CN101718571B - 一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪 - Google Patents

一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪 Download PDF

Info

Publication number
CN101718571B
CN101718571B CN2009102289655A CN200910228965A CN101718571B CN 101718571 B CN101718571 B CN 101718571B CN 2009102289655 A CN2009102289655 A CN 2009102289655A CN 200910228965 A CN200910228965 A CN 200910228965A CN 101718571 B CN101718571 B CN 101718571B
Authority
CN
China
Prior art keywords
liquid level
tfbg
optical fiber
grating
measuring instrument
Prior art date
Application number
CN2009102289655A
Other languages
English (en)
Other versions
CN101718571A (zh
Inventor
苗银萍
魏臻
刘波
张红敏
刘健
盖琪
Original Assignee
天津理工大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 天津理工大学 filed Critical 天津理工大学
Priority to CN2009102289655A priority Critical patent/CN101718571B/zh
Publication of CN101718571A publication Critical patent/CN101718571A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN101718571B publication Critical patent/CN101718571B/zh

Links

Abstract

一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪,包括光源、光分路器、倾斜光纤光栅、光谱分析仪、光电探测器和连接用单模光纤;所述倾斜光纤光栅是利用相位掩模侧面辐射技术、在写制过程中将模板倾斜并通过准分子激光紫外写入载氢的单模光纤中制得;倾斜光纤光栅位于被测容器的液面处且倾斜光纤光栅的上端一定伸出被测容器的液面。本发明的优点是:该光纤液位变化测量仪采用倾斜光纤光栅传感器为传感元件,其集传统光纤光栅的优点与倾斜光纤光栅的本征特性于一体,具有成本低廉、制作工艺简单、精度高和重复性好等优点;此外耐高温、耐腐蚀、测量精度高、抗干扰,易复用,适合在各种折射率液体环境下进行直接连续的测量。

Description

一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪技术领域
[0001] 本发明属于光纤液位变化测量仪中的传感技术,特别是一种倾斜光纤光栅液位变 化测量仪。背景技术
[0002] 光纤光栅是一种新型的光子器件,它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射 率分布,可以改变和控制光在光纤中的传播行为。倾斜光纤光栅是一种光栅栅面相对于光 纤轴有一定倾斜角度的短周期光纤光栅。倾斜光纤光栅是利用特殊的写制方法,在光纤的 纤芯内写入与光纤轴向成一定夹角的光栅,可以将特定波长范围的光从光纤纤芯耦合到光 纤包层中。在单模光纤中,栅面的倾斜使前向传输的纤芯模与后向传输的包层模之间的耦 合得以加强,而前向传输的纤芯模与后向传输的纤芯模之间的耦合被减弱,所以有两种耦 合;并且反向传输的包层模衰减的很快,在反射谱中不能观测到。因此,在透射谱中有纤芯 模和大量的包层模存在,其中,纤芯模对温度、应变等物理量非常敏感,而包层模则对环境 的折射率非常敏感。
[0003] 倾斜光纤光栅液位传感器的原理是基于包层模对外界折射率的敏感特性以及浸 入长度对包层模耦合的影响情况实现的。由于倾斜光纤光栅对不同折射率的液体有不同的 敏感特性,反应在包层模上是不同阶的包层模的情况不同。同时由于浸入液体的光栅长度 对所有包层模耦合强度整体的影响不同,即随着光栅浸入深度的增加而增加,因此,可以根 据包层模耦合强度的变化与光栅浸入深度的变化关系,测量并计算出被测液位的变化。
[0004] 在现有的光纤液位测量技术中,对于各种环境下液位的感测是采用腐蚀后的布喇 格光栅和长周期光纤光栅作为传感元件去实现的,前者降低了光栅本身的机械强度,后者 有着内在的温度交叉敏感效应,在极易受到外界温度影响的环境里,降低了它的广泛应用 性。因此,一定程度上限制了其应用范围。而倾斜光纤光栅避免了二者的缺点又同时具有 二者的优点。目前尚未有采用倾斜光纤光栅传感器对各种液体的液位等信号感测及分析的 方案。发明内容
[0005] 本发明的目的是针对上述存在问题,提供一种机械强度高、温度交叉敏感效应小、 测量精度高、重复性好、可以实现液位连续与直接测量且制作工艺简单、成本低廉的采用倾 斜光纤光栅传感器的光纤液位变化测量仪。
[0006] 本发明的技术方案:
[0007] —种倾斜光纤光栅液位变化测量仪,包括光源、两个光分路器a、b、倾斜光纤光栅、 光谱分析仪、两个光电探测器a、b和连接用单模光纤;光源通过单模光纤与光分路器a连 接,光分路器a —端作为参考臂通过单模光纤与光电探测器a相连,另一端通过单模光纤分 别与倾斜光纤光栅和光分路器b串联连接,光分路器b—端与光谱分析仪相连,另一端与光 电探测器b相连;倾斜光纤光栅位于被测容器的液面处、不能水平放置且倾斜光纤光栅的上端一定伸出被测容器的液面。
[0008] 所述光源采用扫描激光器或宽带光源,其波段能覆盖倾斜光纤光栅的波段。
[0009] 所述倾斜光纤光栅是利用相位掩模侧面辐射技术、在写制过程中将模板倾斜并通 过准分子激光紫外写入载氢的单模光纤中制得,该倾斜光纤光栅的周期均勻,其栅区长度 为1CM-3CM,栅面倾斜角度为1-8度,倾斜光纤光栅的表面不需要进行任何结构处理。
[0010] 本发明的测试原理:
[0011] 处于空气中的倾斜光纤光栅中有两种不同的耦合存在:纤芯模的耦合、纤芯模与 包层模之间的耦合,包层模的耦合不仅与纤芯模的有效折射率有关,还与包层模的有效折 射率有关,而包层模的有效折射率又受到外界环境的影响,反应在透射谱上是:在不同的折 射率溶液中有不同的耦合情况。同时浸入液体的光栅长度也影响到了包层模耦合强度的 变化,由于倾斜光纤光栅一部分置于溶液中,一部分在空气中,所以这两部分各有不同的耦 合,即:前者是纤芯模与辐射模的耦合,后者是纤芯模与包层模的耦合,随着浸入液体中长 度的增加,由纤芯模与包层模的耦合逐渐的转变为纤芯模与辐射模的耦合而辐射掉,因此 其耦合强度在逐渐的降低。根据能量守恒,Tffili= I-Taiio对于具有不同折射率液体的液 位检测,其耦合强度的减小趋势是一样的。只是由于不同液体的折射率不同,反应在透射光 谱的不同阶包层模谐振波长所受的影响不一样。当处于折射率小的溶液中仅仅为高阶包层 模受影响,而随着折射率的增大直至接近于包层折射率时,逐渐的低阶包层模也受影响。因 此该传感器不仅可以实现对同一种液体的液位进行连续的检测,还可以实现对不同液面的 间隔或者跃变进行辨别。由于在不同液位情况下,对包层模耦合的影响不同,从而倾斜光纤 光栅透射功率的变化与液位的该变量将具有一定的函数关系。因此,通过计算其透射功率 的变化实现对液位的测量。
[0012] 对于具有一定折射率的液体,由于浸入液体中长度的增加不仅会导致包层模耦合 强度减小,而且包层模的谐振峰也会向短波方向漂移。在以包层模谐振峰波长的漂移为参 量时,包层模谐振波长的漂移和液位的改变量具有一定的函数关系,因此,可以通过谐振波 长的变化来实现对液位的测量。液位的变化引起的波长漂移量比温度引起的波长漂移量大 的多,但是为了能够准确地获得相应的液位变化值,需要对温度进行补偿。由于在对倾斜光 纤光栅的研究中我们发现纤芯模与包层模具有相似的温度敏感性,我们可以通过检测倾斜 光纤光栅的透射谱中包层模与纤芯模之间的间隔随液位变化的大小,从而确定液位这个传 感参量。这样设计的光纤光栅液位传感器具有不受环境温度影响的优点。
[0013] 本发明的有益效果是:该光纤液位变化测量仪采用倾斜光纤光栅传感器为传感元 件,其集传统光纤光栅的优点与新型倾斜光纤光栅的本征特性于一体,具有成本低廉、制作 工艺简单、可以实现液位连续并直接测量、精度高和重复性好的光纤液位传感器等优点;此 外耐高温、耐腐蚀和光纤光栅型传感器测量精度高、小型化、抗干扰,易复用等特点于一身, 适合在各种折射率液体环境下进行直接连续的测量。附图说明
[0014] 图1是该液位变化测量仪的结构示意图。
[0015] 图中:1.光源 2-I、2-II.光分路器a、b 3.倾斜光纤光栅4.被测容器
[0016] 5.光谱分析仪 6-I、6-II.光电探测器a、b 7.单模光纤具体实施方式
[0017] 实施例:
[0018] 一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪,包括光源1、两个光分路器a、l32-I、2-II、倾 斜光纤光栅3、光谱分析仪5、两个光电探测器a、t36-I、6-II和连接用单模光纤7 ;光源1通 过单模光纤7与光分路器a2-I连接,光分路器a2-I —端作为参考臂通过单模光纤7与光 电探测器a6-I相连,另一端通过单模光纤7分别与倾斜光纤光栅3和光分路器1^2-11串联 连接,光分路器1^2-11 —端与光谱分析仪5相连,另一端与光电探测器b6-II相连;倾斜光 纤光栅3位于被测容器4的液面处、不能水平放置且倾斜光纤光栅3的上端一定伸出被测 容器4的液面。该实施例中,光源1采用工作波段为1530-1570nm的宽带光源;光分路器 a,b2-I,2-II采用型号为2¾的光耦合器,天津市金飞博光通讯技术有限公司生产;光谱分 析仪的型号为AV6361,中国电子部41所生产;光电探测器的型号为zolix,北京卓立汉光仪 器有限公司生产。倾斜光纤光栅3是利用相位掩模侧面辐射技术、在写制过程中将模板倾 斜并通过准分子激光紫外写入载氢的单模光纤中制得,该倾斜光纤光栅3的周期均勻,其 栅区长度为2CM,栅面倾斜角度为5度,倾斜光纤光栅3的透射谱中包层模谐振峰的范围为 1530nm-1559nm,纤芯模的谐振峰为1561. 5nm ;单模光纤7采用1550nm波段的单模光纤。采 用折射率为1. 389的汽油作为被测容器4中能够改变液位的液体,将倾斜光纤光栅3垂直 置于能够自由改变液位升降的被测容器4,浸没长度从零开始,然后慢慢注入液体以连续改 变液位,用光谱仪检测透射谱的变化以及用光电探测器计算透射功率的变化。

Claims (3)

1. 一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪,其特征在于:包括光源、两个光分路器a、b、倾 斜光纤光栅、光谱分析仪、两个光电探测器a、b和连接用单模光纤;光源通过单模光纤与光 分路器a连接,光分路器a —端作为参考臂通过单模光纤与光电探测器a相连,另一端通过 单模光纤依次与倾斜光纤光栅和光分路器b串联连接,光分路器b —端与光谱分析仪相连, 另一端与光电探测器b相连;倾斜光纤光栅位于被测容器的液面处、不能水平放置且倾斜 光纤光栅的上端一定伸出被测容器的液面。
2.根据权利要求1所述倾斜光纤光栅液位变化测量仪,其特征在于:所述光源采用扫 描激光器或宽带光源,其波段能覆盖倾斜光纤光栅的波段。
3.根据权利要求1所述倾斜光纤光栅液位变化测量仪,其特征在于:所述倾斜光纤光 栅是利用相位掩模侧面辐射技术、在写制过程中将模板倾斜并通过准分子激光紫外写入载 氢的单模光纤中制得,该倾斜光纤光栅的周期均勻,其栅区长度为1CM-3CM,栅面倾斜角度 为1-8度,倾斜光纤光栅的表面不需要进行任何结构处理。
CN2009102289655A 2009-12-04 2009-12-04 一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪 CN101718571B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009102289655A CN101718571B (zh) 2009-12-04 2009-12-04 一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN2009102289655A CN101718571B (zh) 2009-12-04 2009-12-04 一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN101718571A CN101718571A (zh) 2010-06-02
CN101718571B true CN101718571B (zh) 2011-05-11

Family

ID=42433177

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009102289655A CN101718571B (zh) 2009-12-04 2009-12-04 一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN101718571B (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016125614A1 (de) * 2016-12-23 2018-06-28 fos4X GmbH Optische Füllstandsmesseinrichtung und Verfahren zum Messen eines Füllstandes

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101846577B (zh) * 2010-06-18 2014-11-26 珠海保税区光联通讯技术有限公司 无源光纤传感器及光纤检测系统
CN103196520A (zh) * 2012-01-06 2013-07-10 中国计量学院 异芯结构透射式光纤液位传感器
CN102562034B (zh) * 2012-01-17 2015-02-25 李儒峰 基于光纤传感的煤层气井液位监测系统
CN103644953B (zh) * 2013-12-27 2017-01-25 电子科技大学 一种透明液体液位测量方法及实现装置
CN103884401B (zh) * 2014-03-31 2017-03-08 武汉理工大学 光纤油水分界面的检测装置及检测方法
CN104089682B (zh) * 2014-07-18 2018-01-12 厦门大学 一种液位检测装置及其检测方法
CN104154968A (zh) * 2014-07-23 2014-11-19 中国计量学院 一种基于细芯倾斜光纤光栅的液位传感器
CN104697609B (zh) * 2015-03-24 2019-02-15 吉林大学 光纤干涉水位传感器
CN106546182B (zh) * 2016-11-03 2019-01-18 北京信息科技大学 一种倾斜结构的耐高温光纤光栅应变传感器
CN109373916A (zh) * 2018-11-30 2019-02-22 中国计量大学 一种用TFBG实现对Au薄膜生长的实时监控装置
CN110057426B (zh) * 2019-05-06 2021-03-16 武汉理工大学 基于布喇格光栅周围应变层的暗池液位测量系统及方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016125614A1 (de) * 2016-12-23 2018-06-28 fos4X GmbH Optische Füllstandsmesseinrichtung und Verfahren zum Messen eines Füllstandes

Also Published As

Publication number Publication date
CN101718571A (zh) 2010-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhao et al. Distributed shape sensing using Brillouin scattering in multi-core fibers
US6366722B1 (en) Optical waveguide sensors having high refractive index sensitivity
Gu et al. Optical fiber long-period grating with solgel coating for gas sensor
US4745293A (en) Method and apparatus for optically measuring fluid levels
Laffont et al. Tilted short-period fibre-Bragg-grating-induced coupling to cladding modes for accurate refractometry
Caucheteur et al. Demodulation technique for weakly tilted fiber Bragg grating refractometer
US7228017B2 (en) Fiber optic sensing device and method of making and operating the same
CN100458406C (zh) 光纤微结构马赫-曾德尔干涉式spr化学生物传感器及系统
Bo et al. Liquid-level sensor with a high-birefringence-fiber loop mirror
Wang et al. Macrobending single-mode fiber-based refractometer
Chiu et al. D-type fiber biosensor based on surface-plasmon resonance technology and heterodyne interferometry
Yun et al. Highly sensitive liquid-level sensor based on etched fiber Bragg grating
CN101632013B (zh) 光纤传感器
US6975388B2 (en) Optical-fiber refractometer
CN100468008C (zh) 写有光栅的光子晶体光纤的横向应力传感系统及实现方法
CN100367016C (zh) 光纤温度测量仪及其测量方法
CN100468105C (zh) 光纤布拉格光栅传感器的制作方法
CN100437036C (zh) 同时测量液体温度和折射率的光纤传感装置
US5164608A (en) Plural wavelength fiber optic liquid level sensor for multiple liquids
CN102012359B (zh) 一种液体多参数传感器
Guo et al. Temperature sensor using an optical fiber coupler with a thin film
Pang et al. Temperature-insensitivity bending sensor based on cladding-mode resonance of special optical fiber
CN201397268Y (zh) 一种杨氏模量的测量系统
Liu et al. Fiber optic sensor development for real-time in-situ epoxy cure monitoring
Lee et al. Chemical sensing with microbent optical fiber

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
C06 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C10 Entry into substantive examination
GR01 Patent grant
C14 Grant of patent or utility model
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20110511

Termination date: 20121204

C17 Cessation of patent right