模光纤；

3、单模光纤内部具有纤芯，单模光纤一端设有覆盖纤芯的聚合物帽结构，聚合物帽结构远离单模光纤一侧覆有金属膜层。

4、优选地，金属膜层采用金膜。

5、优选地，聚合物帽结构采用光固化胶固化而成。

6、本发明中，所提出的光纤流速传感探针，单模光纤内部具有纤芯，单模光纤一端设有覆盖纤芯的聚合物帽结构，聚合物帽结构远离单模光纤一侧覆有金属膜层。通过上述优化设计的光纤流速传感探针，结构小巧，稳定牢固，通过单模光纤端面和聚合物帽构成一个法布里珀罗(fp)结构，聚合物帽表面的金属膜层被红外激光加热，热量从金属膜层经过热传递到聚合物帽结构使其受热膨胀，利用聚合物帽结构在不同的微流控速率下被带走热量差异，聚合物帽结构的腔长发生变化，从而通过监测干涉谱其波长漂移量来测量流速，实现微流条件下的高对比度、宽量程、高灵敏微量流速传感。

7、本发明还提出一种光纤流速传感装置，包括上述的光纤流速传感探针。

8、优选地，还包括红外激光光源、宽带相干光源、光谱仪、环形器、耦合器；

9、红外激光光源和宽带相干光源通过耦合器耦合到环形器的入射端口，光谱仪与环形器的出射端口连接用于通过环形器接收所述传感探针的探测信号。

10、优选地，红外激光光源采用980nm激光光源。

11、优选地，基于宽带相干光源的信号，通过下列公式计算所述流体流速：

12、

13、其中，λ0为初始波长，m表示干涉级，λm为第m个干涉级的中心波长漂移量，ne和l分别为聚合物的有效折射率和长度，αtec为聚合物的热膨胀系数，φ为加热功率，v为流体流速，a和b为常数。

14、本发明中，所提出的光纤流速传感装置，其技术效果与上述传感探针类似，因此不再赘述。

技术特征：

1.一种光纤流速传感探针，其特征在于，包括：单模光纤(1)；

2.根据权利要求1所述的光纤流速传感探针，其特征在于，金属膜层(2)采用金膜。

3.根据权利要求1所述的光纤流速传感探针，其特征在于，聚合物帽结构(3)采用光固化胶固化而成。

4.一种光纤流速传感装置，其特征在于，包括根据权利要求1-3任一项所述的光纤流速传感探针。

5.根据权利要求4所述的光纤流速传感装置，其特征在于，还包括红外激光光源(10)、宽带相干光源(20)、光谱仪(30)、环形器(40)、耦合器(50)；

6.根据权利要求5所述的光纤流速传感装置，其特征在于，红外激光光源(10)采用980nm激光光源。

7.根据权利要求5所述的光纤流速传感装置，其特征在于，基于宽带相干光源(20)的信号，通过下列公式计算所述流体流速：

技术总结
本发明公开了一种光纤流速传感探针和传感装置，单模光纤内部具有纤芯，单模光纤一端设有覆盖纤芯的聚合物帽结构，聚合物帽结构远离单模光纤一侧覆有金属膜层。通过上述优化设计的光纤流速传感探针，结构小巧，稳定牢固，通过单模光纤端面和聚合物帽构成一个法布里珀罗(FP)结构，聚合物帽表面的金属膜层被红外激光加热，热量从金属膜层经过热传递到聚合物帽结构使其受热膨胀，利用聚合物帽结构在不同的微流控速率下被带走热量差异，聚合物帽结构的腔长发生变化，从而通过监测干涉谱其波长漂移量来测量流速，实现微流条件下的高对比度、宽量程、高灵敏微量流速传感。

技术研发人员：曲士良,许伟将,刘一
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19