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基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置及方法.pdf

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基于 干涉 光纤 传感 水管 流速 测量 装置 方法
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摘要
申请专利号:

CN201611002601.1

申请日:

2016.11.14

公开号:

CN106483329A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01P 5/26申请日:20161114|||公开
IPC分类号: G01P5/26 主分类号: G01P5/26
申请人: 天津理工大学
发明人: 张爱玲; 马秀荣; 童峥嵘; 张悦
地址: 300384 天津市西青区宾水西道391号天津理工大学主校区
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 天津佳盟知识产权代理有限公司 12002 代理人: 侯力
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法律状态
申请(专利)号:

CN201611002601.1

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

一种基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置及方法,通过将迈克尔逊干涉仪的一臂(传感光纤)插入到运营的水管网中实现对水管中水流速的测量。本发明的特点:本发明结构简单、成本低且易于实现。通过将传感光纤插入到运营的水管网中实现对水管中水的流速测量,可以较为准确的测量水管中水流变化情况。光纤是由二氧化硅材?#29616;?#22791;而成,成本较低,耐腐蚀,与电子传感器相比,不怕水。利用光纤的低传输损耗的特性,有利于将水管网中传感器所测的信息传输到控制中心,对传感信息进行集中处理。

权利要求书

1.一种基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置,包括光源(1),隔离器(2),耦合器
(3),光电探测器(4),解调电路(5),传感光纤(6)和参考光纤(8);所述光源与隔离器一端
(2-1)相连,隔离器另一端(2-2)与耦合器的一个端口(3-1)相连,耦合器同侧的另一个端口
(3-2)与光电探测器输入端口(4-1)相连,光电探测器输出端口(4-2)与解调电路(5)相连;
所述耦合器另一侧的一个端口(3-3)与传感光纤(6)相连,传感光纤置于待测量的水管中,
耦合器的另一个端口(3-4)与参考光纤(8)相连。
2.根据权利要求1所述的基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置,其特征在于所述
光源是指激光器光源。
3.根据权利要求1所述的基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置,其特征在于所述
的传感光纤插入到待测量的水管中,与水管中的水流直接接触,对水管中的水流进行感知;
传感光纤的末端镀有一层反射膜(7),对光纤中传输的光进行反射。
4.根据权利要求1所述的基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置,其特征在于所述
的参考光纤放置在水管外,与水管中的水没有接触,其末端也镀有一层反射膜(9),由对温
度和应力不敏感的材料进行封装。
5.根据权利要求1所述的基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置,其特征在于所述
的解调电路由预处理电路及数字处理电路组成,对光电探测器输出的干涉信号进行解调;
光源的驱动电信号与预处理电路相连。
6.一种采用权利要求1所述测量装置对水管中水的流速进行测量的光纤传感的传感方
法,其特征在于该方法能够测量运营水管网中的水的流速;具体步骤如下:
(1)开启权利要求1所述传感装置的光源,利用正弦电信号驱动光源,使输出光强受正
弦信号调制;
(2)调制的光波输入到光纤中,经耦合器分离为两部分,一部分在传感光纤中传输,该
光波受到水管中水流速的影响,另一部分在参考光纤中传输,该光波不受水管中水流的影
响,两束光都经反射膜反射后在耦合器发生干涉,由耦合器的另一端口输出,由光电探测器
检测;
(3)光电探测器将干涉的光信号转化为电信号,与光源的正?#20202;?#21160;电信号一起输入到
解调电路中,输出解调的与水流相关的时间信号;
(4)根据解调的时间信号的频率确定水管中水的流速。
7.根据权利要求6所述的方法,其特征在于所述测量精度与传感光纤的长度成正比,传
感光纤的长度越长,测量精度越高。
8.根据权利要求6所述的方法,其特征在于所述待测信号的动态范围D与光源的驱动信
号的频率ω0满足其中ωs为待测信号的频?#21097;?#21363;光源的驱动信号的频?#35797;?br />高,所测信号的动态范围越宽。
9.根据权利要求6所述的方法,其特征在于所述水管中的流速由解调的时间信号的频
?#23454;?#20986;,解调信号的振动频?#24335;?#20284;地与流速成正比。

说明书

基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置及方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域,特别是对水管的水流进行测量的光纤传感装置和
方法。

背景技术

在工农业生产和人们的日常成活中,水的流速及流量都是很重要的参数。例如在
自来水输送和供热输送过程中,为了有效地操作、控制和检测,需要对水管中的水的流速,
水压及水管泄漏等进行测量。常用的传统的水管流速及流量的测量方法是差压式测速管、
电磁式测速?#39057;取?br />

在光纤通信?#35813;?#21457;展的带动下,光纤传感作为传感器?#26131;?#20013;年轻的一员,以其抗
电磁干扰、轻巧、抗腐蚀等方面独一无二的优势引起了人们的关注。

干涉型光纤传感器是利用相干光相遇时会发生干涉的原理制作而成。其灵敏度和
动态范围等指标相比其他类型的光纤传感器要好。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置及方法。通过
将迈克尔逊干涉仪的一臂(传感光纤)插入到运营的水管网中实现对水管中水的流速进行
测量。

本发明的技术方案:

一种对水管中水的流速进行测量的光纤传感装置,该传感装置由光源1,隔离器2,
耦合器3,光电探测器4,解调电路5,传感光纤6,反射膜7,参考光纤8及反射膜9组成。所述光
源与隔离器一端2-1相连,隔离器另一端2-2与耦合器的一个端口3-1相连,耦合器同侧的另
一个端口3-2与光电探测器输入端口4-1相连,光电探测器输出端口4-2与解调电路5相连。
耦合器另一侧的一个端口3-3与传感光纤6相连,传感光纤放置于待测量的水管中,耦合器
的另一个端口3-4与参考光纤8相连。

所述的光源是指激光器光源。选用线宽窄的半导体激光器为?#36873;?#20809;源包括驱动电
路及温控电路。

所述的传感光纤插入到待测量的水管中,与水管中的水流直接接触,对水管中的
水流进行感知,光纤长度可根据具体需求进?#26800;?#25972;。传感光纤的末端镀有一层反射膜7,对
光纤中传输的光进行反射。

所述的参考光纤放置在水管外,与水管中的水没有接触,其末端也镀有一层反射
膜9,由对温度和应力不敏感的材料进行封装,光纤长度也可根据具体需求进?#26800;?#25972;。

所述的解调电路由预处理电路及数字处理电路组成,对光电探测器输出的干涉信
号进行解调。光源的驱动电信号与预处理电路相连。

本发明同时提供了一种采用上述传感装置对水管中水的流速进行测量的光纤传
感的传感方法,该方法能够测量运营水管网中的水的流速。具体步骤如下:

(1)开启以?#32420;?#36848;传感装置的光源,利用正弦电信号驱动光源,使输出光强受正弦
信号调制;

(2)调制的光波输入到光纤中,经耦合器分离为两部分,一部分在传感光纤中传
输,该光波受到水管中水的流速的影响,另一部分在参考光纤中传输,该光波不受水管中水
流的影响,两束光都经反射膜反射后在耦合器发生干涉,由耦合器的另一端口输出,由光电
探测器检测。

(3)光电探测器将干涉的光信号转化为电信号,与光源的正?#20202;?#21160;电信号一起输
入到解调电路中,输出解调的与水流相关的时间信号。

(4)根据解调的时间信号的频率确定水管中水的流速。

所述的方法中,测量精度与传感光纤的长度成正比,传感光纤的长度越长,测量精
度越高。

所述的方法中,待测信号的动态范围D与光源的驱动信号的频率ω0满足
其中ωs为待测信号的频?#21097;?#21363;光源的驱动信号的频?#35797;?#39640;,所测信号的动态
范围越宽。

所述的方法中,水管中水的流速由解调的时间信号的频?#23454;?#20986;,解调信号的振动
频?#24335;?#20284;地与流速成正比。

本发明的优点和有益效果:

本发明提出了一种结构简单、成本低且易于实现的水管流速的测量装置和方法。
通过将传感光纤插入到运营的水管网中实现对水管中水的流速进行测量,可以较为准确的
测量水管中水流变化情况。光纤是由二氧化硅材?#29616;?#22791;,成本较低,且耐腐蚀,与电子传感
器相比,不怕水。利用光纤的低传输损耗的特性,有利于将水管网中传感器所测的信息传输
到控制中心,对传感信息进行集中处理。

附图说明

图1为本发明传感装置的结构图。

图中:1.光源 2.隔离器 3.耦合器 4.光电探测器 5.解调电路 6.传感光纤 7.反
射膜 8.参考光纤 9.反射膜。

图2为本发明实例1为光纤长度为1m,水管流速为0.5m/s时,解调信号随时间变化
图。

图3为本发明实例1为光纤长度为1m,水管流速为1.5m/s时,解调信号随时间变化
图。

图4为本发明实例2为光纤长度为0.5m,水管流速为0.5m/s时,解调信号随时间变
化图。

图5为本发明实例2为光纤长度为0.5m,水管流速为1.5m/s时,解调信号随时间变
化图。

具体实施方式

实施例1

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明。

一、本发明提供的基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置,如图1所示。

该装置通过将迈克尔逊干涉仪的一臂(传感光纤)插入到运营的水管网中实现对
水管中水的流速进行测量。

本发明所述的光纤传感装置主要包括光源1,隔离器2,耦合器3,传感光纤6,参考
光纤8、光电探测器4及解调电路5。其中光源与隔离器的一端2-1相连,隔离器的另一端2-2
与耦合器3一侧的一个端口3-1相连,耦合器3的这一侧的另一个端口3-2与光电探测器4的
输入端口4-1相连,光电探测器输出的电信号通过输出端口4-2输出到解调电路5。耦合器另
一侧的一个端口3-3与传感光纤6相连,耦合器的另一个端口3-4与参考光纤8相连。

所述光源选用线宽窄的半导体激光器。光源包括驱动电路及温控电路(为现有技
术,省略附图)。

所述的传感光纤6插入到待测量的水管中,与水管中的水流直接接触,对水管中的
水流进行感知,光纤长度为1米。传感光纤的末端镀有一层反射膜7,对光纤中传输的光进行
反射。

所述的参考光纤8放置在水管外,与水管中的水没有接触,其末端也镀有一层反射
膜9,光纤长度为1米。

所述的解调电路5由预处理电路及数字处理电路(为现有技术,省略附图)组成,对
光电探测器输出的干涉信号进行解调。光源的驱动电信号与预处理电路相连。

二、一种采用上述传感装置对水管中水的流速进行测量的光纤传感的传感方法,
该方法能够测量运营水管网中的水的流速。具体步骤如下:

第1、将传感部分按以?#32420;?#36848;装置搭建完成,开启光源,利用正弦电信号驱动光源,
使输出光强受正弦信号调制。

第2、调制的光波输入到光纤中,经耦合器分离为两部分,一部分在传感光纤中传
输,该光波受到水管中水的流速影响,另一部分在参考光纤中传输,该光波不受水管中水流
的影响,两束光都经反射膜反射后在耦合器发生干涉,由耦合器的另一端口输出,由光电探
测器检测。

第3、光电检测器将干涉的光信号转化为电信号,与光源的正?#20202;?#21160;电信号一起输
入到解调电路中,输出解调的与水流相关的时间信号。

第4、根据解调的时间信号频率确定水管中水的流速。

本实施例中,传感光纤与参考光纤长度均为1m,水管中水的流速为0.5m/s时,解调
信号随时间变化如图2所示,水的流速为1.5m/s时,解调信号随时间变化如图3所示,由图可
知水的流速会影响解调信号的频率。

实施例2

一、一种基于干涉型光纤传感的水管流速测量装置,具体结构同实施例1。

其中,所述传感光纤长度为0.5米。所述的参考光纤长度也为0.5米,由硅胶材料及
钢管对参考光纤进行封装。

二、一种对水管中水的流速进行测量的光纤传感的传感方法,具体步骤同实施例
1。

本实施例中,传感光纤与参考光纤长度均为0.5m,水管中水的流速为0.5m/s时,解
调信号随时间变化如图4所示,水的流速为1.5m/s时,解调信号随时间变化如图5所示,由图
可知水的流速会影响解调信号的频率。与实施例1中相比,光纤长度不同,水的流速对解调
信号的频率的影响程度不同。

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