一、研究背景
风速测量在气象监测、风力发电、航空航天等领域具有重要的工程意义。目前，人们普遍利用超声波、压力差、涡流或传热等方式进行测量。然而，在一些极端环境，如高温、高压、化学腐蚀和放射性等环境中，这些测量方法可能会受到干扰，导致风速计无法正常运作或测量结果不够准确。近年来，基于光纤的风速计具有对电绝缘、抗电磁干扰、灵敏度高、可远距离测量等优点，因此备受关注。其中，光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Gratings，FBG）作为传感单元在光纤热线式风速计中被广泛应用。
本研究提出一种基于光纤光栅法珀干涉结构（FPI）的热线式风速计。该传感器由两个FBG和之间熔接的一段掺钴光纤构成，利用掺钴光纤对1480nm激光的高吸收特性直接加热形成热线，FPI 的光程差随掺钴光纤的温度变化而改变，无需镀膜和额外耦合器件，具有结构紧凑、制备简便、灵敏度高的特点。
二、风速计工作原理及制备
2.1 法珀干涉基本关系
光纤光栅 FPI 热线式风速计传感头的结构示意如图1（a）。该传感头由两个中心波长相同的FBG以及熔接于二者之间的一段500um掺钴光纤构成。FBG长度为4mm，中心波长为1553.11nm，3dB 带宽为0.34nm，反射率为81.8%，其反射谱如图 1（b）。最终传感器的干涉谱如图1（c）所示，其中3dB带宽为0.49nm。
当信号光入射时，分别在两个FBG处发生反射，两束反射光之间的相位差可表示为：
式中，L 为FPI腔长（两个FBG的中心间距），n0为室温（25 ℃）下纤芯等效折射率，λ 为入射波长。两束反射光发生干涉后，根据干涉原理，当相位差为π 的奇数倍时，两束反射光发生干涉相消，表现为干涉光谱的波谷。因此，干涉光谱的第m级干涉波谷对应的波长λm为：
图1 FPI风速计的传感头结构示意及FBG切割前的和FBG-FPI的光谱图
2.2 热线效应与温度响应
掺钴光纤在1480nm激光照射下，钴离子吸收光能后从基态跃迁至高能级，随后通过非辐射跃迁将能量转化为热能，使光纤温度升高，形成热线。热膨胀效应与热光效应共同导致FPI腔的温度升高，腔长变长，光程差增大，干涉谱向长波方向漂移（红移）。通过将λm对温度T求导，可得到风速计对温度的响应，表示为：
2.3 风速与波长漂移的关系
当气流流过传感探头时，会使热线散热速率加快，掺钴光纤温度降低，FPI腔的光程差变小，干涉谱向短波方向漂移（蓝移），直到加热与散热达到新的动态平衡，干涉谱不再漂移。波长漂移量Δλ 与风速V 之间的关系可表示为：
式中，系数a和b由激光功率及传感器结构参数共同决定。因此，通过测量FPI干涉谱的波长漂移量，即可反演出风速值。
三、实验与结果分析
实验装置如图2所示。宽带光源（BBS）发出的光经环形器为FPI风速计提供信号光；1480nm激光器（最大功率500mW）通过波分复用器（WDM）入射到传感探头，并加热其中的掺钴光纤。FPI风速计的反射光经环形器3端口进入光谱分析仪（OSA），其波长分辨率为0.02nm。可调速风洞半径为2cm，风速可在0~9m/s范围内调节。测量时，传感头垂直于风向放置，两端用光纤夹具拉紧固定。
图2 实验装置
3.1温度标定
首先，对光纤光栅FPI热线式风速计进行温度标定实验。关闭1480nm激光，仅使用宽带光源（5mW），以减小光源发热对测量的影响。将风速计探头置于温控箱中，从-20°C开始以10°C为步长升温至110°C，记录干涉谱的变化（见图3(a)）。随着温度升高，干涉谱发生明显红移，最大漂移量为1.53nm。选取波峰A进行分析，峰值波长与温度的关系如图3(b)所示。
图3 温度对风速计干涉谱的影响
结果显示：
线性拟合得到温度灵敏度为11.8pm/°C，线性度R2=0.997，说明峰值波长与温度成良好的线性关系。该关系可用于推算探头温度，并在实际测风时对气流温度进行补偿（关闭加热激光，所测温度即为气流温度）。
3.2激光加热特性
为了研究激光功率对风速计起始温度的影响，保持风速为零，将激光功率从0逐步增加至500mW（步长10mW），记录干涉谱峰值的移动情况。由于FBG反射谱带宽有限，当功率达到150mW和330mW时，原跟踪波峰信号强度下降，需切换至新的干涉峰继续测量。图4展现了0mW和150mW时的干涉谱对比。图5汇总了全过程峰值波长的总漂移。
图4 风速计在0mW和150mW功率下的干涉光谱
图5 风速计的峰值波长随激光功率的变化
结果显示：
- 0-150mW阶段，从1552.91nm移至1553.45nm，漂移量为0.54nm；150-330mW阶段，峰值波长从1552.97nm漂移至1553.57nm，漂移量为0.60nm；330-500mW阶段，峰值波长从1553.06nm漂移至1553.62nm，漂移量为0.56nm，三个阶段合计漂移1.71nm。
- 根据前述温度灵敏度（11.8pm/°C）反算，500mW激光加热下传感器的初始温升约为144.92°C。
- 值得注意的是，随着激光功率增大，加热效率略有下降（三个阶段风速计的功率与波长的关系的斜率从3.65pm/mW降至3.23pm/mW），这主要是由于温度升高后探头向环境的散热速率加快，同时向两端FBG传导的热量也相应增加。
3.3风速标定
分别在150、330、500mW三个激光功率下进行风速标定实验。测量过程中，气流温度控制在25°C，风速从0逐渐增加至9m/s。低风速区间（0-2m/s）采用较小的间隔，高风速区间（2-9m/s）间隔取0.5-1m/s。图6给出了500mW功率下风速为0和9m/s时的干涉谱对比，可见整个干涉谱发生明显蓝移。三个不同激光功率下测得的风速计干涉谱的峰值波长漂移量与气流速度的关系如图7。
图6 500mW 激光功率下FPI风速计在风速为0和9m/s的干涉光谱
图7 不同激光功率下风速计的波长漂移量随风速的变化
结果显示：
- 以500mW功率为例：风速从0增加至0.5m/s时，峰值波长从1553.62nm漂移至1553.10nm，漂移量为-0.51nm；0.5-2m/s阶段漂移-0.52nm；2~9m/s阶段漂移-0.28nm，三个阶段总漂移量为-1.32nm。
- 随后对波长漂移量Δλ与风速V的关系进行拟合，得到：
500mW时，Δλ=1.33(e-0.87V-1)；
330mW时，Δλ=0.83(e-0.94V-1)；
150mW时，Δλ=0.44(e-1.01V-1)。 - 拟合度较高，据此可反演出风速的计算表达式，在激光功率为500、330、150mW时，风速可分别表示为：
3.4灵敏度分析
对拟合曲线求导可获得风速计的灵敏度。由于波长蓝移，灵敏度为负值，为便于分析取其绝对值。如图8所示，灵敏度随风速增大呈指数衰减。
图8 不同激光功率下风速计的灵敏度随风速的变化
结果显示：
- 在0.1m/s的低风速下，150、330、500mW激光功率对应的灵敏度分别为397.65、705.85、1053.86pm·m⁻¹·s；在0.5m/s时，分别降至265.71、486.14、746.47pm·m⁻¹·s；在5m/s时，进一步降至2.79、7.19、15.15pm·m⁻¹·s。
- 这一变化规律符合牛顿冷却定律：低风速下热线与环境的温差较大，散热速率高，温度变化显著，因此灵敏度较高；随着风速增大，温差迅速减小，散热速率趋缓，灵敏度随之降低。
四、结论
本文提出一种基于光纤光栅法珀干涉结构的热线式风速计，该风速计通过在两个FBG 的中间熔接一段掺钴光纤以形成法珀干涉结构，利用掺钴光纤对1480nm 激光的吸收，使其温度升高成为热线，同时引起FPI干涉谱的红移。气流流过FPI风速计时加速了掺钴光纤的热量散失，使得掺钴光纤的温度降低，FPI的干涉谱蓝移，干涉谱峰值的蓝移量与被测风速成固定关系。
比较了不同激光功率下风速计的响应，在最高的500mW激光功率下获得了最好的传感响应。由于热线式风速计本身的传感特性，灵敏度随着风速的增大下降，在风速为0.1、0.5、5m/s时的灵敏度分别达到−1053.86、−746.47、−15.15pm·m−1·s。
与已报道的热线式光纤光栅风速计相比，所提出的FPI风速计由于干涉效应的存在，具有较高的灵敏度，同时还具有结构简单紧凑、易于制造、成本低等优点，可望在风速测量相关领域获得重要应用。
文章来源：林颖,唐玉涵,杜浪哲,等.基于光纤光栅法珀干涉结构的热线式风速计J.光子学报,2024,53(12):153-161.
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