基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量方法

1.本发明涉及光电传感领域，具体为一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤布拉格光栅的流速测量系统及其使用方法。


背景技术：

2.近些年来，光纤传感技术的发展突飞猛进，很快凭借其独特的优势成为传感技术领域的重要应用技术。尤其是光纤光栅传感器利用的是波长解调方法，不容易受光源功率强度变化和光波相位、频率、偏振态等的影响，从而能够实现对温度、应变等物理量的准确、稳定测量。在所有光纤光栅传感器中，光纤布拉格光栅具有良好的应变和温度灵敏度，且其反射率和反射带宽可经由改变写入方式及条件实现调节，一般具有较高的反射率和较窄的反射谱，因而被广泛应用。
3.流量是工业生产和现代生活的重要参数，广泛存在于科学研究、工农业生产、国防建设等领域。随着各领域对流量测量需求的日益增多，该类仪器受到广泛关注，出现了多种新型的流量测量仪器，从原理上可分为差压式流量计、容积式流量计、热线式流量计、超声式流量计、涡街式流量计等。与电学传感器相比，光纤传感器本身不带电，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、防水、灵敏度高、体积小、可嵌入等特点，容易组成光纤传感网络，可实现单纤多点和多参数传感，能够完成传统传感器很难甚至不可能完成的任务。
4.使用光纤光栅进行传感，传感信息是波长编码的，它的好处是可以避免光源功率波动、光路损耗等对测量结果的影响，因此如何对传感光栅的中心反射波长进行解调是光纤光栅传感技术中非常重要的一环。当前诸多流量测量着眼于管道等密闭条件下的小流量测量，针对开放环境中气流的流速检测鲜有报道，同时基于光纤布拉格光栅相位解调的振动传感系统往往系统比较复杂，系统中所需器件的经济成本较高，不适用于光栅检测网络的铺设和实际应用。


技术实现要素：

5.基于上述问题，本发明提出一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量方法，利用可变谐振式流速传感器将流速转化为振动，利用高反射率光纤布拉格光栅对振动信号进行传感，实现了测量开放环境中气流流速的功能，并且系统中宽带光源可用led灯进行代替，其他器件成本低廉，实现了以低成本、高灵敏度振动传感系统对流速的测量，解决了在流速测量领域对高成本振动传感系统的依赖。
6.本发明利用以下的技术方案来实现：
7.一种基于光纤光栅与非平衡马赫泽德干涉仪的流速测量系统，通过对振动信号采集和解调，实现了对流速的测量，其特征在于，该系统包括宽带光源(1)、隔离器(2)、光纤环形器(3)、光纤光栅传感器(4)、1
×
2光纤耦合器(5)、2
×
2光纤耦合器(6)、三端口光电探测器(7)、数据采集卡(8)、上位机控制系统(9)和可变谐振式流速传感器(10)；非平衡马赫泽德干涉仪(11)；
8.其中，所述宽带光源(1)的输出端连接至隔离器的输入端，所述隔离器(2)的输出端连接至光纤环形器的输入端(301)，所述光纤环形器(3)的第一输出端(302)连接至所述光栅传感器(4)，所述光栅传感器粘附在可变谐振式流速传感器(10)上，光纤环形器的第二输出端(303)连接至所述非平衡马赫泽德干涉仪(11)的输入端；非平衡马赫泽德干涉仪的输出端与所述三端口光电探测器(7)相连，所述三端口光电探测器(7)输出端连接至数据采集卡的信号采集模块(802)；数据采集卡的信号输出模块(801)连接至上位机控制系统(9)；
9.所述1
×
2光纤耦合器(5)与所述2
×
2光纤耦合器(6)通过熔接机熔接构成有固定臂长差的非平衡马赫泽德干涉仪(11)；
10.所述可变谐振式流速传感器(10)由pvc塑料管、弹簧底座和压力膜片构成，相对于其他光纤光栅振动测量系统，本测量系统成本低廉，适合大面积铺设应用。
11.利用一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统实现振动信号的解调，从而测量出流速的方法，该方法包括以下步骤：
12.步骤1、开启鼓风机使气流平行吹向可变谐振式流速传感器(10)入口，可变谐振式流速传感器的压力膜片受到风压影响使相连接的弹簧压缩，内部腔长发生变化，从而发出声音，将气流流速转化为有规律的振动信号；
13.步骤2、宽带光源(1)发出的光经过隔离器(2)后进入光纤环形器(3)，进入光纤环形器的光信号通过光纤光栅传感器(4)后的反射光携带振动信号经光纤环形器进入非平衡马赫泽德光纤干涉仪(11)，进入非平衡马赫泽德光纤干涉仪的光信号被1:1分为两路，一路通过信号臂，另一路通过参考臂；两路光信号经耦合器被分为1:1的两束进入三端口光电探测器(7)；
14.步骤3、利用三端口光电探测器把探测到的两路光信号进行光电转换后，数据采集卡(8)的数据信号采集模块(802)根据香农采样定律以大于待采集信号频率两倍的采集频率进行数据采集；
15.步骤4、数据信号输出模块(801)向上位机控制系统(9)输送数据采集信号；
16.步骤5、将数据采集信号送到上位机控制系统中的解调程序，所述解调程序采用非平衡马赫泽德光纤干涉解调算法进行处理；
17.步骤6、调控鼓风机使不同流速的气流吹向可变谐振式流速传感器(10)，重复以上步骤，将振动信号解调得到的频率与其流速一一对应，实现系统对流速的测量。
18.风压是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，根据伯努利方程得出的风速-风压关系，风的动压为：
19.wp＝0.5
·
ro
·
v2ꢀꢀꢀ
(1)
20.其中wp为风压[kn/m2]，ro为空气密度[kg/m2]，v为风速[m/s]；
[0021]
由于空气密度ro和重度r的关系为：
[0022]
r＝ro
·gꢀꢀꢀ
(2)
[0023]
故标准风压公式为：
[0024]
wp＝0.5
·r·
v2/g
ꢀꢀꢀ
(3)
[0025]
空气重度r和重力加速器g随纬度和海拔高度而变，一般来说，r/g在高原上要比在平原地区小，即同样的风速在相同的温度下，产生的风压在高原上比在平原地区小；
[0026]
可变谐振式流速传感器中的压力膜片受到的压力为：
[0027]fn
＝wp
·sꢀꢀꢀ
(4)
[0028]
其中s为垂直于气流方向的压力膜片的面积，弹簧在fn的作用下压缩，空气腔长度变化量：
[0029]
δx＝fn/k
ꢀꢀꢀ
(5)
[0030]
其中k为弹簧的劲度系数，劲度系数越小，可变谐振式流速传感器越灵敏。
[0031]
经解调后的振动信号在频谱中频谱幅值最大时对应的频率值为振动信号的振动频率；将得到的布拉格波长变化量通过低通滤波器后还原振动信号。
[0032]
通过对导致产生振动信号的流速进行标定或计算，使得流速与振动信号频率一一对应，实现系统对流速的测量。
[0033]
与现有流速测量方法相比，本发明具有以下优点：
[0034]
(1)基于光纤布拉格光栅的反射光波长变化对振动信号进行表征，光信号波长变化比光功率强度变化更加敏感，因此较基于光强的振动传感系统对振动信号的探测灵敏度更高；
[0035]
(2)宽带光源的光谱覆盖光栅反射谱反射峰的范围即可，对光栅传感器无过高要求，普通光纤光栅价格低廉，且系统中宽带光源可用led灯来代替，大大降低了系统的经济成本，更适合实际应用检测和大规模铺设；
[0036]
(3)可变谐振式流速传感器通过腔长变化将流速转化为振动，制作过程简单方便，依靠振动传感系统实现对流速的测量。系统解调算法简单高效，较为精确地解调还原振动信号。
附图说明
[0037]
图1为本发明的基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统结构示意图；
[0038]
图2为本发明的可变谐振式流速传感器示意图；
[0039]
图3为可变谐振式流速传感器腔长与谐振频率关系的仿真结果图；
[0040]
图4为非平衡马赫泽德干涉反余弦解调算法示意图；
[0041]
附图标记：
[0042]
1、宽带光源，2、隔离器，3、光纤环形器，4、光纤光栅传感器，5、1
×
2光纤耦合器，6、2
×
2光纤耦合器，7、三端口光电探测器，8、数据采集卡，9、上位机控制系统，10、可变谐振式流速传感器，11、非平衡马赫泽德干涉仪，301、光纤环形器的第一输入端，302、光纤环形器的第一输出端，303、光纤环形器的第二输出端，701、三端口光电探测器的第一输入端，702、三端口光电探测器的第二输入端，801、数据信号输出模块，802、数据信号采集模块。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。
[0044]
如图1所示，为本发明的基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统结构示意图。该系统分为光源模块、振动传感模块、信号采集和解调模块，具体包括了依序连接的宽带光源1、隔离器2、光纤环形器3、光纤光栅传感器4、1
×
2光纤耦合器5、2
×
2光纤耦合器6、三端口光电探测器7、数据采集卡8、上位机控制系统9、可变谐振式流速传感器10；1×
2光纤耦合器5与2
×
2光纤耦合器6通过熔接机熔接构成有固定臂长差的非平衡马赫泽德干涉仪11。
[0045]
该系统的光源模块主要由宽带光源1、隔离器2、光纤环形器3构成，宽带光源1的输出波长范围是1525nm～1565nm，功率为12mw，输出的宽带光先经过一个1550nm隔离器2后进入光纤环形器3。振动传感模块主要由光纤光栅传感器4、可变谐振式流速传感器10、非平衡马赫泽德干涉仪11构成。信号采集和解调模块主要由三端口光电探测器7、数据采集卡8、上位机控制系统9构成；其中，光纤光栅传感器把输入宽带光以中心反射波长的光反射。光纤光栅传感器粘附在可变谐振式流速传感器上，调控鼓风机在不同流速气流的作用下，可变谐振式流速传感器内部的压力膜片受到气流的压力不同，导致与膜片相连接的弹簧压缩长度不同，弹簧越长，腔长越短，腔内空气柱振动发声的频率越大。
[0046]
所述非平衡马赫泽德干涉仪的两臂，一条为传感臂l1，一条为参考臂l2，l1》l2，且两臂通过熔接有着固定的臂长差。当两臂的臂长差小于激光的相干长度时，经过两臂的光会在光纤耦合器处干涉。为了获得最佳的灵敏度和较好的线性度，在数据采集开始之前通过调节非平衡马赫泽德干涉仪的臂长差来调节干涉仪的初始相位差，使该系统处于最佳工作点处，即非平衡马赫泽德干涉仪两臂输出的光强相等的位置。
[0047]
系统所用光纤布拉格光栅4半高宽为0.2nm，反射率为94.390％，中心波长为1550.08nm。
[0048]
如图2所示可变谐振式流速传感器10为自行设计制作，由pvc塑料管和弹簧底座构成，pvc塑料管长30cm，内管径19.2mm，管壁宽2.5mm，一端开口，一端封闭。pvc塑料管开口端为气流入口，pvc塑料管封闭端与弹簧一端连接固定，弹簧另一端和圆形压力膜片相连。为了避免弹簧由于膜片的重力而接触到管壁影响实验结果，选用厚度0.5mm，直径18mm的塑料材质圆形片作为压力膜片。选用长10cm，线径0.8mm，外径12mm，50匝的弹簧，所用弹簧劲度系数k较小，可使可变谐振式流速传感器灵敏度更高。通过对可变谐振式流速传感器仿真分析，更改管径不但会显著改变谐振频率，还会改变阻尼和q值，即谐振频率峰值的宽度，更改管壁宽度也会对谐振频率产生轻微影响，因此pvc塑料管的长度、管径和管壁宽度在设计时是需要考虑的几个因素。
[0049]
如图3所示，为可变谐振式流速传感器不同腔长与其谐振频率关系的仿真结果图，结果表明可变谐振式流速传感器腔长越长，一阶谐振频率越小，谐振峰值的宽度越窄。
[0050]
本发明的基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统采用可变谐振式流速传感器将开放环境中气流的流速转化为振动信号，采用无源零差探测对被振动信号调制的反射光相位进行提取和处理，进一步得到反射光中心波长的变化。系统中可变谐振式流速传感器因为腔长的变化，使腔内空气柱的振动频率发生变化，将气流的流速转化为有规律的振动信号，宽带光源发出的光经隔离器后进入光纤环形器被光纤光栅传感器反射，被振动信号调制的反射光相位中包含待测振动信号以及其他噪声信号。反射光通过非平衡马赫泽德干涉仪进行干涉后被光纤耦合器分成1:1的两束光进入三端口光电探测器，经光电转换后被采集送入上位机控制系统作进一步信号处理，去除噪声信号，还原待测振动信号。
[0051]
利用一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统实现振动信号
的解调，从而测量出流速的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
[0052]
步骤1、开启鼓风机使气流平行吹向可变谐振式流速传感器(10)入口，可变谐振式流速传感器的压力膜片受到风压影响使相连接的弹簧压缩，内部腔长发生变化，从而发出声音，将气流流速转化为有规律的振动信号；
[0053]
步骤2、宽带光源(1)发出的光经过隔离器(2)后进入光纤环形器(5)，进入光纤环形器的光信号通过光纤光栅传感器(6)后的反射光携带振动信号经光纤环形器进入非平衡马赫泽德光纤干涉仪(11)，进入非平衡马赫泽德光纤干涉仪的光信号被1:1分为两路，一路通过信号臂，另一路通过参考臂；两路光信号经耦合器被分为1:1的两束进入三端口光电探测器(7)；
[0054]
步骤3、利用三端口光电探测器把探测到的两路光信号进行光电转换后，数据采集卡(8)的数据信号采集模块(802)根据香农采样定律，数据采集频率需大于待采集信号频率的两倍；通过上位机控制程序设定采集时间和采集频率对三端口光电探测器中的振动信号进行采集。采集时间越长，采集点数相应增加，对拍频信号的分辨率也相应变大。采集频率越高，则系统可检测的振动信号频率越高；
[0055]
步骤4、数据信号输出模块(801)向上位机控制系统(9)输送数据采集信号；
[0056]
步骤5、将数据采集信号送到解调程序，所述解调程序采用非平衡马赫泽德光纤干涉解调算法进行处理；
[0057]
步骤6、调控鼓风机使不同流速的气流吹向可变谐振式流速传感器(10)，重复以上步骤，将振动信号解调得到的频率与其流速一一对应，实现系统对流速的测量。
[0058]
如图4所示，为非平衡马赫泽德光纤干涉反余弦解调算法示意图。上位机控制系统的解调程序使用非平衡马赫泽德干涉反余弦解调算法，该算法具体包括以下步骤：对非平衡马赫泽德干涉仪的两路输出信号分别进行求差与求和，通过对求差结果和求和结果相除，去除掉信号中的直流项，保留包含有振动信号的交流项；对交流项进行反余弦得到非平衡马赫泽德传感臂和参考臂两路输出信号的相位差，通过对两路信号的相位差变化处理，进一步得到光纤布拉格光栅中心波长的变化，还原振动信号。
[0059]
风压是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，根据伯努利方程得出的风速-风压关系，风的动压为：
[0060]
wp＝0.5
·
ro
·
v2ꢀꢀꢀ
(1)
[0061]
其中wp为风压[kn/m2]，ro为空气密度[kg/m2]，v为风速[m/s]；
[0062]
由于空气密度ro和重度r的关系为：
[0063]
r＝ro
·gꢀꢀꢀ
(2)
[0064]
故标准风压公式为：
[0065]
wp＝0.5
·r·
v2/g
ꢀꢀꢀ
(3)
[0066]
空气重度r和重力加速器g随纬度和海拔高度而变，一般来说，r/g在高原上要比在平原地区小，即同样的风速在相同的温度下，产生的风压在高原上比在平原地区小；
[0067]
可变谐振式流速传感器中的压力膜片受到的压力为：
[0068]fn
＝wp
·sꢀꢀꢀ
(4)
[0069]
其中s为垂直于气流方向的压力膜片的面积，弹簧在fn的作用下压缩，空气腔长度变化量：
[0070]
δx＝fn/k
ꢀꢀꢀ
(5)
[0071]
其中k为弹簧的劲度系数，劲度系数越小，可变谐振式流速传感器越灵敏。
[0072]
经解调后的振动信号在频谱中频谱幅值最大时对应的频率值为振动信号的振动频率；将得到的布拉格波长变化量通过低通滤波器后还原振动信号。
[0073]
通过对导致产生振动信号的流速进行标定或计算，使得流速与振动信号频率一一对应，实现系统对流速的测量。
[0074]
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上述的具体实施方式，凡是本领域技术人员在本发明的基础上做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。

技术特征：
1.一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，通过对振动信号采集和解调，实现了对流速的测量，其特征在于，该系统包括宽带光源(1)、隔离器(2)、光纤环形器(3)、光纤光栅传感器(4)、1
×
2光纤耦合器(5)、2
×
2光纤耦合器(6)、三端口光电探测器(7)、数据采集卡(8)、上位机控制系统(9)和可变谐振式流速传感器(10)；非平衡马赫泽德干涉仪(11)；其中，所述宽带光源(1)的输出端连接至隔离器的输入端，所述隔离器(2)的输出端连接至光纤环形器的输入端(301)，所述光纤环形器(3)的第一输出端(302)连接至所述光栅传感器(4)，所述光栅传感器粘附在可变谐振式流速传感器(10)上，光纤环形器的第二输出端(303)连接至所述非平衡马赫泽德干涉仪(11)的输入端；非平衡马赫泽德干涉仪的输出端与所述三端口光电探测器(7)相连，所述三端口光电探测器(7)输出端连接至数据采集卡的信号采集模块(802)；数据采集卡的信号输出模块(801)连接至上位机控制系统(9)。2.根据权利要求1所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，其特征在于：所述宽带光源(1)可用led灯代替，相对于其他光纤光栅振动测量系统，本测量系统构成器件经济成本低廉，适合大面积铺设应用。3.根据权利要求1所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，其特征在于：所述光纤光栅传感器(4)为中心波长位于1550.08nm的光纤布拉格光栅传感器。4.根据权利要求1所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，其特征在于：所述可变谐振式流速传感器(10)由pvc塑料管、弹簧底座和压力膜片构成。5.根据权利要求1所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，其特征在于：所述1
×
2光纤耦合器(5)与所述2
×
2光纤耦合器(6)通过熔接机熔接构成有固定臂长差的非平衡马赫泽德干涉仪(11)，一条为传感臂，另一条为参考臂。6.根据权利要求1所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统实现振动信号的解调，从而测量出流速的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、开启鼓风机使气流平行吹向可变谐振式流速传感器(10)入口，可变谐振式流速传感器的压力膜片受到风压影响使相连接的弹簧压缩，内部腔长发生变化，从而发出声音，将气流流速转化为有规律的振动信号；步骤2、宽带光源(1)发出的光经过隔离器(2)后进入光纤环形器(3)，进入光纤环形器的光信号通过光纤光栅传感器(4)后的反射光携带振动信号经光纤环形器进入非平衡马赫泽德光纤干涉仪(11)，进入非平衡马赫泽德光纤干涉仪的光信号被1:1分为两路，一路通过信号臂，另一路通过参考臂；两路光信号经耦合器被分为1:1的两束进入三端口光电探测器(7)；步骤3、利用三端口光电探测器把探测到的两路光信号进行光电转换后，数据采集卡(8)的数据信号采集模块(802)根据香农采样定律以大于待采集信号频率两倍的采集频率进行数据采集；步骤4、数据信号输出模块(801)向上位机控制系统(9)输送数据采集信号；步骤5、将数据采集信号送到上位机控制系统中的解调程序，所述解调程序采用非平衡马赫泽德光纤干涉解调算法进行处理；步骤6、调控鼓风机使不同流速的气流吹向可变谐振式流速传感器(10)，重复以上步
骤，将振动信号解调得到的频率与其流速一一对应，实现系统对流速的测量。7.根据权利要求6所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统实现振动信号的解调，从而测量出流速的方法，其特征在于：风压是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力，根据伯努利方程得出的风速-风压关系，风的动压为：wp＝0.5
·
ro
·
v2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中wp为风压[kn/m2]，ro为空气密度[kg/m2]，v为风速[m/s]；由于空气密度ro和重度r的关系为：r＝ro
·
g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)故标准风压公式为：wp＝0.5
·
r
·
v2/g
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)空气重度r和重力加速器g随纬度和海拔高度而变，一般来说，r/g在高原上要比在平原地区小，即同样的风速在相同的温度下，产生的风压在高原上比在平原地区小；可变谐振式流速传感器中的压力膜片受到的压力为：f
n
＝wp
·
s
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)其中s为垂直于气流方向的压力膜片的面积，弹簧在f
n
的作用下压缩，空气腔长度变化量：δx＝f
n
/k
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)其中k为弹簧的劲度系数，劲度系数越小，可变谐振式流速传感器越灵敏。8.根据权利要求6所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统实现振动信号的解调，从而测量出流速的方法，其特征在于：经解调后的振动信号在频谱中频谱幅值最大时对应的频率值为振动信号的振动频率，将得到的布拉格波长变化量通过低通滤波器后还原振动信号。9.根据权利要求6所述的一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统实现振动信号的解调，从而测量出流速的方法，其特征在于：通过对导致产生振动信号的流速进行标定或计算，使得流速与振动信号频率一一对应，实现系统对流速的测量。

技术总结
本发明公开了一种基于非平衡马赫泽德干涉仪和光纤光栅的流速测量系统，包括宽带光源(1)、隔离器(2)、光纤环形器(3)、光纤光栅传感器(4)、1


技术研发人员：张学智 李泽宇 刘铁根 江俊峰 刘琨 孙浩楠 金嘉航 薄文鑫
受保护的技术使用者：天津大学
技术研发日：2022.05.23
技术公布日：2022/11/1