本發(fā)明涉及一種基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器，適合于航行器表面的流場(chǎng)檢測(cè)與反饋控制，屬于流場(chǎng)傳感器及其制造技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

航行器是人類(lèi)探索自然的重要工具，其表面的流場(chǎng)變化影響著它們的性能發(fā)揮。因此，實(shí)現(xiàn)航行器表面流場(chǎng)流速高精度監(jiān)測(cè)具有重要意義?，F(xiàn)有的流速傳感器有熱電式、電容式、壓阻式、壓電式等。這些類(lèi)型的傳感器普遍存在著受環(huán)境影響大，測(cè)量精度低、可靠性差等缺點(diǎn)。

光纖由于其測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被越來(lái)越多的應(yīng)用在流速傳感領(lǐng)域。人們將光纖與傳統(tǒng)流速測(cè)量方式，如壓差式、渦輪式、渦街式，相結(jié)合，但存在著測(cè)量精度不高，光纖容易折斷等問(wèn)題。而使用光纖光柵的流速傳感器也存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高等問(wèn)題，限制了其應(yīng)用范圍。

中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利(公開(kāi)號(hào)CN 104340587 A)公開(kāi)了一種光纖流速傳感器，該傳感器使用杠桿和懸臂梁結(jié)構(gòu)將液體沖擊力轉(zhuǎn)換成光纖的變形，利用光纖在彎曲狀態(tài)下引起的彎曲損耗現(xiàn)象，通過(guò)檢測(cè)彎曲光纖的輸出光強(qiáng)來(lái)達(dá)到測(cè)量流速的目的。但是該傳感器具有復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，體積大，可靠性差。此外，該傳感器使用靶體測(cè)量沖擊力，靶體面積大，對(duì)流場(chǎng)流速影響大，使得測(cè)量流速精度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器，可以用于航行器表面流場(chǎng)的高精度檢測(cè)和反饋控制。

本發(fā)明提供的所述基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器，包括激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路、聚合物光波導(dǎo)、光纖、位敏探測(cè)器(PSD)、信號(hào)處理系統(tǒng)和固定箱體；它們之間的連接關(guān)系是：聚合物光波導(dǎo)在制造過(guò)程中和光纖輸出端固定并直接耦合，光纖輸入端則和激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路相連，共同固定在固定箱體上的一側(cè)，位敏探測(cè)器(PSD)和信號(hào)輸出系統(tǒng)相連接，固定在固定箱體的對(duì)面?zhèn)壬希磁c激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路、聚合物光波導(dǎo)、光纖相對(duì)布置。

當(dāng)流場(chǎng)以速度v流動(dòng)時(shí)，聚合物光波導(dǎo)由于具有較大的柔性，在流固耦合作用下隨著流體的流動(dòng)而發(fā)生撓曲變形，相對(duì)于原位置發(fā)生角度θ的變形且變形方向與流動(dòng)方向一致；聚合物光波導(dǎo)傳輸單色光光路隨之發(fā)生變化。位敏探測(cè)器(PSD)上形成光斑的位置也會(huì)隨之發(fā)生變化。利用位敏探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)可以得到光斑偏移信息；從而可以得到聚合物光波導(dǎo)撓曲變形情況，由此可以得到流場(chǎng)的流速信息。

所述的激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路，用于產(chǎn)生導(dǎo)入光纖和聚合物光波導(dǎo)的單色光。

所述的聚合物光波導(dǎo)，呈扁平狀。內(nèi)芯為折射率較高的柔性材質(zhì)，外層為折射率較低的柔性材質(zhì)，一端固定在光纖端部并直接耦合，一端為自由端可隨流體的流動(dòng)、在流固耦合作用下而發(fā)生撓曲。

所述的光纖，一端與聚合物光波導(dǎo)固定并直接耦合，另一端與激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路連接。

所述的聚合物光波導(dǎo)通過(guò)如下方式制備得到：

在光纖上先制備折射率高的內(nèi)芯柔性材料，再制備折射率低的外層柔性材料；切掉端面，通過(guò)濕法刻蝕光纖，刻蝕掉光纖的長(zhǎng)度根據(jù)聚合物光波導(dǎo)的長(zhǎng)度設(shè)置；最后擠壓鍵合刻蝕掉光纖部分的內(nèi)芯柔性材料，使兩部分內(nèi)芯柔性材料合為一體，制作而成聚合物光波導(dǎo)，具有內(nèi)芯和外層的扁平狀結(jié)構(gòu)。

所述的位敏探測(cè)器(PSD)，位于聚合物光波導(dǎo)對(duì)面?zhèn)?，用于探測(cè)聚合物光波導(dǎo)的變形量。

所述的信號(hào)處理系統(tǒng)，與位敏探測(cè)器(PSD)相連，用于放大PSD的信號(hào)，并給出聚合物光波導(dǎo)的變形量信息。

所述的固定箱體，用于固定激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路、聚合物光波導(dǎo)、光纖、位敏探測(cè)器(PSD)等，在所述的固定箱體的頂部具有開(kāi)孔，用于流體的通過(guò)。

本發(fā)明還提供一種基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器陣列，所述的傳感器陣列是在固定箱體的頂部沿流體流速方向和垂直流體流速方向設(shè)置等間距的多個(gè)通孔形成通孔陣列，在沿流體流速方向上的任意兩個(gè)通孔之間設(shè)置一個(gè)流速傳感器，形成流速傳感陣列；或者在固定箱體的頂部沿流體流速方向設(shè)置等間距的多個(gè)通孔，任意兩個(gè)通孔之間設(shè)置一個(gè)流速傳感器，一個(gè)或多個(gè)相同的固定箱體垂直于流體流速方向并排設(shè)置，一個(gè)或多個(gè)固定箱體內(nèi)的通孔和流速傳感器位置對(duì)應(yīng)，形成流速傳感器陣列。

本發(fā)明提供的一種基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明提供一種基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器，核心組成是聚合物光波導(dǎo)和位敏探測(cè)器(PSD)。位敏探測(cè)器(PSD)與聚合物光波導(dǎo)相對(duì)布置。該傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流場(chǎng)流速的檢測(cè)。

(2)本發(fā)明提供的聚合物光波導(dǎo)呈扁平狀，內(nèi)芯為折射率較高的柔性材質(zhì)，外層為折射率較低的柔性材質(zhì)，一端固定在光纖端部并直接耦合，一端為自由端可隨流體的流動(dòng)在流固耦合作用下而發(fā)生撓曲。聚合物光波導(dǎo)柔性非常好，同時(shí)可以傳輸光信號(hào)，可以將很小的流速通過(guò)光路變化轉(zhuǎn)換成較大的信號(hào)輸出。

(3)位敏探測(cè)器具有很高的分辨率和響應(yīng)速度。流場(chǎng)的極小變化所引起的聚合物的小撓曲變形通過(guò)光路傳播后可以在位敏探測(cè)器上放大變形量，從而實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)量。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明中一種基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中A-A剖面圖。

圖3為本發(fā)明中流速傳感器的一個(gè)應(yīng)用實(shí)施例的結(jié)構(gòu)布置示意圖。

圖4為圖3中流速傳感陣列的的側(cè)視圖。

圖5為本發(fā)明中聚合物光波導(dǎo)的制造方法的過(guò)程示意圖。

圖中：

1.激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路；2.光纖；3.聚合物光波導(dǎo)；

4.位敏探測(cè)器(PSD)；5.信號(hào)處理系統(tǒng)；6.固定箱體；7.通孔。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明提供的基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器的一個(gè)實(shí)施例如圖1和圖2所示，圖1是所述的基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器的主視圖，圖2是圖1在A-A方向的剖視圖，顯示位敏探測(cè)器PSD上光斑移動(dòng)情況。所述的基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器包括設(shè)置在固定箱體6內(nèi)的激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路1、光纖2、聚合物光波導(dǎo)3、位敏探測(cè)器(PSD)4和信號(hào)處理系統(tǒng)5。所述的聚合物光波導(dǎo)3在制造過(guò)程中和光纖2輸出端固定并直接耦合，光纖2輸入端則和激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路1相連，它們共同固定在固定箱體6上的一側(cè)。位敏探測(cè)器(PSD)4和信號(hào)處理系統(tǒng)5相連接，固定在固定箱體6的對(duì)面?zhèn)壬?，即與激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路1、聚合物光波導(dǎo)3、光纖2相對(duì)布置，位敏探測(cè)器4用于接收和顯示聚合物光波導(dǎo)3的光斑。

所述激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路1，用于產(chǎn)生導(dǎo)入光纖2和聚合物光波導(dǎo)3的單色光。

所述聚合物光波導(dǎo)3，呈扁平狀。內(nèi)芯為折射率較高的柔性材質(zhì)，外層為折射率較低的柔性材質(zhì)，一端固定在光纖2輸出端部并直接耦合，另一端為自由端可隨流體流動(dòng)，在流固耦合作用下發(fā)生撓曲。

所述光纖2，輸出端與聚合物光波導(dǎo)3固定并直接耦合，輸入端與激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路1連接。用于連接聚合物光波導(dǎo)3，并將激光光源發(fā)出的單色光傳播到聚合物光波導(dǎo)3。

所述位敏探測(cè)器(PSD)4，位于聚合物光波導(dǎo)3對(duì)面?zhèn)?，用于顯示和接收聚合物光波導(dǎo)3的光斑，探測(cè)聚合物光波導(dǎo)3的位移變形量。

所述信號(hào)處理系統(tǒng)5，與位敏探測(cè)器(PSD)4相連，用于放大PSD的信號(hào)，并給出聚合物光波導(dǎo)3的變形量信息。

所述固定箱體6，為半圓形或矩形截面、頂部等間隔開(kāi)有通孔7的柱形空腔，可以使用聚甲基硅氧烷(PDMS)澆筑模具制成,用于固定激光光源及其驅(qū)動(dòng)電路1、聚合物光波導(dǎo)3、光纖2、位敏探測(cè)器(PSD)4等。頂部可由激光等距離開(kāi)孔，將外部流體壓差轉(zhuǎn)換為微腔體內(nèi)部流體流動(dòng)。所述通孔7的軸向垂直與聚合物光波導(dǎo)3的軸向，并且在所述的聚合物光波導(dǎo)3的前后位置各設(shè)置至少一個(gè)通孔7。

下面以液態(tài)流場(chǎng)為例詳述本發(fā)明提供的一種基于述聚合物光波導(dǎo)流速傳感器工作原理。

將本發(fā)明的基于聚合物光波導(dǎo)的流速傳感器放入液態(tài)流場(chǎng)中。當(dāng)流場(chǎng)以速度v流動(dòng)時(shí)，流體通過(guò)固定箱體6頂部的通孔7進(jìn)入固定箱體6內(nèi)部，聚合物光波導(dǎo)3由于具有較大的柔性，在流固耦合作用下隨著流體的流動(dòng)而發(fā)生撓曲變形，相對(duì)于原位置發(fā)生角度θ的變形且變形方向與流動(dòng)方向一致。如圖1和圖2所示，聚合物光波導(dǎo)3傳輸單色光光路隨之發(fā)生變化。布置在對(duì)面?zhèn)鹊奈幻籼綔y(cè)器(PSD)4可以接收光信號(hào)，經(jīng)單色光照射可以形成光斑。當(dāng)光路因?yàn)榫酆衔锕獠▽?dǎo)3變形而發(fā)生變化時(shí)，位敏探測(cè)器(PSD)4上形成光斑的位置也會(huì)隨之發(fā)生變化，如圖2。利用位敏探測(cè)器(PSD)4實(shí)時(shí)的將光斑位置傳送給信號(hào)處理系統(tǒng)5，信號(hào)處理系統(tǒng)5可以得到光斑偏移信息；從而可以根據(jù)光斑偏移信息得到聚合物光波導(dǎo)3撓曲變形情況，由此可以得到流場(chǎng)的流速信息。

使用本發(fā)明提供的流速傳感器進(jìn)行流體流速測(cè)量的一個(gè)實(shí)施例，如圖3和圖4所示。在固定箱體6的頂部沿流體流速方向和垂直流體流速方向設(shè)置等間距的多個(gè)通孔7形成通孔陣列，在沿流體流速方向上的任意兩個(gè)通孔7之間設(shè)置一個(gè)流速傳感器，形成流速傳感陣列。也可以在固定箱體6的頂部沿流體流速方向設(shè)置等間距的多個(gè)通孔7，任意兩個(gè)通孔之間設(shè)置一個(gè)流速傳感器，一個(gè)或多個(gè)相同的固定箱體6垂直于流體流速方向并排設(shè)置，一個(gè)或多個(gè)固定箱體6內(nèi)的通孔7和流速傳感器位置對(duì)應(yīng)，形成流速傳感器陣列。所述流速傳感器陣列中，每一個(gè)聚合物光波導(dǎo)3可以分別由單獨(dú)的一個(gè)激光光源及驅(qū)動(dòng)電路提供光源，由單獨(dú)的一個(gè)位敏探測(cè)器4接收光信號(hào)；也可以是流速傳感器陣列中所有聚合物光波導(dǎo)3共用一個(gè)激光光源及驅(qū)動(dòng)提供光源，共用一個(gè)位敏探測(cè)器4接收光信號(hào)。

本發(fā)明中采用的聚合物光波導(dǎo)3的制造方法的一個(gè)實(shí)施例，制作過(guò)程如圖5(a)～(e)所示，所述聚合物光波導(dǎo)3的內(nèi)芯/外層的材質(zhì)選擇可以為N型派瑞林/C型派瑞林(Parylene N/Parylene C)。具體的制作方法包括：在光纖2上先沉積折射率高的內(nèi)芯柔性材料N型派瑞林(Parylene N)，得到如圖5(a)的側(cè)面和截面形式；再沉積折射率低的外層柔性材料C型派瑞林(Parylene C)，得到如圖5(b)的側(cè)面和截面形式；切掉端面，得到5(c)所示截面；然后通過(guò)濕法刻蝕光纖，刻蝕掉光纖的長(zhǎng)度根據(jù)聚合物光波導(dǎo)的長(zhǎng)度設(shè)置，得到如圖5(d)所示結(jié)構(gòu)；最后擠壓鍵合刻蝕掉光纖部分的內(nèi)芯柔性材料，使兩部分內(nèi)芯柔性材料合為一體，制作而成如圖5(e)所示的聚合物光波導(dǎo)3，具有內(nèi)芯和外層的扁平狀結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明中聚合物光波導(dǎo)的制造方法還可以采用蘸涂法，首先選取聚合物光波導(dǎo)的內(nèi)芯/外層的材質(zhì)為聚二甲基硅氧烷PDMS-A/PDMS-B。具體制備方法為：首先在光纖2上蘸涂PDMS-A，固化后再蘸涂PDMS-B，再固化后濕法刻蝕光纖2，最后擠壓鍵合PDMS-A內(nèi)芯制作而成。所述的PDMS-A是指預(yù)聚物和交聯(lián)劑的質(zhì)量比例為5:1；所述的PDMS-B是指預(yù)聚物和交聯(lián)劑的質(zhì)量比例為10:1。

本發(fā)明中聚合物光波導(dǎo)的內(nèi)芯/外層材料還可以選擇ZPU12-450和ZPU12-430。

所述的聚合物光波導(dǎo)3，內(nèi)芯材料的折射率大于外層材料的折射率。應(yīng)用時(shí)，將扁平結(jié)構(gòu)的一側(cè)正對(duì)流體流速方向，以便增加聚合物光波導(dǎo)3與流體的接觸面積,以增加聚合物光波導(dǎo)偏移進(jìn)而增大靈敏度。