一种基于双向光路的光纤热线式风速仪及其制备方法和测量系统

本发明涉及光纤传感技术，尤其涉及一种基于双向光路的光纤热线式风速仪及其制备方法和测量系统。

背景技术：

1、流速、流量的测量在石油、化工、医药、能源计量、环境监测等工业生产过程中占据着举足轻重的地位。传统的机械式流速、流量传感器测量误差大、精度低，而基于超声波、电磁波原理的流速仪虽测量精度较高，但成本高且易受电磁干扰。随着光纤技术的发展，光纤传感器因其具有灵敏度高、抗电磁干扰、耐高压耐高温、在易燃易爆环境下安全可靠、便于远距离测量等突出优点，受到了广泛关注。

2、光纤热线式风速仪是光纤传感器在流速测量领域的重要应用之一。它通常采用泵浦光加热镀覆在光纤光栅表面的金属膜（如金膜、银膜），金属膜吸收泵浦光能量后发热，使光纤光栅的温度升高；当气流经过光纤光栅时，散热率随风速增加而增大，光纤光栅的温度降低，光纤光栅的中心波长发生漂移；风速越大，波长漂移量越大，通过检测波长漂移量即可测得风速。

3、如公开号为cn103791957a的中国专利公开了一种基于镀金属膜长周期光纤光栅的光纤流量传感器。该传感器包括一段普通单模光纤，其纤芯中写入有长周期光纤光栅a和长周期光纤光栅b，长周期光纤光栅b所在光纤的包层表面镀有一层金属薄膜。泵浦光从长周期光纤光栅a段的光纤自由端注入，经过长周期光纤光栅a时，激光的绝大部分能量被耦合到光纤包层中去；被耦合入包层的泵浦光在长周期光纤光栅b处被金属膜吸收并释放热量，使光栅区形成特定的温度场。当流体流过时，流速越大带走的热量越多，光栅区的温度越低。

4、然而，受限于长周期光纤光栅等耦合结构的耦合效率，泵浦光从纤芯耦合进包层的比例较低，对金属膜的加热效果有限，影响了测量灵敏度。而探测光与泵浦光在同一光纤中传输，其实际上也会被耦合结构从纤芯耦合进包层中，如果一味提高耦合结构的耦合效率的话，会导致纤芯中探测光的光强过低，同样会影响测量灵敏度。另外，泵浦光作为高功率光源，其在纤芯中残余的光信号容易对探测光产生干扰，影响测量精度和稳定性。

技术实现思路

1、为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种基于双向光路的光纤热线式风速仪，其采用双向光路设计，探测光和泵浦光在不同光纤中传输，从根本上解决光路干扰问题，并在此基础上通过中间扩束光纤提高泵浦光的耦合效率，以提高测量灵敏度和测量精度。

2、本发明提供还提供上述光纤热线式风速仪的制备方法和测量系统。

3、本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

4、一种基于双向光路的光纤热线式风速仪，包括沿轴向依次对准连接的探测端光纤、中间扩束光纤和泵浦端光纤，

5、所述探测端光纤用于输入探测光和输出反射光，其包括探测端纤芯和探测端包层，所述探测端包层环绕在所述探测端纤芯的外表面上；所述探测端纤芯内刻写有传感光栅，所述传感光栅用于反射所述探测光而形成所述反射光；所述探测端包层的外表面在对应于所述传感光栅的区域处镀覆有光热转换膜；

6、所述泵浦端光纤用于输入泵浦光，其包括泵浦端纤芯和泵浦端包层，所述泵浦端包层环绕在所述泵浦端纤芯的外表面上；

7、所述中间扩束光纤用于对从所述泵浦端纤芯出射的泵浦光进行扩束，并将扩束后的泵浦光耦合进所述探测端包层中，以使所述光热转换膜吸收所述探测端包层中的泵浦光而对所述传感光栅进行加热。

8、进一步的，所述中间扩束光纤采用无芯光纤或渐变折射率光纤。

9、进一步的，所述中间扩束光纤采用渐变折射率光纤、且其长度为(2n+1)/4节距，其中，n为自然数，所述节距为所述泵浦光在所述渐变折射率光纤内沿正弦路径传播一个完整周期的长度。

10、进一步的，所述探测端光纤、中间扩束光纤和泵浦端光纤，三者之间直径相同；

11、当所述中间扩束光纤采用所述渐变折射率光纤时，所述中间扩束光纤包括中间纤芯和中间包层，所述中间包层环绕在所述中间纤芯的外表面上；所述中间纤芯的直径大于所述探测端纤芯和泵浦端纤芯的直径、但小于所述探测端包层和泵浦端包层的外径。

12、进一步的，所述探测端光纤和泵浦端光纤均采用单模光纤。

13、进一步的，所述光热转换膜的材料为金、银或碳纳米管，其厚度为30~70nm。

14、进一步的，所述探测端纤芯内还刻写有反射光栅，所述反射光栅位于所述传感光栅靠近所述中间扩束光纤的一侧外且避开所述光热转换膜的镀覆区域；所述反射光栅的中心波长与所述泵浦光的光波长相匹配，用于将耦合进所述探测端纤芯内的残余泵浦光原路反射回去。

15、进一步的，所述反射光栅的中心波长位于所述传感光栅的工作波段外。

16、如上述的光纤热线式风速仪的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

17、步骤1：提供所述探测端光纤、中间扩束光纤和泵浦端光纤，并将所述探测端光纤、中间扩束光纤和泵浦端光纤沿轴向依次对准连接；

18、步骤2：采用飞秒激光在所述探测端光纤的探测端纤芯内刻写所述传感光栅；

19、步骤3：在所述探测端光纤对应于所述传感光栅的区域处，将所述光热转换膜镀覆于所述探测端包层的外表面上。

20、一种测量系统，包括上述的光纤热线式风速仪，以及

21、泵浦光源，与所述光纤热线式风速仪的泵浦端光纤相连接，用于向所述泵浦端光纤内输入所述泵浦光；

22、宽带光源、波长解调仪和光纤环形器，所述宽带光源和波长解调仪通过所述光纤环形器分别与所述光纤热线式风速仪的探测端光纤相连接；所述宽带光源用于通过所述光纤环形器向所述探测端光纤内输入所述探测光；所述波长解调仪用于通过所述光纤环形器接收所述探测端光纤输出的反射光，以获得所述传感光栅的反射光谱；

23、数据处理装置，与所述波长解调仪相连接，用于根据所述传感光栅在待测流体流动前后处于热平衡状态时的反射光谱，解析得到所述待测流体的流速。

24、本发明具有如下有益效果：本发明的光纤热线式风速仪通过所述探测端光纤输入所述探测光以及输出所述传感光栅的反射光，通过所述泵浦端光纤输入所述泵浦光，以形成双向光路结构，并通过所述中间扩束光纤对所述泵浦光进行扩束，使所述泵浦光扩束后的光斑直径远大于所述探测端光纤的纤芯直径，其大部分能量自然耦合进入所述探测端光纤的探测端包层中，并被所述光热转换膜吸收转化为热量后对所述传感光栅进行加热，不仅耦合效率远高于传统的长周期光纤光栅等耦合结构，而且所述探测光和泵浦光分别从所述探测端光纤和泵浦端光纤输入，两者之间互不干扰。

1.一种基于双向光路的光纤热线式风速仪，其特征在于，包括沿轴向依次对准连接的探测端光纤、中间扩束光纤和泵浦端光纤，

2.根据权利要求1所述的光纤热线式风速仪，其特征在于，所述中间扩束光纤采用无芯光纤或渐变折射率光纤。

3.根据权利要求1或2所述的光纤热线式风速仪，其特征在于，所述中间扩束光纤采用渐变折射率光纤、且其长度为(2n+1)/4节距，其中，n为自然数，所述节距为所述泵浦光在所述渐变折射率光纤内沿正弦路径传播一个完整周期的长度。

4.根据权利要求2所述的光纤热线式风速仪，其特征在于，所述探测端光纤、中间扩束光纤和泵浦端光纤，三者之间直径相同；

5.根据权利要求1所述的光纤热线式风速仪，其特征在于，所述探测端光纤和泵浦端光纤均采用单模光纤。

6.根据权利要求1所述的光纤热线式风速仪，其特征在于，所述光热转换膜的材料为金、银或碳纳米管，其厚度为30~70nm。

7.根据权利要求1所述的光纤热线式风速仪，其特征在于，所述探测端纤芯内还刻写有反射光栅，所述反射光栅位于所述传感光栅靠近所述中间扩束光纤的一侧外且避开所述光热转换膜的镀覆区域；所述反射光栅的中心波长与所述泵浦光的光波长相匹配，用于将耦合进所述探测端纤芯内的残余泵浦光原路反射回去。

8.根据权利要求6所述的光纤热线式风速仪，其特征在于，所述反射光栅的中心波长位于所述传感光栅的工作波段外。

9.如权利要求1所述的光纤热线式风速仪的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

10.一种测量系统，其特征在于，包括权利要求1所述的光纤热线式风速仪，以及