一种光纤流速传感探头、流速传感器及上述探头制备方法

技术领域

本发明涉及光纤流速传感技术领域，尤其涉及一种光纤流速传感探头、流速传感器及上述探头制备方法。

背景技术

流速是流体检测过程中的关键指标。传统的流速测量方法较多，其中主要包括:毕托管、热线式流速仪、激光多普勒测速仪等。与传统的流速测量仪器相比，光纤流速传感探头具有耐高温高压、精度高、响应快、抗电磁干扰等优点。目前应用广泛的有光纤光栅流速传感探头、光纤Sagnac干涉流速传感探头等。主要利用不同流速使得光纤传感探头发生不同形变，进行干涉光谱的解调后实现监测。容易受到温度、液体浓度以及溶液中其他成分的影响，需要增加额外的补偿机制；探测灵敏度易受光源的影响、干涉光谱质量差、制备过程复杂。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种光纤流速传感探头、流速传感器及上述探头制备方法。

本发明提出的一种光纤流速传感探头，包括：单模光纤、第一空心光纤和第二空心光纤；

单模光纤、第一空心光纤和第二空心光纤依次熔接，第一空心光纤的内径大于所述第二空心光纤的内径，第一空心光纤和第二空心光纤内部连通共同形成填充腔室，第二空心光纤远离第一空心光纤一端封口，所述填充腔室内填充有液体热光材料。

优选地，第二空心光纤的长度为第一空心光纤长度的两倍。

优选地，第一空心光纤的内径与第二空心光纤的内径比为5:1。

本发明还提出一种光纤流速传感器，包括上述的光纤流速传感探头；

优选地，还包括：激光光源、宽带相干光源、光纤耦合器、光纤环形器和光纤光谱仪；

光纤耦合器上具有第一耦合入射口、第二耦合入射口和耦合出射口，光纤环形器上具有第一接口、第二接口和第三接口；

激光光源和宽带相干光源分别与第一耦合入射口和第二耦合入射口连接，所述耦合出射口与所述第一接口连接，单模光纤远离第一空心光纤一端与第二接口连接，光纤光谱仪与第三接口连接。

优选地，打开宽带相干光源，通过激光光源将所述填充腔室内液体热光材料加热至与外界流体达到热平衡后，关闭激光光源，通过光纤光谱仪记录不同流速下的光谱，将上述光谱解调为流速。

本发明中，所提出的光纤流速传感探头和流速传感器，通过空心光纤内填充液态热光材料，利用环境流体流过对热光材料的折射率的影响，进而使得光路的干涉峰移动，根据不同速度流体流经探头导致干涉峰变化不同，实现通过光谱仪的检测结果解调出流速变化。进而可以对不同温度、不同成分的微流体进行流速监测，工作性能稳定，一体性强，可用于各类苛刻环境的流体流速远端监测，反射式结构使其能深入到狭小空间中进行点探测，在流速监测领域应用潜力巨大。

本发明还提出一种上述的光纤流速传感探头的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

S1、通过光纤熔接机将单模光纤熔接到第一空心光纤一端；

S2、在第二空心光纤内填充液体热光材料，并将第二空心光纤熔接到第一空心光纤远离单模光纤一端；

S3、将第二空心光纤内的液体热光材料送入第一空心光纤内；

S4、将第二空心光纤远离第一空心光纤一端封口，使得液体热光材料填满所述填充腔室。

优选地，在S1中，在熔接后，将第一空心光纤切割至预设长度。

优选地，在S2中，所述在第二空心光纤内填充液体热光材料具体为，将第二空心光纤一端插入液体热光材料中，利用毛细效应将液体热光材料吸入第二空心光纤内。

优选地，在S3中，通过注射器从第二空心光纤远离第一空心光纤一端加压，使得液体热光材料从第二空心光纤内进入第一空心光纤。

优选地，在S4中，通过调节熔接机对对第二空心光纤远离第一空心光纤一端间断性放电，使得第二空心光纤封口。

本发明中，所提出的光纤流速传感探头的制备方法，其技术效果与上述探头类似，因此不再赘述。

附图说明

图1为本发明提出的一种光纤流速传感探头的一种实施方式的结构示意图。

图2为本发明提出的一种光纤流速传感器的一种实施方式的结构示意图。

图3为本发明提出的一种光纤流速传感探头的一种实施方式的法布里珀罗干涉微腔示意图。

具体实施方式

如图1至3所示，图1为本发明提出的一种光纤流速传感探头的一种实施方式的结构示意图，图2为本发明提出的一种光纤流速传感器的一种实施方式的结构示意图，图3为本发明提出的一种光纤流速传感探头的一种实施方式的法布里珀罗干涉微腔示意图。

本实施例提出一种光纤流速传感探头的制备方法，包括下列步骤：

S1、通过光纤熔接机将单模光纤1熔接到第一空心光纤2一端；

具体地，在熔接后，将第一空心光纤2切割至预设长度，可利用高精度光纤切割平台进行切割。

S2、在第二空心光纤3内填充液体热光材料4，并将第二空心光纤3熔接到第一空心光纤2远离单模光纤1一端；

具体地，所述在第二空心光纤3内填充液体热光材料4具体为，将第二空心光纤3一端插入液体热光材料4中，利用毛细效应将液体热光材料4吸入第二空心光纤3内。

S3、将第二空心光纤3内的液体热光材料4送入第一空心光纤2内；

具体地，通过注射器从第二空心光纤3远离第一空心光纤2一端加压，使得液体热光材料4从第二空心光纤3内进入第一空心光纤2。

S4、将第二空心光纤3远离第一空心光纤2一端封口，使得液体热光材料4填满所述填充腔室。

具体地，通过调节熔接机对对第二空心光纤3远离第一空心光纤2一端间断性放电，使得第二空心光纤3封口。此时，调节熔接机电流大小和放电时间，保证液体填满微腔且不会流出。

参照图1，通过上述制备方法制备的一种光纤流速传感探头，包括：单模光纤1、第一空心光纤2和第二空心光纤3；

单模光纤1、第一空心光纤2和第二空心光纤3依次熔接，第一空心光纤2的内径大于所述第二空心光纤3的内径，第一空心光纤2和第二空心光纤3内部连通共同形成填充腔室，第二空心光纤3远离第一空心光纤2一端封口，所述填充腔室内填充有液体热光材料4。

为了详细说明本实施例的光纤流速传感探头的具体工作方式，参照图2，本实施例还提出一种光纤流速传感器，包括上述的光纤流速传感探头。

具体地，还包括：激光光源20、宽带相干光源30、光纤耦合器40、光纤环形器50和光纤光谱仪60；光纤耦合器40上具有第一耦合入射口、第二耦合入射口和耦合出射口，光纤环形器50上具有第一接口、第二接口和第三接口。

在具体连接时，激光光源20和宽带相干光源30分别与第一耦合入射口和第二耦合入射口连接，所述耦合出射口与所述第一接口连接，单模光纤1远离第一空心光纤2一端与第二接口连接，光纤光谱仪60与第三接口连接。

本实施例的光纤流速传感器具体检测过程中，打开宽带相干光源30，通过激光光源20将所述填充腔室内液体热光材料4加热至与外界流体达到热平衡后，关闭激光光源20，通过光纤光谱仪60记录不同流速下的光谱，将上述光谱解调为流速。

由于液体热光材料填充在空心光纤内的填充腔室中，由于空心光纤的内壁平滑，与液体接触产生的交界面分别形成反射面M1、M2，反射面M1和M2组成了双光束法布里珀罗干涉仪(FPI)结构，如图3所示，在光纤中传输的光I0被反射面M1、M2反射后，重新进入光纤内形成双光束干涉。设光纤微腔的长度为L，微腔内液体介质的折射率为ne，光谱波谷位置处对应的中心波长可以表示成。利用激光光源对法布里珀罗干涉腔内的热光材料进行加热，与外部溶液温度达到平衡。当外界流体流经传感探头时，微腔内热光材料有效折射率ne发生变化，产生干涉峰移动；不同速度流体流经传感探头时，腔内热光材料温度产生不同程度的降低，导致干涉峰变化不同，利用光谱仪对干涉峰进行监测，解调后转换为流速的变化。

在本实施例中，所提出的光纤流速传感探头和流速传感器，所提出的光纤流速传感探头和流速传感器，通过空心光纤内填充液态热光材料，利用环境流体流过对热光材料的折射率的影响，进而使得光路的干涉峰移动，根据不同速度流体流经探头导致干涉峰变化不同，实现通过光谱仪的检测结果解调出流速变化。进而可以对不同温度、不同成分的微流体进行流速监测，工作性能稳定，一体性强，可用于各类苛刻环境的流体流速远端监测，反射式结构使其能深入到狭小空间中进行点探测，在流速监测领域应用潜力巨大。

在光纤探头的具体尺寸选择中，第二空心光纤3的长度为第一空心光纤2长度的两倍。此外，第一空心光纤2的内径与第二空心光纤3的内径比为5:1。

在一种具体实施方式中，所述单模光纤纤芯直径为9μm，包层直径为125μm；第一空心光纤内径为50μm，外径为125μm，第一空心光纤的长度为100μm；第二空心光纤内径为10μm，外径为125μm，第二空心光纤的长度为200μm。

在热光材料的选择中，由于测试时利用特定波段激光对其进行曝光时，会产生较多热量，因此适合的材料有CdSe等量子点溶液、金纳米粒子溶液、银纳米粒子溶液等。

此时，在传感探头制备时，可通过氢氟酸对空心光纤侧壁进行减薄处理，减少在侧壁内部的热量损耗，有利于外部流体到热光材料的热量传递。

在本实施例的流速传感器检测时，为了减小损耗，可采用特定波段的激光，和光谱的相干光通过时损耗较小。

在其他器件的实际选择中，激光光源可采用980nm光纤激光器；所述光纤光谱仪可采用型号为横河AQ6370B；所述单模光纤可选择为Coning SMF-28。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。