[发明专利]等离子体共振光纤热线风速计、检测系统及方法

说明书

本发明公开了一种等离子体共振光纤热线风速计、检测系统及方法，所述系统包括光源、光纤耦合器、起偏器、偏振控制器、等离子体共振光纤热线风速计、风筒和探测仪器，所述光源、光纤耦合器、起偏器、偏振控制器、风速计和探测仪器依次连接，所述风速计置于风筒中；所述光源包括泵浦光源和宽带光源；所述风速计包括刻有倾斜光纤光栅的光纤，所述光纤包层外表面镀有纳米量级的金属膜，所述金属膜外表面涂覆有几百纳米厚的光热材料，所述倾斜光纤光栅后向耦合的包层模有效折射率可覆盖0.9‑1.45RIU。本发明利用倾斜光纤光栅和光热材料的独特优势，在不破坏光纤结构的前提下实现高效的光热转换，从而实现风速的高灵敏测量。

技术领域

本发明涉及一种风速测量仪器，尤其是一种等离子体共振光纤热线风速计、检测系统及方法，属于传感技术领域。

背景技术

风速的测量在科学研究、工业生产、风力发电、环境监测等领域具有重要意义。近几十年来，基于螺旋桨、超声波、压力板、压力管、热线风速仪等不同工作原理，人们进行了大量风速传感器的研究，以优化其设计和性能。这些方法虽然得到了广泛的应用，但仍存在电磁干扰等缺点，不能用于微流和腐蚀性环境中。而光纤风速传感技术则提供了一种全光测量方法。

光纤传感器以其精度高、长期稳定性好、抗电磁干扰能力强、体积小、制作简单等独特优势，被证明是一种很有前途的新型传感器。其中，光纤热线式风速计是一种被广泛研究的重要类型。热线式风速计的基本原理是当传感器被加热时，可以通过测量传感器头的冷却速率或温度变化来计算热线式风速计周围的风速。

在光纤热线式风速计中，泵浦激光可以被光纤中的各种材料吸收，从而产生一定的热量。其中光纤光栅作为一种成熟的、标准的光纤内传感器，通常作为测温元件。当风带走传感器上的热量时，光纤光栅的波长会随着温度的变化而变化，这可以被光谱准确地检测到。在已报道的工作中，基于光纤光栅的热线式风速计主要方法采用几何修饰的光纤结构将输入泵浦激光引导到熔覆层与金属薄膜相互作用。如弯曲、贴片、在光纤中形成气泡、多模光纤与单模光纤熔接、光子晶体光纤等不常见光纤将光耦合到薄膜上。此外，一些研究人员使用特殊的高吸收性纤维，如掺Co²⁺的光纤来加热光纤光栅。另一方面，还有一类基于F-P腔结构的光纤热线风速计，Wei等人报道了一种基于两个光纤光栅结合的器件，围绕一段钴掺杂光纤。从而建立了一种FP结构，由于截面温度的变化，使得FP干涉仪的谐振峰发生了变化。Liu等制作了基于F-P硅干涉仪的快速响应光纤风速仪，Li等研究了基于微掺co2光纤腔的微流控F-P干涉仪流量计。还有由Gao等人所提出的由一对端面涂有少量石墨烯的对准渐变折射率光纤准直器组成光纤风速计，通过来自532nm激光的加热光加热石墨烯，改变了波长为1550nm的信号光的光学透射率。然而这些方法依然不够理想。首先,对于改变光纤几何结构的方法，通常会削弱光纤的固有强度，其次，采用光子晶体光纤或稀土掺杂光纤等特殊纤维的方法会使传感器的制造过程复杂化，有时形成的光栅啁啾不佳，导致性能不可靠。第三,大多数光纤热线式风速计使用传统金属材料如Au或Ag作为放热材料，将光能转换为传感器表面的热量。这些金属薄膜表现出良好的性能，但不能超过其光学功率吸收能力和导热性能的限制。因此，仍然需要简单高效的全光纤热线式风速计。

发明内容

本发明的第一个目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种等离子体共振光纤热线风速计，该风速计结构简单、稳定、坚固，在科学研究和工业生产中有着广泛的潜在应用。

本发明的第二个目的在于提供一种等离子体共振光纤热线风速检测系统，该系统利用倾斜光纤光栅和光热材料的独特优势，在不破坏光纤结构的前提下实现高效的光热转换，从而实现风速的高灵敏测量。

本发明的第三个目的在于提供一种基于上述系统的等离子体共振光纤热线风速检测方法，该方法通过测量泵浦光源的强度来实时监测风速。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：