1.本发明涉及一种用于监测管道流体流速的光纤传感器，属于测量技术领域。
背景技术：2.管道运输是与铁路、公路、水路和航空并列的五大运输行业之一，对我国经济发展起到重要的作用。在能源缺乏的国际环境中，国际油气贸易有效的提高了能源利用率。管道流量计量问题是油气贸易的关键，精准的计量可减少贸易争端。因此，对管道流体流量和流速进行监测是十分必要的。管道输送的介质以煤油、石油和天然气为主，光纤传感器具有耐腐蚀、灵敏度高、可实现实时监测等优点，可以用于监测管道流体流速。
3.目前，对管道内流体流速的测量方法有皮托管测速技术、流量计测速技术、热线测速技术、激光多普勒测速技术等。其中，皮托管测速技术通过测量某点处的线速度从而得出管道横截面的流体流速；热线测速技术根据温度差进行流速测量；激光多普勒测速技术通过测量激光探头示踪粒子的多普勒信号得到流体速度；流量计测速技术根据压差进行流速测量，常用的流量计有差压式、超声波式和涡街式等，其中差压式流量计对测量环境要求较高，测量结果精度较低；超声波式流量计存在结构复杂和维护费用高的缺点。
4.近年来，随着中国对能源需求的增加，对管道流体流速监测技术提出了更高的要求。光纤传感器具有体积小、灵敏度高、抗电磁干扰、小巧轻便等优点，在测量技术领域中引起了高度重视。与传统的测量方法相比，具有成本低、安装便捷、精确度高和可实现实时监测等优点。
5.因此，针对管道流体流速监测，提供一种灵敏度高、精确度高和耐腐蚀的光纤传感器是十分必要的，实现对管道流速均匀性的控制，从而保障管道运输的安全性、可靠性和稳定性。
技术实现要素：6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于监测管道内流体流速的光纤传感器，其目的是对管道内流体流速进行实时监测，从而实现对管道内流体流速的控制。
7.本发明的技术方案：
8.一种用于监测管道流体流速的光纤传感器包括光纤1、光纤保护铠甲2、光纤固定卡箍3、金属垫块4、陶瓷杆件5、陶瓷薄片6、弹簧顶座7、弹簧8、弹簧底座9、反射镜面10、空心圆筒11、陶瓷外壳12、陶瓷圈13、轴承14。
9.设计方案一：
10.所述的光纤保护铠甲2用来保护光纤1；
11.所述的光纤1通过光纤固定卡箍3固定于空心圆筒11顶端，光纤固定卡箍3与空心圆筒11的轴线角度和反射镜面10的倾斜角一致，这样使得光纤1端头在空心圆筒11转动过程中始终与金属垫块4上的反射镜面10保持垂直。光纤1的初始位置位于空心圆筒11的上表面反射镜面10的圆周外侧，且与空心圆筒11保持一定的距离；
12.所述的光纤1和反射镜面10形成法珀腔，组成了一个法珀光纤传感单元，当陶瓷薄片6随着流体流向发生转动，带动空心圆筒11随之发生转动，进一步引起光纤1端面和反射镜面10的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变；
13.所述的金属垫块4固定于空心圆筒11顶端，金属垫块4的底面弧形边长是空心圆筒圆周的1/4,宽度为空心圆筒11半径的1/2；
14.所述的反射镜面10可以对金属垫块4进行打磨抛光制成，也可以在金属垫块4表面进行离子溅射金属镀膜形成；
15.所述的轴承14用来支撑并传动空心圆筒11；
16.所述的弹簧顶座7固定于空心圆筒11的筒壁，弹簧底座9固定于陶瓷外壳12；
17.所述的陶瓷杆件5一端固定于空心圆筒11，一端连接陶瓷薄片6；
18.所述的陶瓷外壳12在圆筒中部绕圆周方向有一个切口，切口长度为陶瓷外壳12横截面总周长的1/4，切口的宽度与陶瓷杆件5的直径相等；
19.所述的陶瓷圈13位于陶瓷外壳12的凹槽内，与陶瓷杆件5在相交处连接，凹槽环绕陶瓷外壳12一周，陶瓷圈13的宽度大于切口的宽度；
20.所述的陶瓷薄片6、陶瓷杆件5和陶瓷圈13为流速感应单元，流速感应单元和陶瓷外壳12使整个监测装置密封，保护了光纤法珀干涉仪；
21.所述的弹簧8初始封装时处于自然状态，弹簧8的刚度可以根据所需灵敏度进行调整；
22.所述的陶瓷圈13随着陶瓷薄片6的转动在凹槽内自由滑动，同时空心圆筒11在轴承14上发生滑动，陶瓷薄片6的最大旋转角度为90
°
；
23.所述的空心圆筒11、陶瓷外壳12和陶瓷圈13同心同轴；
24.所述的金属垫块4的弧度和空心圆筒11横截面圆周弧度一致。
25.设计方案2与设计方案1相比具有以下不同：
26.所述的光纤1和光纤保护铠甲2穿过空心圆筒11，光纤1与金属垫块4的反射镜面10形成法珀腔，光纤1位于金属垫块4的圆周外侧下方；
27.所述的金属垫块4位于空心圆筒11的圆周外侧上方，底座固定于陶瓷外壳12顶端内侧。
28.本发明的工作原理：
29.本发明的陶瓷薄片6、陶瓷杆件5和陶瓷圈13为传感器的流速感应单元。当流体流经传感器时，陶瓷薄片6沿切口方向旋转，带动陶瓷圈13在凹槽内滑动，轴承14传动空心圆筒11和金属垫块4，反射镜面10和光纤1之间形成的法珀腔长度发生变化，该过程装置保持密封状态。通过观察光谱仪中光谱的变化，确定某一时刻的法珀腔腔长，运用几何关系、力的平衡关系以及流体阻力和相对速度的关系实现对管道内流体流速的监测。
30.本发明的核心原理是法布里-珀罗干涉仪光纤传感器工作原理。入射光在光纤1中传输，经过光纤1与空间的第一反射面和空间与反射面的第二反射面后返回光纤1。干涉信号i表示为：
[0031][0032]
式中，i1和i2分别为两反射面输入反射光的光强；n为中间介质(空气)折射率；δ为
法珀干涉腔腔长；λ为波长；为两束反射光的相位差。
[0033]
管道内流体流经传感器时，对陶瓷薄片6产生推力，使陶瓷薄片6旋转角度为θ，反射镜面10相对光纤1转动弦长b为：
[0034][0035]
式中，r为光纤1端头至空心圆筒11轴心的距离。假设光纤1的初始位置与反射镜面10初始间距(初始腔长)为δ0，法珀腔腔长δδ和旋转角度θ之间的关系为：
[0036][0037]
式中，α为反射镜面10与水平方向的夹角，即金属垫块4的倾斜角。空心圆筒11转动时弹簧所产生的内力f为：
[0038]
f＝k
·
δ(4)
[0039][0040]
式中，k为弹簧刚度系数，δ为弹簧长度变化量，r2为陶瓷外壳12横截面的半径，r1为空心圆筒11横截面的半径。根据弹簧内力和作用在陶瓷薄片6的流体阻力f的力矩平衡条件：
[0041]
rf＝r1f(6)
[0042]
式中，r为陶瓷薄片6形心至空心圆筒11轴心的距离(即陶瓷薄片6的旋转半径)，f为陶瓷薄片6收到的流体阻力。陶瓷薄片6和流体发生相对运动时，陶瓷薄片6受到流体阻力f和相对速度v的关系为：
[0043][0044]
式中，a为陶瓷薄片6的面积，ρ为流体的密度；c为阻力系数。
[0045]
通过监测法珀腔长δδ的变化得出陶瓷薄片6转动的角度θ，由于反射镜面10相对光纤1的旋转半径r、空心圆筒11横截面的半径r1和陶瓷外壳12横截面的半径r2是已知的，因此可以求出反射镜面10相对光纤1转动弦长b和弹簧长度变化量δ。根据力的平衡关系和流体阻力f与相对速度v的关系，求出陶瓷薄片6所受流体阻力f和相对应的流体线性速度，从而实现对管道内流体流速的实时监测。
[0046]
本发明相对于现有技术具有以下有益效果：
[0047]
(1)本发明通过监测法珀光纤传感器腔长的变化量，实现对管道内流体流速的实时监测；
[0048]
(2)本发明采用光纤传感技术，灵敏度和精确度较高，可实现更加精准的测量；
[0049]
(3)本发明适用于长距离管道的流体流速监测，具有抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，使用寿命长，节省维护成本；
[0050]
(4)本发明可以通过改变弹簧扭转刚度、陶瓷薄片旋转半径和刚垫块与水平方向的夹角来满足实际工程所需灵敏度；
[0051]
(5)本发明结构简单，易于安装，适用性强，具有广阔的应用前景和推广市场。
附图说明
[0052]
图1为本发明用于监测管道内部流体流速光纤传感器的两种结构示意图；
[0053]
图2为两种用于监测管道内部流体流速光纤传感器的a-a截面剖视图；
[0054]
图3为两种用于监测管道内部流体流速光纤传感器的b-b截面剖视图；
[0055]
图4为两种用于监测管道内部流体流速光纤传感器的光纤传感单元；
[0056]
图5为本发明应用于实际管道内部流体流速监测的放置示意图。
[0057]
图中：光纤1、光纤保护铠甲2、光纤固定卡箍3、金属垫块4、陶瓷杆件5、陶瓷薄片6、弹簧顶座7、弹簧8、弹簧底座9、反射镜面10、空心圆筒11、陶瓷外壳12、陶瓷圈13、轴承14。
具体实施方式
[0058]
以下将结合附图，对用于监测管道流体流速的光纤传感器装置具体实施方式进行说明。
[0059]
如图1～5所示，本发明提供了一种用于监测管道流体流速的光纤传感器包括光纤1、光纤保护铠甲2、光纤固定卡箍3、金属垫块4、陶瓷杆件5、陶瓷薄片6、弹簧顶座7、弹簧8、弹簧底座9、反射镜面10、空心圆筒11、陶瓷外壳12、陶瓷圈13、轴承14。
[0060]
针对设计方案一：
[0061]
所述的光纤保护铠甲2用来保护光纤1；
[0062]
所述的光纤1通过光纤固定卡箍3固定于空心圆筒11顶端，光纤固定卡箍3与空心圆筒11的轴线角度和反射镜面10的倾斜角一致，这样使得光纤1端头在空心圆筒11转动过程中始终与金属垫块4上的反射镜面10保持垂直。光纤1的初始位置位于空心圆筒11的上表面反射镜面10的圆周外侧，且与空心圆筒11保持一定的距离；
[0063]
所述的光纤1和反射镜面10形成法珀腔，组成了一个法珀光纤传感单元，当陶瓷薄片6随着流体流向发生转动，带动空心圆筒11随之发生转动，进一步引起光纤1端面和反射镜面10的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变；
[0064]
所述的金属垫块4固定于空心圆筒11顶端，金属垫块4的底面弧形边长是空心圆筒圆周的1/4,宽度为空心圆筒11半径的1/2；
[0065]
所述的反射镜面10可以对金属垫块4进行打磨抛光制成，也可以在金属垫块4表面进行离子溅射金属镀膜形成；
[0066]
所述的轴承14用来支撑并传动空心圆筒11；
[0067]
所述的弹簧顶座7固定于空心圆筒11的筒壁，弹簧底座9固定于陶瓷外壳12；
[0068]
所述的陶瓷杆件5一端固定于空心圆筒11，一端连接陶瓷薄片6；
[0069]
所述的陶瓷外壳12在圆筒中部绕圆周方向有一个切口，切口长度为陶瓷外壳12横截面总周长的1/4，切口的宽度与陶瓷杆件5的直径相等；
[0070]
所述的陶瓷圈13位于陶瓷外壳12的凹槽内，与陶瓷杆件5在相交处连接，凹槽环绕陶瓷外壳12一周，陶瓷圈13的宽度大于切口的宽度；
[0071]
所述的陶瓷薄片6、陶瓷杆件5和陶瓷圈13为流速感应单元，流速感应单元和陶瓷外壳12使整个监测装置密封，保护了光纤法珀干涉仪；
[0072]
所述的弹簧8初始封装时处于自然状态，弹簧8的刚度可以根据所需灵敏度进行调整；
[0073]
所述的陶瓷圈13随着陶瓷薄片6的转动在凹槽内自由滑动，同时空心圆筒11在轴承14上发生滑动，陶瓷薄片6的最大旋转角度为90
°
；
[0074]
所述的空心圆筒11、陶瓷外壳12和陶瓷圈13同心同轴；
[0075]
所述的金属垫块4的弧度和空心圆筒11横截面圆周弧度一致。
[0076]
设计方案2与设计方案1相比具有以下不同：
[0077]
所述的光纤1和光纤保护铠甲2穿过空心圆筒11，光纤1与金属垫块4的反射镜面10形成法珀腔，光纤1位于金属垫块4的圆周外侧下方；
[0078]
所述的金属垫块4位于空心圆筒11的圆周外侧上方，底座固定于陶瓷外壳12顶端内侧。
[0079]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
技术特征：1.一种用于监测管道流体流速的光纤传感器，其特征在于，所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器包括光纤(1)、光纤保护铠甲(2)、光纤固定卡箍(3)、金属垫块(4)、陶瓷杆件(5)、陶瓷薄片(6)、弹簧顶座(7)、弹簧(8)、弹簧底座(9)、反射镜面(10)、空心圆筒(11)、陶瓷外壳(12)、陶瓷圈(13)、轴承(14)；所述的光纤保护铠甲(2)用来保护光纤(1)；所述的弹簧顶座(7)固定于空心圆筒(11)的筒壁，弹簧底座(9)固定于陶瓷外壳(12)，空心圆筒(11)、陶瓷外壳(12)和陶瓷圈(13)同心同轴；所述的陶瓷杆件(5)一端固定于空心圆筒(11)，一端连接陶瓷薄片(6)；所述的轴承(14)用来支撑并传动空心圆筒(11)；所述的金属垫块(4)弧度和空心圆筒(11)横截面圆周弧度一致；所述的弹簧(8)初始封装时处于自然状态。2.根据权利要求1所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤(1)通过光纤固定卡箍(3)固定于空心圆筒(11)顶端，光纤固定卡箍(3)与空心圆筒(11)的轴线角度和反射镜面(10)的倾斜角一致，这样使得光纤(1)端头在空心圆筒(11)转动过程中始终与反射镜面(10)保持垂直，光纤(1)的初始位置位于空心圆筒(11)的上表面反射镜面(10)的圆周外侧，且与空心圆筒(11)保持一定的距离。3.根据权利要求1或2所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器，其特征在于，所述的光纤(1)和反射镜面(10)形成法珀腔，组成了一个法珀光纤传感单元，当陶瓷薄片(6)随着流体流向发生转动，带动空心圆筒(11)随之发生转动，进一步引起光纤(1)端面和反射镜面(10)的间距即法珀腔的腔长发生相应的改变，反射镜面(10)可以对金属垫块(4)进行打磨抛光制成，也可以在金属垫块(4)表面进行离子溅射金属镀膜形成。4.根据权利要求1或2所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器，其特征在于，所述的金属垫块(4)固定于空心圆筒(11)顶端，金属垫块(4)的底面弧形边长是空心圆筒(11)圆周的1/4，宽度为空心圆筒(11)的1/2。5.根据权利要求1所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器，其特征在于，所述的陶瓷外壳(12)在圆筒中部绕圆周方向有一个切口，切口长度为陶瓷外壳(12)横截面总周长的1/4，切口的宽度与陶瓷杆件(5)的直径相等。6.根据权利要求1或5所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器，其特征在于，所述的陶瓷圈(13)位于陶瓷外壳(12)的凹槽内，与陶瓷杆件(5)在相交处连接，凹槽环绕陶瓷外壳(12)一周，陶瓷圈(13)的宽度大于切口的宽度。7.根据权利要求1或5所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器，其特征在于，所述的陶瓷薄片(6)、陶瓷杆件(5)和陶瓷圈(13)为流速感应单元，流速感应单元和陶瓷外壳(12)使整个装置密封。8.根据权利要求1或2所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器，其特征在于，所述的陶瓷圈(13)随着陶瓷薄片(6)的转动在凹槽内自由滑动，同时空心圆筒(11)在轴承(14)上发生滑动，陶瓷薄片(6)的最大旋转角度为90
°
。9.根据权利要求1所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器，其特征在于，所述的弹簧(8)刚度、陶瓷薄片(6)旋转半径和金属垫块(4)与水平方向的夹角可根据所需灵敏度进行调整。
10.根据权利要求1或2所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器，其特征在于，所述的金属垫块(4)位于空心圆筒(11)的圆周外侧上方，底座焊接于陶瓷外壳(12)顶端。
技术总结本发明提供了一种用于监测管道流体流速的光纤传感器，属于测量技术领域。所述的用于监测管道流体流速的光纤传感器包括光纤、光纤保护铠甲、光纤固定卡箍、金属垫块、陶瓷杆件、陶瓷薄片、弹簧顶座、弹簧、弹簧底座、反射镜面、空心圆筒、陶瓷外壳、陶瓷圈、轴承。该装置通过观察光谱仪中光谱的变化，运用法珀光纤干涉原理、流体流经传感器产生的力与弹簧产生内力等效的原理以及流体阻力与相对速度的关系，实现对管道内流体流速的实时监测，从而保证管道运输的安全性与稳定性。本发明人工成本低，操作简单，覆盖范围广，具有广阔的应用前景和推广市场。市场。市场。
技术研发人员：权利要求书2页说明书5页附图5页
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：2021.09.22
技术公布日：2022/7/5
