CN101256089A - 一种可变精度的光纤传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变精度的光纤传感器，包括探头、光源和光接收器件，所述光源和光接收器件分别通过传光介质与探头光连接，其特征在于，所述探头为双光纤探头，包括传感端、光入射端和光出射端，多个所述双光纤探头在平面上组成一排，每个双光纤探头传感端按照高度差ΔH排列；所述传光介质为光缆，该光缆由每个双光纤探头的光入射端或光出射端的引出光纤形成的光纤束构成；所述具有高度差ΔH的双光纤探头排在空间上可组成高度差为ΔH’的多排。本发明可应用于易燃、易爆液体内部液位探测，具有结构简单、制作成本低、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性能好的特点。

Description

一种可变精度的光纤传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别涉及一种用于易燃、易爆液体内部液位探测和用于桥梁、大坝等形变位移测量的可变精度光纤传感器。

背景技术

在现有传感器技术领域，对液体表面位置的检测，大体分为电接点式液位传感器，浮子式液位传感器，超声雷达和微波液位传感器。对于电接点式液位传感器，由于它是利用被测介质的导电性能来探测液位，所以只局限于具有导电性能的液体介质，而且与被测介质有直接的电接触，不适用于具有易燃、易爆性的液体介质的液位测量；对于浮子式液位传感器，由于具有相对运动的机械部件，容易发生机械故障，不但安装、调试较为复杂，而且当液体处于上升、降落或加速及减速的环境时会产生失重，造成浮子不能升或降到预计高度，因此无法做到实时精确测量液位高低；对于超声界面及微波液位传感器，由于它是利用被测液体介质表面对波的反射来探测液位的，容易受到外部因素干扰的的影响，故使用环境受到限制。

发明内容

针对上述现有传感器所存在的缺陷和不足，本发明提供了一种可变精度的液位、位移测量传感器。该传感器不但可解决在易燃易爆情况下，电测手段受到安全、大量程、高精度限制的问题，而且还可解决在失重的影响而无法实时精确测量液面高低的难题，具有结构简单、制作成本低、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性能好的特点。

为了达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种可变精度的光纤传感器，包括探头、光源和光接收器件，所述光源和光接收器件分别通过传光介质与探头光连接，其特征在于，所述探头为双光纤探头，包括传感端、入射端和出射端，多个所述双光纤探头在平面上组成一排，每个双光纤探头传感端按照高度差ΔH排列；所述传光介质为光缆，该光缆由每个双光纤探头的入射端或出射端的引出光纤形成的光纤束构成，分为入射端光缆和出射端光缆；所述具有高度差ΔH的双光纤探头排在空间上可组成高度差为ΔH’的多排。

上述方案中，所述的双光纤探头由两根末端分别与其光纤芯轴成45°斜面的光纤组合而成，两斜面背对背靠在一起形成传感端，借助于传感端部的斜面作为反射面。所述出射端光缆与光接收器件之间可设置一块聚焦透镜。

另一种可变精度的光纤传感器，包括探头、光源和光接收器件，所述光接收器件通过传光介质与探头光连接，其特征在于，所述探头为单光纤探头，包括入射端和出射端，多个所述单光纤探头在平面上组成一排，每个单光纤探头的光入射端与光纤芯轴成锐角斜面构成传感端，每个单光纤探头传感端按照高度差ΔH排列；所述传光介质为光缆，该光缆由每个单光纤探头的出射端的引出光纤形成的光纤束构成；所述具有高度差ΔH的单光纤探头排在空间上可组成高度差为ΔH’的多排；所述光源由多个自上而下直线排列的发光二极管构成，并在长度方向上与单光纤探头排平行，每个单光纤探头传感端的锐角斜面都与发光二极管相对，发光二极管与单光纤探头排之间设置一可上下移动的遮光板。

上述方案中，所述的发光二极管设置在一块均光板上，使点光源转化为线光源。所述的锐角为45°角；

以上两种可变精度的光纤传感器，所述光接收器件可为带刻度的条形或半圆形表盘，出射端光缆的每根光纤与所述表盘上的刻度点直接相连，根据光纤探头检测的光强变化，可在圆形表盘或条形表盘直观显示亮度。

本发明与传统传感器相比，其优点在于

1.采用多个双光纤探头在平面上按高度差ΔH组成一排，以及该双光纤探头排在空间上按高度差ΔH’组成多排的结构，可进行大量程的液位测量。改变双光纤探头间的高度差可达到一定范围的可变测量精度，且可根据具体测量精度的要求，来准确调整好双光纤探头间的高度差。光接收器件根据光缆接收光的强弱可以判断浸入液体内的双光纤探头的数量，根据排列规则，可以智能地测量出液位高度。双光纤探头排列的高度差ΔH可大可小，且只需要判断每一个双光纤探头的光强的高低来测量液位，因此，本发明技术方案一的液位测量传感器测量精度高，并可根据用户需要灵活设计双光纤探头排列高度差，从而实现了可变精度测量液位的目的。

2.对测量精度要求高的液位测量传感器，本发明可用CCD作为出射端光强的接收器件，并用DSP对CCD图象中每个光斑的亮暗进行判断处理，从而实现了高精度的准确测量。对测量精度要求较低的传感器，则可采用光电管、光电池等光电接收器件对出射端光纤光点的总体光强进行统一采集放大，并根据总体亮度的变化情况来实现液位的测量。

3.本发明技术方案二的位移测量传感器是通过遮光板的位置移动来遮挡光源，从而改变光纤入射端受光源照射的光纤数目和强度，同时引起光纤出射端的光强变化。信号处理器根据光纤接收端总光强的变化量可以判断受光源照射的光纤遮挡量，根据与技术方案一的液位测量传感器光纤探头相同的排列规则，通过调整光纤的纵向排列的高度差ΔH，来控制测量位移的精度；或可把多根光纤并行排成数排叠加，通过调节各光纤间的间隔来控制测量精度，智能地测量出位移量。其中光源由多个发光二极管组成，并把多个点光源经过一使光均匀化的均光板(如毛玻璃等)转化为较为均匀的线光源。

4.为把传感器成本降到最低，本发明两种方案的光接受器件可选择一种带刻度的条形或半圆形表盘的方案。可把光纤出射端的每根光纤与用户表盘上的刻度点直接相连。当把整个光纤探头排列放入液体中后，未进入液体的光纤探头由于大部分光在传感端满足全反射条件，光源从光纤入射端进入光纤探头内。此时光纤接收端光强很强，因此表盘上的刻度点是亮的。浸入到被测液体中的光纤探头，由于传感端全反射条件被破坏，即光直接折射到液体介质中去，此时光纤接收端光强很弱，因此表盘上的刻度点是暗的。当容器内有被测液体时，表盘上对应的刻度点都是暗的，当液位降低时，表盘上的刻度点将依次变亮(圆形表盘从右向左，条形表盘从上向下)。故可根据表盘上对应刻度点的亮、暗情况，来方便的判断出被测液体的液位高低。

5.本发明的液位传感器浸入液体内部分的光纤探头由于是纯光纤器件，没有活动的机械部分，不会出现机械故障，并且解决了失重情况下带来的实时测量精度问题；可用于腐蚀性的液体；并且这种液位传感器置于液体内部的光纤探头是通过改变光在不同介质中的折射和反射比来改变光强，传感探头部分无电量，因此，能够对有爆炸危险的液体液面进行安全可靠的高精度测量。

附图说明

图1为本发明的一种基于双光纤探头的液位传感器结构示意图。

图2为图1中的双光纤探头结构及光路示意图。

图3为本发明另一种基于单光纤探头的位移传感器结构示意图。

图4为图1、图3中光纤探头的排列示意图。其中：图4(a)为双光纤探头的一种排列图；图4(b)为单光纤探头的一种排列图。

图5为图1、图3中光接收器件的两种结构图。其中：图5(a)为半圆形刻度表盘与光纤出射端连接示意图；图5(b)为条形刻度表盘与光纤出射端连接示意图。

图1至图4中：1、光接收器件；2、光源；3、双光纤探头；4、聚焦透镜；5、光入射端；6、光出射端；7、双光纤探头传感端；8、单光纤探头；9、遮光板；10、光缆；11、均光板。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。

实施例一

参见图1、图2，一种可变精度的液位测量传感器，由光源2(激光器或光电二极管)、双光纤探头2及光缆10、聚焦透镜4、光接收器件1(CCD、CMOS、光电二极管等)组成。多个双光纤探头2按照一定高度差ΔH排列。每个双光纤探头2通过高度差ΔH可达到一定范围的测量精度。把双光纤探头2排列伸入被测量的液体中直至底部，根据公式n1Sinθ1＝n2Sinθ2可知，当折射率n2变大时，折射角θ2减小，且当两种介质的折射率越接近时，越不容易发生全反射，即光直接折射到第二种介质中去，这也就是双光纤探头2浸入到液体中比裸露在空气中出射端光强会变暗的原因(液体的折射率高于空气的折射率，即相对而言它更接近于光纤的折射率)。采用该传感器测量液位时，未进入液体的光纤探头由于大部分光在双光纤探头传感端7处满足全反射条件，光源从光入射端5射入经传感端7到光出射端6，因此光接收器件1光强很强。浸入到被测液体中的光纤探头，传感端7处全反射条件被破坏，即光直接折射到液体介质中去，因此光接收器件1光强大大减小。处于不同高度位置的那些光纤探头浸入液体中后，光入射端5的光折射到介质外越多，导致光出射端6的光强变弱。随着液位的升高(降低)，光接收器件1中接收光纤由亮点变成暗点的点数越多(越少)，根据光强变弱(亮)的点数，就可以测量出液面位置高度。

光纤探头由于是采用成对光纤组成的双光纤探头2，故可把一根光纤做入射光纤，另外一根做出射光纤。最后排列成的整排光纤探头将有一半(入射部分光纤)制成一束做入射端光缆，另一半(出射部分光纤)制成一束做出射端光缆。并在出射端光缆10与光接收器件1之间加一组聚焦透镜4，多个双光纤探头2的传导光点经透镜4聚焦后再用光接收器件(CCD、COMS、光电二极管等)检测各光纤出射端的光强变化来检测出液面位置，这样可以进一步提高检测精度。

参见图2，一对端面磨成45°角的光纤背对背靠在一起，入射光纤和出射光纤的端面分别与其光纤芯轴成45°角斜面，两根光纤端头摆齐形成探头传感端7，这样便组成了本发明光纤液位传感器的单个双光纤探头2。该结构光纤探头的光耦合效率最高。光从光入射端5进入，借助于传感端7的两个45°角斜面作为反射面，从光出射端6传出。将其放置在液体容器中，当液位上下变动时，该光纤探头位于液体中或空气中，由于液体和空气的折射率不同，因而光反射亦不同，即光的损失不相同。这样，采用检测光强度变化的方法就可以检测出双光纤探头2传感端7是处在液面上还是液面下。

实施例二

参见图3，一种可变精度的位移测量传感器，该光纤位移传感器是由光源2、单光纤探头8及光缆10、遮光板9、光接收器件1等组成。光源2由多个发光二极管自下而上组成直线形点光源，并经过一使光均匀化的均光板11(如毛玻璃等)转化为较为均匀的线光源。多根单光纤探头8按照一定高度差ΔH排列，每个单光纤探头8的光入射端与光纤芯轴成45°角斜面构成传感端面并与发光二极管相对；均光板11与单光纤探头排之间设置一可上下移动的遮光板9；每个单光纤探头8的光出射端的光纤引出形成光纤束构成出射端光缆10与光接收器件1光连接；通过调整单光纤探头8传感端面的高度差ΔH，来控制测量位移的精度。该传感器是通过遮光板9的位置移动来遮挡光源2，从而改变光纤探头入射端受光源照射的光纤数目和光强，同时引起光纤探头出射端的光强变化。光接收器件1根据光纤接收端总光强的变化量可以判断受光源照射的光纤遮挡量，根据排列规则，可以智能地测量出位移量。

参见图4(a)，在实施例一中，采用多个图2结构的双光纤探头2按一定顺序以高度差ΔH在平面上组成一排就可进行大量程的液位测量。每个双光纤探头2竖向间隔ΔH的变化可达到一定范围的可变测量精度，且可根据具体测量精度的要求，来准确调整好ΔH的大小。光接收器件1根据光纤接收光强的强弱可以判断浸入液体内的光纤探头数量，根据排列规则，可以智能地测量出液位高度。这些光纤探头排列的高度差ΔH可大可小，且只需要判断每一个双光纤探头的光强的高低来测量液位，因此，本发明测量精度高，并可根据用户需要灵活设计光纤探头排列的高度差ΔH，从而实现了可变精度测量液位的目的。

具体做法是，先将一定数量的双光纤探头2平行排列在一块基板上，基板下端制作成三角形，顶角的角度与所采用光纤的直径有关。在第一块基板I顶角竖直向上先置有一个光纤探头，其两边依次排列数量相等的双光纤探头2，各探头的传感端7之间按高度差ΔH规则排列。其余基板II、III、...依次类推。把各块基板依次在空间叠层，叠层之间按高度差ΔH’规则排列，这样就组成了液位测量传感器光纤探头的空间组合结构。也可采用其它类似排列方式对这些光纤探头进行排列。

参见图4(b)，在实施例二中，把每根光纤的末端磨制成45°角形成光入射端的传感端斜面，多根单光纤探头8按图4(a)类似的方法分别在基板I、II、III、...上组成一排，把各块基板依次在空间叠层，叠层之间按高度差ΔH’规则排列，这样就组成了位移测量传感器光纤探头的空间组合结构。通过调整光纤探头的纵向排列间距ΔH(高度差)，来控制测量位移的精度。

本发明可变精度光纤传感器的光接收器件1可采用以下三种具体方案：

(1)对测量精度要求高的传感器，可用CCD作为出射光强的接收器件，把检测到的各光纤探头传感端对应的光斑变化通过一定算法进行图像处理，并用DSP对CCD图象中每个光斑的亮暗进行判断处理，从而实现了高精度的准确测量。通过查表标定等方式可精确检测出液面的高度，最后输出到适于用户观察的可视化界面上。

(2)为了降低生产成本，对测量精度要求较低的传感器，光接收器件1可用光电管、光电池等对光纤出射端光点的总体光强进行统一采集放大，并根据光点总体亮度的变化情况来实现液位的测量。

(3)如图5所示，把光纤出射端的每根光纤与用户表盘上的刻度点直接相连。当与表盘刻度点连接的那些光纤未浸入到液体中时，表盘上对应的那些刻度点是暗的。当液位降低时，表盘上对应的刻度点将依次变亮(图5(a)半圆形表盘从右向左，图5(b)条形表盘从上向下)。故通过观察表盘上的刻度点亮、暗情况，从而检测出液位的高低。当表盘上的所有的刻度点全亮时，则说明已无被测液体存在。

Claims (8)

1.一种可变精度的光纤传感器，包括探头、光源和光接收器件，所述光源和光接收器件分别通过传光介质与探头光连接，其特征在于，所述探头为双光纤探头，包括传感端、入射端和出射端，多个所述双光纤探头在平面上组成一排，每个双光纤探头传感端按照高度差ΔH排列；所述传光介质为光缆，该光缆由每个双光纤探头的入射端或出射端的引出光纤形成的光纤束构成，分为入射端光缆和出射端光缆；所述具有高度差ΔH的双光纤探头排在空间上可组成高度差为ΔH’的多排。

2.根据权利要求1所述的可变精度的光纤传感器，其特征在于，所述的双光纤探头由两根末端分别与其光纤芯轴成45°斜面的光纤组合而成，两斜面背对背靠在一起形成传感端，借助于传感端部的斜面作为反射面。

3.根据权利要求1所述的可变精度的光纤传感器，其特征在于，所述出射端光缆与光接收器件之间可设置一块聚焦透镜。

4.一种可变精度的光纤传感器，包括探头、光源和光接收器件，所述光接收器件通过传光介质与探头光连接，其特征在于，所述探头为单光纤探头，包括入射端和出射端，多个所述单光纤探头在平面上组成一排，每个单光纤探头的光入射端与光纤芯轴成锐角斜面构成传感端，每个单光纤探头传感端按照高度差ΔH排列；所述传光介质为光缆，该光缆由每个单光纤探头的出射端的引出光纤形成的光纤束构成；所述具有高度差ΔH的单光纤探头排在空间上可组成高度差为ΔH’的多排；所述光源由多个自上而下直线排列的发光二极管构成，并在长度方向上与单光纤探头排平行，每个单光纤探头传感端的锐角斜面都与发光二极管相对，发光二极管与单光纤探头排之间设置一可上下移动的遮光板。

5.根据权利要求4所述的可变精度的光纤传感器，其特征在于，所述的发光二极管设置在一块均光板上，使点光源转化为线光源。

6.根据权利要求4所述的可变精度的光纤传感器，其特征在于，所述的锐角为45°角；

7.根据权利要求1或4所述的可变精度的光纤传感器，其特征在于，所述光接收器件为带刻度的条形或半圆形表盘，出射端光缆的每根光纤与所述表盘上的刻度点直接相连，根据光纤探头检测的光强变化，可在圆形表盘或条形表盘直观显示亮度。

8.根据权利要求1或4所述的可变精度的光纤传感器，其特征在于，所述光接收器件为CCD、CMOS、PSD、光电管和光电池的一种。

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