一种基于聚合物光波导的流速传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于聚合物光波导的流速传感器，属于流场传感器及其制造技术领域。本发明专利技术可以用于航行器表面流场的高精度检测和反馈控制。本发明专利技术的流速传感器包括激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤、位敏探测器、信号处理系统和固定箱体；聚合物光波导和光纤输出端固定并直接耦合，光纤输入端则和激光光源及其驱动电路相连，共同固定在固定箱体上的一侧，位敏探测器和信号输出系统相连接，固定在固定箱体的对面侧上。固定箱体顶部设置通孔。本发明专利技术中聚合物光波导柔性非常好，同时可以传输光信号，流场的极小变化所引起的聚合物的小挠曲变形通过光路传播后可以在位敏探测器上放大变形量，从而实现高精度测量流场的流速。

Flow velocity sensor based on polymer optical waveguide

The invention discloses a flow velocity sensor based on a polymer optical waveguide, belonging to the flow field sensor and the manufacturing technical field thereof. The invention can be used for high-precision detection and feedback control of the surface flow field of an aircraft. The velocity sensor of the present invention comprises a laser light source and its drive circuit, polymer optical waveguide, optical fiber, position sensitive detector, signal processing system and a fixed box; polymer optical waveguide and optical fiber output end fixed and direct coupling optical fiber input end is connected with the laser light source and its drive circuit, common fixed is fixed on one side of the box body, position sensitive the detector and the signal output system is connected on the opposite side of the box body is fixed on the fixed. The upper part of the fixing box body is provided with through holes. The invention of polymer optical waveguide very flexible, and can transmit optical signals, small deflection minimum change of flow field caused by the deformation of polymers through the optical path can be spread in sensitive detector amplifying deformation, so as to realize the high precision measurement of flow velocity.

【技术实现步骤摘要】
一种基于聚合物光波导的流速传感器
本专利技术涉及一种基于聚合物光波导的流速传感器，适合于航行器表面的流场检测与反馈控制，属于流场传感器及其制造

技术介绍
航行器是人类探索自然的重要工具，其表面的流场变化影响着它们的性能发挥。因此，实现航行器表面流场流速高精度监测具有重要意义。现有的流速传感器有热电式、电容式、压阻式、压电式等。这些类型的传感器普遍存在着受环境影响大，测量精度低、可靠性差等缺点。光纤由于其测量精度高、抗干扰能力强等优点被越来越多的应用在流速传感领域。人们将光纤与传统流速测量方式，如压差式、涡轮式、涡街式，相结合，但存在着测量精度不高，光纤容易折断等问题。而使用光纤光栅的流速传感器也存在着结构复杂、成本高等问题，限制了其应用范围。中国专利技术专利(公开号CN104340587A)公开了一种光纤流速传感器，该传感器使用杠杆和悬臂梁结构将液体冲击力转换成光纤的变形，利用光纤在弯曲状态下引起的弯曲损耗现象，通过检测弯曲光纤的输出光强来达到测量流速的目的。但是该传感器具有复杂的机械结构，体积大，可靠性差。此外，该传感器使用靶体测量冲击力，靶体面积大，对流场流速影响大，使得测量流速精度不高。
技术实现思路
本专利技术提供了一种基于聚合物光波导的流速传感器，可以用于航行器表面流场的高精度检测和反馈控制。本专利技术提供的所述基于聚合物光波导的流速传感器，包括激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤、位敏探测器(PSD)、信号处理系统和固定箱体；它们之间的连接关系是：聚合物光波导在制造过程中和光纤输出端固定并直接耦合，光纤输入端则和激光光源及其驱动电路相连，共同固定在固定箱体上的一侧，位敏探测器(PSD)和信号输出系统相连接，固定在固定箱体的对面侧上，即与激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤相对布置。当流场以速度v流动时，聚合物光波导由于具有较大的柔性，在流固耦合作用下随着流体的流动而发生挠曲变形，相对于原位置发生角度θ的变形且变形方向与流动方向一致；聚合物光波导传输单色光光路随之发生变化。位敏探测器(PSD)上形成光斑的位置也会随之发生变化。利用位敏探测器和信号处理系统可以得到光斑偏移信息；从而可以得到聚合物光波导挠曲变形情况，由此可以得到流场的流速信息。所述的激光光源及其驱动电路，用于产生导入光纤和聚合物光波导的单色光。所述的聚合物光波导，呈扁平状。内芯为折射率较高的柔性材质，外层为折射率较低的柔性材质，一端固定在光纤端部并直接耦合，一端为自由端可随流体的流动、在流固耦合作用下而发生挠曲。所述的光纤，一端与聚合物光波导固定并直接耦合，另一端与激光光源及其驱动电路连接。所述的聚合物光波导通过如下方式制备得到：在光纤上先制备折射率高的内芯柔性材料，再制备折射率低的外层柔性材料；切掉端面，通过湿法刻蚀光纤，刻蚀掉光纤的长度根据聚合物光波导的长度设置；最后挤压键合刻蚀掉光纤部分的内芯柔性材料，使两部分内芯柔性材料合为一体，制作而成聚合物光波导，具有内芯和外层的扁平状结构。所述的位敏探测器(PSD)，位于聚合物光波导对面侧，用于探测聚合物光波导的变形量。所述的信号处理系统，与位敏探测器(PSD)相连，用于放大PSD的信号，并给出聚合物光波导的变形量信息。所述的固定箱体，用于固定激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤、位敏探测器(PSD)等，在所述的固定箱体的顶部具有开孔，用于流体的通过。本专利技术还提供一种基于聚合物光波导的流速传感器阵列，所述的传感器阵列是在固定箱体的顶部沿流体流速方向和垂直流体流速方向设置等间距的多个通孔形成通孔阵列，在沿流体流速方向上的任意两个通孔之间设置一个流速传感器，形成流速传感阵列；或者在固定箱体的顶部沿流体流速方向设置等间距的多个通孔，任意两个通孔之间设置一个流速传感器，一个或多个相同的固定箱体垂直于流体流速方向并排设置，一个或多个固定箱体内的通孔和流速传感器位置对应，形成流速传感器阵列。本专利技术提供的一种基于聚合物光波导的流速传感器具有以下有益效果：(1)本专利技术提供一种基于聚合物光波导的流速传感器，核心组成是聚合物光波导和位敏探测器(PSD)。位敏探测器(PSD)与聚合物光波导相对布置。该传感器可以实现对流场流速的检测。(2)本专利技术提供的聚合物光波导呈扁平状，内芯为折射率较高的柔性材质，外层为折射率较低的柔性材质，一端固定在光纤端部并直接耦合，一端为自由端可随流体的流动在流固耦合作用下而发生挠曲。聚合物光波导柔性非常好，同时可以传输光信号，可以将很小的流速通过光路变化转换成较大的信号输出。(3)位敏探测器具有很高的分辨率和响应速度。流场的极小变化所引起的聚合物的小挠曲变形通过光路传播后可以在位敏探测器上放大变形量，从而实现高精度测量。附图说明图1为本专利技术中一种基于聚合物光波导的流速传感器结构示意图。图2为图1中A-A剖面图。图3为本专利技术中流速传感器的一个应用实施例的结构布置示意图。图4为图3中流速传感阵列的的侧视图。图5为本专利技术中聚合物光波导的制造方法的过程示意图。图中：1.激光光源及其驱动电路；2.光纤；3.聚合物光波导；4.位敏探测器(PSD)；5.信号处理系统；6.固定箱体；7.通孔。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术进行详细说明。本专利技术提供的基于聚合物光波导的流速传感器的一个实施例如图1和图2所示，图1是所述的基于聚合物光波导的流速传感器的主视图，图2是图1在A-A方向的剖视图，显示位敏探测器PSD上光斑移动情况。所述的基于聚合物光波导的流速传感器包括设置在固定箱体6内的激光光源及其驱动电路1、光纤2、聚合物光波导3、位敏探测器(PSD)4和信号处理系统5。所述的聚合物光波导3在制造过程中和光纤2输出端固定并直接耦合，光纤2输入端则和激光光源及其驱动电路1相连，它们共同固定在固定箱体6上的一侧。位敏探测器(PSD)4和信号处理系统5相连接，固定在固定箱体6的对面侧上，即与激光光源及其驱动电路1、聚合物光波导3、光纤2相对布置，位敏探测器4用于接收和显示聚合物光波导3的光斑。所述激光光源及其驱动电路1，用于产生导入光纤2和聚合物光波导3的单色光。所述聚合物光波导3，呈扁平状。内芯为折射率较高的柔性材质，外层为折射率较低的柔性材质，一端固定在光纤2输出端部并直接耦合，另一端为自由端可随流体流动，在流固耦合作用下发生挠曲。所述光纤2，输出端与聚合物光波导3固定并直接耦合，输入端与激光光源及其驱动电路1连接。用于连接聚合物光波导3，并将激光光源发出的单色光传播到聚合物光波导3。所述位敏探测器(PSD)4，位于聚合物光波导3对面侧，用于显示和接收聚合物光波导3的光斑，探测聚合物光波导3的位移变形量。所述信号处理系统5，与位敏探测器(PSD)4相连，用于放大PSD的信号，并给出聚合物光波导3的变形量信息。所述固定箱体6，为半圆形或矩形截面、顶部等间隔开有通孔7的柱形空腔，可以使用聚甲基硅氧烷(PDMS)浇筑模具制成,用于固定激光光源及其驱动电路1、聚合物光波导3、光纤2、位敏探测器(PSD)4等。顶部可由激光等距离开孔，将外部流体压差转换为微腔体内部流体流动。所述通孔7的轴向垂直与聚合物光波导3的轴向，并且在所述的聚合物光波导3的前后位置各设置至少一个通孔7。下面以液态流场本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于聚合物光波导的流速传感器，其特征在于：包括设置在固定箱体上的激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤、位敏探测器和信号处理系统；聚合物光波导在制造过程中和光纤输出端固定并直接耦合，光纤输入端则和激光光源及其驱动电路相连，共同固定在固定箱体上的一侧，位敏探测器和信号输出系统相连接，固定在固定箱体的对面侧上；固定箱体顶部设置通孔；当流场以速度v流动时，流体通过通孔进入固定箱体内部，聚合物光波导在流固耦合作用下随着流体的流动而发生挠曲变形，相对于原位置发生角度θ的变形且变形方向与流动方向一致；聚合物光波导传输单色光光路随之发生变化；位敏探测器上形成光斑的位置也会随之发生变化；利用位敏探测器和信号处理系统得到光斑偏移信息；从而得到聚合物光波导挠曲变形情况，由此得到流场的流速信息。

【技术特征摘要】
1.一种基于聚合物光波导的流速传感器，其特征在于：包括设置在固定箱体上的激光光源及其驱动电路、聚合物光波导、光纤、位敏探测器和信号处理系统；聚合物光波导在制造过程中和光纤输出端固定并直接耦合，光纤输入端则和激光光源及其驱动电路相连，共同固定在固定箱体上的一侧，位敏探测器和信号输出系统相连接，固定在固定箱体的对面侧上；固定箱体顶部设置通孔；当流场以速度v流动时，流体通过通孔进入固定箱体内部，聚合物光波导在流固耦合作用下随着流体的流动而发生挠曲变形，相对于原位置发生角度θ的变形且变形方向与流动方向一致；聚合物光波导传输单色光光路随之发生变化；位敏探测器上形成光斑的位置也会随之发生变化；利用位敏探测器和信号处理系统得到光斑偏移信息；从而得到聚合物光波导挠曲变形情况，由此得到流场的流速信息。2.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光波导的流速传感器，其特征在于：所述的聚合物光波导，呈扁平状；内芯为折射率较高的柔性材质，外层为折射率较低的柔性材质，一端固定在光纤端部并直接耦合，一端为自由端可随流体的流动、在流固耦合作用下而发生挠曲。3.根据权利要求1所述的一种基于聚合物光波导的流速传感器，其特征在于：所述的聚合物光波导通过如下方式制备得到：在光纤上先制备折射率高的内芯柔性材料，再制备折射率低的外层柔性材料；切掉端面，通过湿法刻蚀光纤，刻蚀掉光纤的长度根据聚合物光波导的长度设置；最后挤压键合刻蚀掉光纤部分的内芯柔性材料，使两部分内芯柔性材料合为一体，制作而成聚合物光波导，具有内芯和外层的扁平状结构。4.根据权利要求3所述的一种基于聚合物光波导的流速传感器，其特征在于：所述的内芯和外出柔性材料通过...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋永刚，许远航，马治强，张德远，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11