本發(fā)明屬于風速傳感器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器及風速測量方法。

背景技術(shù)：

1、風速測量在航空航天、風力發(fā)電、交通運輸和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。熱線風速傳感器是一種重要的風速測量裝置，具有體積小、精度高、響應時間短、適用性廣等優(yōu)點。然而，在某些高溫、放射性和腐蝕性等惡劣環(huán)境中，傳統(tǒng)的熱線式風速傳感器無法工作或者測量效果不佳。近年來，基于光纖光柵的熱線式風速傳感器由于具有電無源操作、抗電磁干擾等優(yōu)勢而引起了廣泛的關(guān)注。

2、基于光纖光柵的熱線式風速傳感器的基本原理是當光纖光柵被加熱時，可以通過測量光纖光柵隨風速的冷卻速率或溫度變化來計算光纖光柵周圍的風速。傳統(tǒng)的光纖光柵熱線式風速傳感器大都采用表面鍍金屬膜的光纖光柵，用泵浦激光通過一個泵浦光耦合結(jié)構(gòu)來加熱光纖光柵。具體過程是泵浦激光通過泵浦光耦合結(jié)構(gòu)耦合到光纖光柵的包層，被光纖光柵表面的金屬膜吸收產(chǎn)生熱量，從而產(chǎn)生加熱作用。目前，已報道的耦合結(jié)構(gòu)包括多模光纖、無芯光纖、長周期光纖光柵(lpg)、腰錐放大結(jié)構(gòu)和錯位熔接結(jié)構(gòu)等。雖然光纖光柵熱式風速傳感器的性能在不斷提高，但同時需要泵浦光耦合結(jié)構(gòu)和光纖光柵表面鍍金屬膜操作，使制造過程和結(jié)構(gòu)復雜化，增加了風速傳感器的成本。

3、文章《all-optical?fiberanemometerbasedonlaserheatedfiberbragggratings》報道了一種基于摻鈷光纖布拉格光柵(fbg)的熱線式風速傳感器。該風速傳感器運用了摻鈷光纖，能直接吸收激光并將其轉(zhuǎn)化為熱量從而將光纖光柵轉(zhuǎn)變成熱線，因此無需將泵浦激光耦合到包層和在光纖光柵表面鍍金屬膜，顯示出優(yōu)秀的應用潛力。然而，包括基于摻鈷光纖光柵的熱線式風速傳感器在內(nèi)的所有fbg熱線式風速傳感器都有以下兩點不足：一是需要泵浦激光加熱；二是風速測量的靈敏度有待提高。

4、長周期光纖光柵(lpg)是光柵周期明顯大于光纖布拉格光柵(fbg)的光柵器件，光柵周期一般在數(shù)百微米以上。lpg是利用同向傳輸?shù)睦w芯模和包層模之間發(fā)生耦合的，耦合到包層的光將被損耗掉，從而實現(xiàn)調(diào)制和濾波功能。與fbg相比lpg具有更高的溫度敏感性。文章《low-power-consumption?fiber-optic?anemometerbased?on?long-period?gratingwith?swcnt?coating》報道了一種基于lpg的風速傳感器，lpg表面涂有一層單壁碳納米管，當光信號傳輸lpg時，耦合出來的部分光被單壁碳納米管吸收并產(chǎn)生熱量加熱lpg，使之成為熱線。但由于耦合出來的光功率隨波長變化而變化，單壁碳納米管涂層的溫度也會因此改變，所以測量精度會受到風速變化的影響，同時單壁碳納米管涂層使風速傳感器制造過程和結(jié)構(gòu)復雜化。

5、現(xiàn)有技術(shù)公開號為cn110133320a的發(fā)明專利提出了等離子體共振光纖熱線風速計、檢測系統(tǒng)及方法，包括泵浦光源、寬帶光源、光纖耦合器、起偏器、偏振控制器、探測儀器和包層外表面鍍有納米量級的金屬膜的傾斜光纖光柵；泵浦光源和寬帶光源的輸出光傳輸至傾斜光纖光柵時，部分光耦合到傾斜光纖光柵包層從而被傾斜光纖光柵表面的金屬膜吸收產(chǎn)生熱量使其自身溫度升高，使得等離子體共振波長偏移。在風的作用下，傾斜光纖光柵表面的熱量散失加速，從而產(chǎn)生強烈的等離子體共振波長偏移和強度調(diào)制，通過測量風速計處包層模的波長偏移和強度變化，實現(xiàn)不同風速的高精度測量。這種傾斜光柵風速傳感器仍需要鍍金屬膜操作且靈敏度較低，不利于推廣使用。

6、現(xiàn)有公開號為cn109580984a的發(fā)明專利提出了基于長周期光纖光柵的風速傳感器，由長周期光纖光柵和光纖反射器組成，該風速傳感器利用長周期光纖光柵將信號光耦合至光纖反射器，在風力作用下，長周期光纖光柵發(fā)生彎曲，其耦合至光纖反射器的光強將改變，通過測量光纖反射器反射回光纖纖芯的功率變化來測量風速。該風速傳感器通過光纖彎曲來測量風速，存在易損壞的缺點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)中結(jié)構(gòu)復雜，需要鍍膜和泵浦光耦合結(jié)構(gòu)，靈敏度不夠高的問題，提供一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器及風速測量方法。

2、本發(fā)明的首要目的是為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

3、本發(fā)明第一方面提供了一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器，包括寬帶光源，摻鈷光纖長周期光柵，光譜儀，所述寬帶光源通過摻鈷光纖長周期光柵與光譜儀連接。

4、進一步地，所述器件之間均通過單模光纖和法蘭進行連接。

5、進一步地，所述摻鈷光纖長周期光柵是利用特定折射率調(diào)制技術(shù)，在摻鈷光纖上制成。

6、進一步地，所述摻鈷光纖長周期光柵是通過熔接連接在單模光纖中。

7、進一步地，所述摻鈷光纖長周期光柵的光吸收系數(shù)在5-15db/cm。

8、進一步地，所述摻鈷光纖長周期光柵的長度值在2-10cm。

9、進一步地，所述摻鈷光纖長周期光柵的周期在200-600μm。

10、進一步地，所述寬帶光源的工作波長范圍為1250-1600nm。

11、本發(fā)明第二方面提供了一種風速測量方法，包括如下步驟：

12、利用寬帶光源產(chǎn)生寬帶光，將其傳輸至摻鈷光纖長周期光柵中；

13、所述摻鈷光纖長周期光柵吸收寬帶光源的部分寬帶光并轉(zhuǎn)化為熱量，使其自身溫度升高，透射波長紅移，同時將剩余的寬帶光傳輸至光譜儀作為信號光；

14、在風速作用下，所述述摻鈷光纖長周期光柵溫度降低，因而其透射波長藍移,利用光譜儀測量所述摻鈷光纖長周期光柵的透射波長變化，從而實現(xiàn)風速變化的測量。

15、進一步地，所述摻鈷光纖長周期光柵吸收寬帶光產(chǎn)生的熱量與寬帶光的功率p成正比，在摻鈷光纖長周期光柵長度一定時，寬帶光功率越高，產(chǎn)生的熱量hgen越大，摻鈷光纖長周期光柵產(chǎn)生的熱量hgen正比于寬帶光的功率p，其表達式如下：

16、hgen＝k1pl

17、式中，k1為比例常數(shù)，l為摻鈷光纖長周期光柵的長度。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案的有益效果是：

19、利用激光器在摻鈷光纖上刻寫長周期光纖光柵，然后用寬帶光源對其進行加熱。摻鈷光纖長周期光柵可以通過吸收寬帶光能量并將其轉(zhuǎn)化為熱能，從而將自身轉(zhuǎn)化為熱線，消除了對泵浦激光器、泵浦光耦合結(jié)構(gòu)和金屬涂層的需要，傳感器的結(jié)構(gòu)很大程度的簡化且制造難度和成本都將減小。得益于摻鈷光纖長周期光纖光柵的高溫敏感性，以及其波長位移不影響光功率吸收的特性，測量靈敏度和精度得到了顯著提升。

技術(shù)特征：

1.一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器，其特征在于，包括寬帶光源，摻鈷光纖長周期光柵，光譜儀，所述寬帶光源通過摻鈷光纖長周期光柵與光譜儀連接。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器，其特征在于，所述器件之間均通過單模光纖和法蘭進行連接。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器，其特征在于，所述摻鈷光纖長周期光柵是利用特定折射率調(diào)制技術(shù)，在摻鈷光纖上制成。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器，其特征在于，所述摻鈷光纖長周期光柵是通過熔接連接在單模光纖中。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器，其特征在于，所述摻鈷光纖長周期光柵的光吸收系數(shù)在5-15db/cm。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器，其特征在于，所述摻鈷光纖長周期光柵的長度值在2-10cm。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器，其特征在于，所述摻鈷光纖長周期光柵的周期在200-600μm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器，其特征在于，所述寬帶光源的工作波長范圍為1250-1600nm。

9.一種風速測量方法，所述測量方法采用權(quán)利要求1-8任意一項所述的一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器，其特征在于，包括如下步驟：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的一種風速測量方法，其特征在于，所述摻鈷光纖長周期光柵吸收寬帶光產(chǎn)生的熱量與寬帶光的功率p成正比，在摻鈷光纖長周期光柵長度一定時，寬帶光功率越高，產(chǎn)生的熱量hgen越大，摻鈷光纖長周期光柵產(chǎn)生的熱量hgen正比于寬帶光的功率p，其表達式如下：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于摻鈷光纖長周期光柵的高靈敏度熱線式風速傳感器及風速測量方法，傳感器包括寬帶光源，摻鈷光纖長周期光柵，光譜儀，寬帶光源的輸出端通過摻鈷光纖長周期光柵與光譜儀連接。利用激光器在摻鈷光纖上刻寫長周期光纖光柵，然后用寬帶光源對其進行加熱，摻鈷光纖長周期光柵可以通過吸收寬帶光能量并轉(zhuǎn)化為熱量，使其自身溫度升高，透射波長紅移。在風速作用下，摻鈷光纖長周期光柵的溫度降低，其透射波長藍移，利用光譜儀測量摻鈷光纖長周期光柵的透射波長的變化，從而實現(xiàn)對風速的測量，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造難度低、成本低、靈敏度高、測量速度快、體積小等特點。

技術(shù)研發(fā)人員：董新永,杜浪哲
受保護的技術(shù)使用者：廣東工業(yè)大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9