[发明专利]一种基于表面等离子体共振的风速测量装置及方法

说明书

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种基于表面等离子体共振的风速测量装置及方法。该装置包括宽谱光源、加热光源、光纤传感器、光谱仪、耦合器、隔离器B、隔离器C、环形器、单模光纤、风速测量管道，所述的光纤传感器为基于表面等离子体共振及应变补偿的光纤温度传感器，该传感光纤由纤芯向外的第二层六边形介质孔层的相对边中心位置的两个介质孔内壁分别镀有产生表面等离子体共振的金属薄膜，镀有金属薄膜的一个介质孔及同层相邻的两个介质孔中填充介质A，介质A未填充的所有介质孔中填充介质B，光纤传感器的温度发生变化时，金属薄膜A和B的共振波长变化不一致，求得应变值，进而消除应变影响求得温度值，再以此计算得到光纤热线风速。

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，涉及一种基于表面等离子体共振的风速测量装置及方法。

背景技术

热线风速测量方法作为一种广泛使用的气体流速测量方法，其原理是利用气流通过高温物体时所带走高温物体表面热量与气流流速间的关系，实现对气流流速的测量，通过测量高温物体的温度即可得到气体流速值。

由于在防爆要求较高、电磁干扰较强和强腐蚀环境中电子式热线风速传感设备无法使用，而光纤设备具有本征安全、抗电磁干扰、抗强腐蚀的特点，因此光纤热线风速测量技术成为气体流速传感的重要方向之一。目前光纤热线风速传感方法主要利用光纤光栅、光纤谐振腔作为传感器测量被测环境的温度和风速。但是由于光纤光栅和光纤谐振腔对应力也敏感，因此在测量温度和风速的同时，测量结果会受到应力的影响。此外，光纤光栅和光纤谐振腔的温度和风速灵敏度不够高，例如，光纤光栅的温度灵敏度为0.01nm/℃，而目前通用的光谱仪的光波长分辨力只有0.02nm，因此无法实现高精度的风速测量，并且风速测量量程也受到限制。

表面等离子体共振现象是一种非线性光学现象，当满足一定条件的光透过光介质照射到金属表面时，会将光能传递给电子，形成等离子体，这一现象为表面等离子体共振，产生表面等离子体共振最强烈时所对应的光波长即为表面等离子体共振波长。由于表面等离子体共振波长对光介质折射率有较高的灵敏度，同时利用光子晶体光纤的结构特点，光纤表面等离子体技术广泛应用于高灵敏度介质折射率测量，进一步，利用介质的折射率与介质温度间的关系实现温度测量，并利用温度和风速间关系实现风速测量。由于光子晶体光纤和金属的几何尺寸和结构同样会影响共振波长，因此当光纤传感器受到应力影响产生应变时，会使风速的测量结果产生偏差。但是目前的基于表面等离子体共振技术的光纤传感器无法消除应变对测量结果的影响。

发明内容

为了克服现有技术的不足，通过能够同时测量应变和温度的基于表面等离子体共振的光纤传感器，实现不受应变影响且具有高灵敏度的光纤风速测量装置及方法。在装置中产生两个不同的表面等离子体共振现象，利用两个表面等离子体共振现象的共振波长随风速和应变移动的特点解算出应变值，并进而计算出应变补偿后的风速值。

本发明的具体技术方案为：