倾斜光纤布拉格光栅热线式矢量风力传感器

摘要

风速测量在电厂、煤矿以及化工等行业具有极其重要意义。已知的传统风力计多以力学、声学以及热学等方式进行研究，受环境限制较多。而热线式光纤风速计正在成为一种被广泛研究并具有重要价值的传感器，但是其存在缺陷，主要表现为几何修改的光纤结构会削弱传感器结构强度；耦合效率和导热系数受到常用材料限制；阵列结构导致传感器结构复杂、体积较大。所以针对以上研究现状，设计了倾斜光纤布拉格光栅热线式矢量风力传感器。 首先提出了一种基于单壁碳纳米管（SWCNTs）涂层与倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）结合的新型光纤热线风速仪。结果表明，开发的风速计TFBG既可以作为光耦合单元又可以作为传感单元，使得传感器体积减小，结构简化。单壁碳纳米管具有显著光吸收效率，高达93%。并且在相对较低的泵浦功率97.76mW下，光纤局部区域的最高温度被加热到146.1。使用选定TFBG、1.6um薄膜、测量风速为1.0m/s时，灵敏度为-0.3667nm/(m/s）。 其次，热线式风力传感器多以标量为主要研究对象，并不能进行风向测量，所以我们通过对传感器进行非对称设计来进行方向识别。使用FLUENT软件对矢量传感器模型进行仿真，对其在风速场、温度场以及涡街进行模拟分析，得出对于非对称碳纳米管涂覆的TFBG传感器，可以辨识不同风向。接下来使用1:1浓度碳纳米管进行涂覆，并在电子显微镜下使用钼针对轴对称碳纳米管完成非对称剥离。经过处理后得出若泵浦功率较大、涂覆厚度较高，则传感器灵敏度更好，方向辨识度更强。 本文设计的传感器消耗功率低、灵敏度高、体积小，并且对风力风向辨识度较高，可以在特殊环境下工作，达到预期测量效果。

目录

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 光纤布拉格光栅

1.3 倾斜光纤布拉格光栅

1.3.1 倾斜光纤布拉格光栅研究背景

1.3.2 倾斜光纤布拉格光栅应用

1.4 新型纳米材料

1.5 矢量风力传感器研究现状

1.6 本文主要研究内容

1.7 本章小结

2 TFBG模式耦合基本原理

2.1 倾斜光纤光栅耦合原理

2.2 碳纳米管涂覆对光波导模型影响

2.3 本章小结

3 光纤热线式风力传感器

3.1 传感器设计

3.2 风力传感器原理分析及设计

3.2.1 风力实验原理

3.2.2 Comsol仿真分析

3.2.3 传感系统设计

3.3 传感器风力测量实验

3.4 本章小结

4 矢量风力传感器

4.1 矢量风力传感器模拟

4.1.1 模拟工具

4.1.2 建立几何模型

4.1.3 线网格划分

4.1.4 边界条件设定

4.1.5 FLUENT模拟

4.2 风向实验过程

4.2.1 传感系统设计

4.2.2 验证碳纳米管未剥离方向辨别

4.2.3 验证碳纳米管半面剥离方向辨别

4.2.4 传感器特性分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

致谢