[发明专利]用于压气机流体多参数测量的光纤传感器及测量方法

权利要求书

1.一种用于压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，包括皮托管（11）；其特征在于：包括环形静压弹性应变片（1）、圆形总压弹性应变片（2）、筒状金属封装外壳（3）、双圈同轴光强反射式光纤探头（4）、测温光栅光纤（8）和测温光栅光纤（10）；筒状金属封装外壳3连接于皮托管（11）的测量接口，在筒状金属封装外壳（3）与皮托管（11）连接之处设置中心带有通孔的环形静压弹性应变片（1，在筒状金属封装外壳（3）的另一端设有通孔，双圈同轴光强反射式光纤探头（4置于筒状金属封装外壳（3）的真空腔内，并通过通孔引出发射和接收光纤；在环形静压弹性应变片（1）与双圈同轴光强反射式光纤探头（4）之间设有圆形总压弹性应变片（2）；测温光栅光纤（10）设置在皮托管（11）总压孔B的内壁上；测温光栅光纤（8）设置在筒状金属封装外壳（3）的真空腔的内壁上；所述环形静压弹性应变片（1是环形静压弹性应变片上粘贴若干压力测量的光栅光纤，若干压力测量的光栅光纤（9）沿圆周均匀分布；所述双圈同轴光强反射式光纤探头（4）上的发射和接收光纤的排布为：光纤的中心为一根发射光纤，发射光纤的外围设有六根接收光纤形成第一组接收光纤（6），第一组接收光纤（6）的外围设有十二根接收光纤形成第二组接收光纤（7）；所述环形静压弹性应变片（1）、圆形总压弹性应变片（2）、测温光栅光纤（8）和测温光栅光纤（10）上设有信号输出连接线。

2.根据权利要求1所述的压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，其特征在于：所述测压力光栅光纤（9）为布拉格光栅光纤。

3.根据权利要求1所述的压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，其特征在于：所述双圈同轴光强反射式光纤探头（4）与圆形总压弹性应变片（2）的距离为0.25mm～2.5mm。

4.根据权利要求1所述的压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，其特征在于：所述筒状金属封装外壳（3）的外侧涂覆耐高温涂层。

5.根据权利要求1所述的压气机流体多参数测量的光强式与光栅式混合光纤传感器，其特征在于：所述环形静压弹性应变片（1）和圆形总压弹性应变片（2）选用复合硅材料。

6.一种利用权利要求1～5任一项所述传感器进行压气机气体流量的测试方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：通过接收光纤接收到的光进行光电转换并采集，得到两组接收光的光强比值M(z)：

M(z)=exp={-3·d2a02[1+ζ(2za0)3/2tanθ0]2}+exp{-2·d2σ2a02[1+ζ(2za0)3/2tanθ0]2}]]>

并得到出圆形总压应变片位移z与光强比值M(z)之间的关系,其中入射光纤和接收光纤的轴间距为d、光纤束光纤的半径为a₀、光纤的最大入射角为θ₀、σ为表征光纤折射率分布的相关参数、ζ为与光源种类及光源和光纤耦合情况有关的调制参数；

步骤2：根据圆形总压应变片位移z，计算总压p^*=z*（AE），其中A为压力作用的横截面积、E为所选材料的弹性模量；

步骤3：采用应变与波长偏移的关系Δλ_B＝(1-P_e)ε·λ_B计算得到环形静压应变片的形变量ε，其中p_e是光纤的光弹系数、λ_B代表光栅中光的中心波长；

步骤4：根据环形弹性应变片的应变量ε与Δp成正比关系：ε∝Δp，计算环形弹性应变片两侧的压差Δp，得到静压p＝Δp+p*；

步骤5：通过光栅式光纤（8）测得的工作环境温度的变化，补偿由于温度变化引起的弹性应变片的测量漂移，其中α为光纤的热膨胀系数、ξ为光纤的热光系数、Δλ为波长的变化、ΔT为温度的变化、λ为光栅中光的中心波长；温度变化于光栅波长变化的关系：Δλ＝(α+ξ)λΔT；

步骤6：通过测温光纤（10）得到压气机的总温T*；

步骤7：根据p^*，p，T*，计算气体流量，其计算方法如下：

G=Kp*T*A(κ+12)1κ-1κ+1κ-1(pp*)2κ-(pp*)κ+1κ]]>

式中K为常数，κ为气体常数，A为测量截面的气动面积，p*为总压，p为静压，T*为总温。