高灵敏度光纤风速计研究

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风速计作为一种常见的测量仪器,在风力发电、工农业生产、气象监测以及医疗器械等多个领域发挥着重要的作用。近年来,光纤热式风速计因具有紧凑的结构、高灵敏度、抗电磁干扰和远距离测量的能力,已成为风速测量中的研究热点。目前,人们已经结合多种经典光纤传感结构实现了光纤热式风速计,如光纤光栅、光纤干涉仪等。虽然光纤热式风速计的性能在不断提高,但目前还存在一些关键技术问题亟待解决,如:大部分设计采用波长解调的方式测出风速,需要使用体积庞大且成本较高的光谱仪解调信号,限制了光纤热式风速计在实际中的应用;大多数设计采用温度灵敏度较低的石英光纤光栅作为传感元件,限制了测量灵敏度的提升;根据牛顿冷却定律,光纤热式风速计的灵敏度在高风速下极度降低,影响了测量性能。针对上述问题,本文分别提出了一种基于光纤光栅啁啾效应的强度解调型风速计和一种基于聚合物法珀干涉仪的高灵敏度光纤热式风速计,并进行了相关理论和实验研究。本文的主要研究内容如下:(1)研究了基于温度的光纤光栅带宽调谐原理,并结合传输矩阵法和Matlab编程对啁啾化光纤光栅的反射光谱特性、反射带宽和反射光功率进行了模拟和分析。(2)提出一种基于光纤光栅啁啾效应的强度解调型热式风速计,使用泵浦激光对长度为15 mm的FBG进行非均匀的加热后,使其产生了明显的啁啾效应,反射光功率发生变化,并由该现象进一步成功实现了使用光功率的风速测量。实验结果表明,该风速计具有1.087 pm/m W的带宽展宽率。在0 m/s到11 m/s的风速测量范围内,风速计的反射光功率共下降了19.77μW。在风速为0.1 m/s时,风速计灵敏度高达-28.60μW/(m·s-1)。平均响应时间分别约为0.3 s(风速从0.3 m/s变为7 m/s)和0.9 s(风速从7 m/s变为0.3 m/s)。(3)提出一种集成在单模光纤端面的光源加热型光纤风速计,利用对宽带光源具有吸收作用的紫外光固化胶在光纤端面上制作出法珀干涉仪作为风速计探头。宽带光源的光入射到探头后部分被吸收转换成热量使法珀干涉仪的温度升高,部分被反射回光谱仪用于风速测量。风速计在同时受到气流冷却以及风力的作用下,干涉光谱发生漂移。在0 m/s到7 m/s的风速测量范围内,风速计干涉光谱的波谷共漂移了-3.42 nm。在0.1 m/s的风速时,风速计灵敏度高达-3.13 nm/(m·s-1)。平均响应和恢复时间分别约为250,580 ms。由于聚合物法珀干涉仪还受到风力的作用,该风速计在7 m/s时仍可保持-0.26 nm/(m·s-1)的灵敏度。
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