[发明专利]基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器

说明书

本发明公开基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器，包括宽带光源、Y型光纤环行器、泵浦激光器、波分复用器、泵浦光耦合器、表面涂覆有金属薄膜的啁啾光纤光栅和光功率计；用涂覆在啁啾光纤光栅表面的金属薄膜对泵浦光的吸收效应产生热量，加热啁啾光纤光栅，由于泵浦光功率沿啁啾光纤光栅长度衰减导致的温度梯度变化，啁啾光纤光栅的反射谱带宽被展宽。在风速作用下，金属薄膜的加热效应减弱，啁啾光纤光栅的反射谱带宽和反射光功率变小，利用光功率计测量啁啾光纤光栅反射光功率的变化，从而实现对风速的测量，具有测量速度快、解调系统成本低、体积小、使用方便等特点，适用于动态的高速测量，提高了光纤光栅风速传感器的动态检测范围。

技术领域

本发明涉及光纤光栅传感器技术领域，特别是涉及基于啁啾光纤光栅的强度解调型风速传感器。

背景技术

随着工业现代化进程的加快，气流速度的精确测量在航空、化工、医疗、农业等领域起到重要作用，基于各种原理的风速传感器相继被提出。目前，在某些低温或高温、放射性和腐蚀性等恶劣环境中，微机电系统的风速传感器无法工作或者测量效果不佳。

光纤风速传感器因其具有抗电磁干扰、长距离测量能力、高灵敏度以及对恶劣环境的高度适应性等优点而被广泛关注。

其中，热线式光纤风速计因其灵敏度高、测量范围大和结构牢固等优点而被大规模推广应用。近年来，光纤光栅传感器因其成本低、结构简单、灵敏度高、尺寸小、复用性强等优点，逐渐成为传感领域的研究热点。

与本发明最为相近的文章有《Compact Anemometer Using Silver-Coated FiberBragg Grating》、《Hot-Wire Anemometer Based on Silver-Coated Fiber BraggGrating Assisted by No-Core Fiber》、《Fiber Bragg Grating Flow Sensors Poweredby In-Fiber Light》、《Fiber optic hot-wire flowmeter based on a metallic coatedhybrid long period grating/fiber Bragg grating structure》、《基于薄包层FBG的热线式光纤风速计》、《基于腰椎放大熔接的FBG热线式风力计》、《光纤光栅风力计研究》和《新型光纤风力计研究》,这一类与本发明结构相似的热线式风速传感器，采用不同的泵光耦合结构将泵浦光耦合进光纤包层，涂覆在光纤光栅表面的金属薄膜吸收泵浦光产生热量，使光纤光栅的温度升高。为避免泵浦光加热导致的啁啾效应，这一类热线式风速传感器所选的光纤布拉格光栅较短。

文章《Fiber-optic anemometer based on single-walled carbon nanotubecoated tilted fiber Bragg grating》提出了一种基于单壁碳纳米管涂层的倾斜光纤光栅热线式风速传感器，该风速传感器通过倾斜光纤光栅将激光器发出的泵浦光耦合成高阶包层模式和辐射模式，沉积在倾斜光纤光栅表面的单壁碳纳米吸收大量泵浦光提高光纤温度，在风速作用下，通过测量透射光谱的波长漂移来确定风速的变化。

文章《All-optical fiber anemometer based on laser heated fiber Bragggratings》提出了一种基于光纤布拉格光栅的光纤风速仪，该风速传感器的泵浦激光通过刻有两个光纤光栅的一小段掺钴光纤来加热光纤光栅，通过FBG解调仪来监测光纤布拉格光栅的中心波长，确定风速变化。

传统的波长解调型光纤光栅传感器利用其波长随温度、应变、压力等物理量变化的原理，通过检测波长的漂移来得知被测物理参量的变化，测量波长时需要波长解调仪进行扫描，此类波长解调仪通常体积大、反应时间相对较长、扫描速度较慢且价格昂贵，不利于大规模推广应用。