一种基于浮动光学式壁面剪切应力传感器的光路优化方法与流程

本发明涉及浮动光学式壁面剪切应力传感器，尤其涉及一种浮动光学式壁面剪切应力传感器及其实现的壁面剪切应力测量方法。

背景技术：

1、浮动元件壁面剪切应力传感器中浮动元件是悬浮的，当流体在器件上流动时，折叠系绳的构造可使浮动元件沿流体流动的方向移动，同时保持与待测壁面平行。在壁面剪切应力的作用下，折叠系绳发生弹性形变，可移动浮动元件结构产生的位移与壁面剪切应力大小直接相关，由位移的变化量可计算出相应的壁面剪切应力大小。

2、现有技术中，早期的电容式和压阻式浮动元件壁面剪切应力传感器方案虽有应用，但存在固有局限，主要体现在高精度、高频响以及极端环境(如高温、强电磁干扰)下遇到的瓶颈。因此，亟需研究浮动光学式传感器以解决上述问题。

技术实现思路

1、鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种浮动光学式壁面剪切应力传感器及其实现的壁面剪切应力测量方法，用以解决现有浮动元件壁面剪切应力传感器在高温、强电磁干扰环境下测量精度降低的问题。

2、一方面，本发明实施例提供了一种浮动光学式壁面剪切应力传感器，包括：浮动元件、下支撑基板、可动光栅、固定光栅、第一光信号传输单元和第二光信号传输单元；

3、所述下支撑基板采用高透光材质；

4、所述可动光栅与浮动元件下表面固连；所述固定光栅与下支撑基板上表面固连；

5、所述可动光栅包括第一组可动光栅、第二组可动光栅；所述固定光栅包括第一组固定光栅、第二组固定光栅；

6、所述第一组可动光栅和第一组固定光栅中光栅数量相同，且第一组可动光栅和第一组固定光栅交错排列；

7、所述第二组可动光栅和第二组固定光栅中光栅数量相同，且第二组可动光栅和第二组固定光栅交错排列；

8、第一光信号传输单元和第二光信号传输单元位于所述下支撑基板下表面，分别用于接收第一组固定光栅、第二组固定光栅反射的光通量。

9、进一步的，所述第一组可动光栅、第一组固定光栅、第二组可动光栅第二组固定光栅中的相邻光栅间距相同、各光栅宽度相等；第一组可动光栅相对于第一组固定光栅在水平方向上向右错开第一距离；第二组可动光栅相对于第二组固定光栅在水平方向上向左错开第一距离；所述第一距离小于每个光栅宽度。

10、进一步的，还包括：参考光信号传输单元；

11、参考光信号传输单元用于接收第一组固定光栅与第二组固定光栅的最靠近下支撑基板中部的一个光栅反射的光通量。

12、进一步的，所述下支撑基板采用耐热玻璃支撑基板。

13、进一步的，还包括：信号处理单元；所述信号处理单元用于将各光信号传输单元传输的反射光通量进行处理生成电信号；

14、所述电信号用于反应浮动光学式壁面剪切应力传感器测量到的壁面剪切应力值大小。

15、进一步的，所述第一光信号传输单元、第二光信号传输单元、参考光信号传输单元均采用光纤；所述光纤一端与下支撑基板固连，另一端连接至信号处理单元信号输入端。

16、进一步的，所述可动光栅、固定光栅均采用铝光学光栅。

17、另一方面，本发明实施例还提供了一种所述浮动光学式壁面剪切应力传感器壁面剪切应力测量方法，包括：

18、将光源分别传送至第一光信号传输单元和第二光信号传输单元，由可动光栅、固定光栅分别将入射光反射回至第一光信号传输单元和第二光信号传输单元；

19、第一光信号传输单元和第二光信号传输单元将所述反射光信号传输至信号处理单元；

20、信号处理单元将基于两路反射光信号生成的差分光信号转化为第一电信号；所述第一电信号的强度用于反应壁面剪切应力大小。

21、进一步的，所述方法还包括：

22、将光源传送至第一光信号传输单元和第二光信号传输单元的同时，传输至参考光信号传输单元；

23、参考光信号传输单元将接收到的反射光信号传输至信号处理单元；

24、信号处理单元基于第一光信号传输单元和第二光信号传输单元获取的差分光信号与参考光信号传输单元反射光信号做商获取第二电信号，所述第二电信号的强度用于反应壁面剪切应力大小。

25、进一步的，采用如下公式获取壁面剪切应力的大小：

26、

27、其中，τ′w为壁面剪切应力的大小，k1为壁面剪切应力与所述第一、第二光信号传输单元获取的差分光信号与参考光信号传输单元反射光信号做商得到结果的比例系数；m1为第一光信号传输单元接收到的反射光通量，m2为第二光信号传输单元接收到的反射光通量，m3为参考光信号传输单元接收到的反射光通量。

28、与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

29、1、本发明一种浮动光学式壁面剪切应力传感器，包括：浮动元件、下支撑基板、可动光栅、固定光栅、第一光信号传输单元和第二光信号传输单元；所述下支撑基板采用高透光材质；所述可动光栅与浮动元件下表面固连；所述固定光栅与下支撑基板上表面固连；所述可动光栅包括第一组可动光栅、第二组可动光栅；所述固定光栅包括第一组固定光栅、第二组固定光栅；所述第一组可动光栅和第一组固定光栅中光栅数量相同，且第一组可动光栅和第一组固定光栅交错排列；所述第二组可动光栅和第二组固定光栅中光栅数量相同，且第二组可动光栅和第二组固定光栅交错排列；第一光信号传输单元和第二光信号传输单元位于所述下支撑基板下表面，分别用于接收第一组固定光栅、第二组固定光栅反射的光通量。第一光信号传输单元和第二光信号传输单元将所述反射光信号传输至信号处理单元；信号处理单元将基于两路反射光信号生成的差分光信号转化为第一电信号；所述第一电信号的强度用于反应壁面剪切应力大小。该浮动光学式壁面剪切应力传感器主体部分不包含电子元器件，管芯无电连接，不受电磁干扰和温度效应的影响，测量稳定度。

30、2、本发明所述第一组可动光栅、第一组固定光栅、第二组可动光栅、第二组固定光栅中的相邻光栅间距相同、各光栅宽度相等；第一组可动光栅相对于第一组固定光栅在水平方向上向右错开第一距离；第二组可动光栅相对于第二组固定光栅在水平方向上向左错开第一距离；所述第一距离小于每个光栅宽度。在浮动元件发生微小位移的情况下，第一光信号传输单元和第二光信号传输单元的接收到的光通量的差会随着浮动元件位移的增大而增大。信号处理单元将基于两路反射光信号生成的差分光信号转化为第一电信号；所述第一电信号的强度用于反应壁面剪切应力大小。该浮动光学式壁面剪切应力传感器测得的电信号大小与浮动元件收到的外界微小力变化趋势一致，为加入参考光信号传输单元的浮动光学式壁面剪切应力传感器进一步提高测量精度打下了良好的基础。

31、3、本发明一种浮动光学式壁面剪切应力传感器，还包括：参考光信号传输单元；参考光信号传输单元用于接收第一组固定光栅与第二组固定光栅的最靠近下支撑基板中部的一个光栅反射的光通量。将光源传送至第一光信号传输单元和第二光信号传输单元的同时，传输至参考光信号传输单元；参考光信号传输单元将接收到的反射光信号传输至信号处理单元；信号处理单元基于第一光信号传输单元和第二光信号传输单元获取的差分光信号与参考光信号传输单元反射光信号做商获取第二电信号，所述第二电信号的强度用于反应壁面剪切应力大小。第二电信号的强度只与光栅反射面积有关，从理论上消除了光源波动、光路随机弯折以及温度变化带来的干扰和误差，进一步提高了浮动光学式壁面剪切应力传感器的测量精度和稳定性。

32、本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。