CN103196520A - 异芯结构透射式光纤液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异芯结构透射式光纤液位传感器，包括宽带光源、传感头和光纤光谱分析仪。其中传感头是在普通单模光纤中部熔接一段细芯单模光纤组成，测量时细芯单模光纤一部分处于液面之上，一部分处于液面之下。由普通单模光纤接收来自宽带光源的光并耦合至细芯单模光纤，在细芯单模光纤内以芯模和包层模的形式传输，形成类似马赫-曾德干涉仪。两部分光相干干涉后再次耦合入普通单模光纤，最后导入至光纤光谱分析仪。测量透射光谱中特征峰波长的漂移量，即可计算出液位的变化量。本发明结构紧凑，具有制备简单，测量精度高，测量范围广和本身安全防爆等有益效果，特别适用于易燃液体液位的精密测量。

Description

异芯结构透射式光纤液位传感器

技术领域

本发明涉及一种透射式光纤液位传感器，尤其涉及异芯光纤熔接，使得光纤中芯模和包层模产生干涉，形成类似马赫-曾德干涉仪，通过测量透射光谱中特征峰波长的漂移量从而测定液位的变化量。主要运用于测量液面变化量较小，精度要求较高的场合，特别适用于易燃液体的测量，如燃油等。

背景技术

在石油、化工、电力、冶金、国防军事部门因生产或储存须用各种型式的储罐，来存放各种易燃、易爆的油料或化工液体原料，对这些储罐的液位进行检测，不仅要求探测器具有较高的测量精度、更好可靠性及稳定性和将液位信号远传的功能，而且要求测量仪器具有本质安全防爆，并且能适用于特殊恶劣环境测量，这样的液位传感器是当下人们关注的焦点。

目前，应用于生产、生活中的液位传感器主要有以下几种：机械式液位传感器；液压式液位传感器；雷达、超声波液位传感器；利用放射元素式液位传感器和光学类液位传感器。

机械式液位传感器通过机械传动装置把和液位处于相同高度的浮子(如水箱中的水漂)高度信息转换成相应的电信号，然后通过与之配套的解调设备测算出液位高度。此种传感器可以实现对液位的连续测量，但是随着使用时间的延长，会有大量沉淀附着于传动装置上，导致装置测量灵敏度大大降低，直至产生故障。

液压式液位传感器通过容器底部或侧壁上相应位置的传感器感受压力变化，并将所感受到的液位变化信号传送到解调系统中，得出相应的液位高度值。测量精度受到解调系统精度的限制，而且被测液体的密度需要是均匀和已知的。

雷达、超声波液位传感器的测量通过测量电磁波信号从发射至探测器接收反射信号的时间差来测量液位，可用于恶劣的环境，但是由于雷达传感器的测量信号激发时间很短，因此需要有能快速分析、处理信号的解调设备对其进行解调，才能保证所得数据的准确性，这也导致其价格昂贵，不利于实际应用。

放射元素式液位传感器通过测量射线从发射到被反射回来的时间来达到测量液位的目的。因其放射线能量损失较大，导致测量误差偏大，而且此方法具有和辐射性，所以对人体健康不利。

光学类液位传感器具有测量精度高、不受电磁干扰等优点，受到广泛关注。近年来国内外报道了多种新型的光学类液位传感器，其中光纤光栅液位传感器具有测量精度高，反映灵敏，能应用于诸多恶劣的环境等优点而备受青睐。如浙江大学报导的光纤光栅液位传感器，应用波长解调，其灵敏度可到0.036mm/pm；广西师范大学对应用长周期光纤光栅作为液位传感器进行了研究，发现当以峰值损耗为传感参量进行测量时，当有过耦合发生时，光栅峰值损耗与进入液体的百分比不再一一对应。黑龙江大学报导设计的一种将光纤光栅与波登管有效的结合的高灵敏度光纤光栅液位传感器，可以实现高灵敏度的液位测量，在6.5m的液位高度内，其灵敏度均值高达65.771nm/Mpa。类似的还有X.W.Dong等人报导了应用侧边抛光的光纤布拉格光栅液位传感器，Kyung-Rak Sohn报导了将光纤布拉格光栅嵌入悬臂和浮子之间的液位传感器。所有这些液面传感器都需要应用到光纤光栅，而光纤光栅的制备比较复杂，要求应用到价格高昂的光栅刻录机和精准的控制操作，另一方面，测量范围较小，受制于光纤光栅的刻录长度。Y.F.Yang等人报导了利用液面反射光干涉原理制备的液面传感器，虽然有较高的精度，但反射的信号非常微弱，对探测器灵敏度有较高的要求。最近J.E.Antonio-Lopez等人报导了单模光纤与一段多模光纤或无芯光纤熔接，利用多模干涉自成像的原理测量液位的变化，利用谱线峰值波长解调获得液面的变化量。该方法测量灵敏度高，应用不同长度的多模或无芯光纤，便于分布式多点测量。缺点在于多模或无芯光纤的长度需要精确控制，且易受温度的影响。

基于目前液位传感器存在的不足，充分发挥光纤传感器的优势，本发明专利提出了一种结构简单，制备容易，测量精度高，测量范围广的异芯结构光纤液位传感器。

发明内容

本发明要解决的是现有技术存在的上述不足之处，提供一种高精度、结构简单、制备方便的透射式光纤液位传感器。

解决上述问题的技术方案是：异芯结构透射式光纤液位传感器，其包括宽带光源，光纤传感头和光纤光谱分析仪，其特征在于：

所述的宽带光源为带宽较大的连续谱光源，可产生1400～1700nm波长的光，可直接耦合进单模光纤；

所述的光纤传感头是在普通单模光纤的中间熔接一定长度无涂敷层的细芯单模光纤，要求细芯光纤的芯径小于普通的单模光纤芯径，形成三明治结构。普通单模光纤芯径约8～9微米，细芯单模光纤芯径约3～5微米。普通单模光纤接收来自宽带光源的光并耦合至细芯单模光纤，由于芯径的不匹配，原来在单模光纤中以芯模传输的光在第一个熔接点处耦合进细芯光纤，以芯模和多个包层模的形式传输。细芯光纤中芯模束缚于光纤内部传输不受外界媒质的影响；包层模以倏逝波的形式与外界媒质相互作用，因此传输过程中受到外界媒质的折射率影响。使用时细芯单模光纤垂直浸入待测液体，一部分位于液面之上即空气中，另一部分位于液面之下。空气和待测液体的折射率不同，当液位发生变化时，细芯光纤处于空气和液体的长度也分别发生变化，芯模与包层模传输到第二个熔接点处产生干涉时的光程差也就会发生变化。细芯光纤部分相当于共轴的马赫-曾德干涉仪，其纤芯可看作参考臂，传导芯模，包层可看作传感臂，传导包层模。芯模和包层模在第二个熔接点处干涉耦合进入导出单模光纤，以芯模形式传输给光纤光谱分析仪。通过测量透射光谱中特征峰波长的漂移量，从而计算得到液位的变化量。增加细芯光纤的长度，可以增大其测量量程。提高光纤光谱分析仪的分辨率，可提高该传感头的液位测量分辨率，若光纤光谱分析仪的分辨率为1皮米，则该传感头测量液位的分辨率可达到4微米左右。

所述的光纤光谱分析仪包括单色仪、光电探测器、放大整形电路、数据采集卡和微型计算机，所述的单色仪输入端接普通单模光纤的光输出端，其输出端接光电探测器；所述光电探测器的输出端接放大整形电路的输入端；所述放大整形电路的输出端接数据采集卡的输入端；所述数据采集卡的输出端接微型计算机。

本发明具有以下有益效果：

1)传感探头采用细芯单模光纤和普通单模光纤熔接的方式，结构简单，制备方便，且灵敏度高。

2)传感探头测量量程大，可在宽量程范围内实现高精度的液位测量，并且随着待测液体折射率的升高，测量灵敏度也随之升高。

3)透射谱中特征峰波长漂移量与液位变化量呈线性关系，便于测量前的标定和实际液位定量测量。

4)当液面升高或降低超出细芯单模光纤范围时，马赫-曾德干涉仪的传感条件消失，透射光谱发生突变，因此可将细芯单模光纤的上下熔接点作为临界液位报警位置。

5)传感头采用全光纤制备，具有本质安全防爆的特点，特别适合于易燃易爆液体的液位或体积监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明异芯结构透射式光纤液位传感器的结构示意图。

图2是异芯结构透射式光纤液位传感头的结构示意图。

图中，1.宽带光源；2.普通单模光纤；21.普通单模光纤纤芯；3.细芯单模光纤；31.细芯单模光纤纤芯；32.细芯单模光纤包层；4.光谱分析仪；5.待测液体；6.单色仪；7.光电探测器；8.放大整形电路；9.数据采集卡；10.微型计算机；11.空气。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行说明。

图1是本发明用于异芯结构透射式光纤液位传感器的结构示意图，本实施例包括：宽带光源1、普通单模光纤2、细芯单模光纤3、光纤光谱分析仪4，其中：宽带光源1产生的1400～1700nm的连续光谱光耦合进普通单模光纤2，普通单模光纤2中间截断并熔接一定长度的细芯单模光纤3，并将光耦合至细芯单模光纤3，形成光的干涉，相干光再次耦合入普通单模光纤2并传送给光纤光谱分析仪4。

所述的细芯单模光纤3首先用剥线钳去掉涂敷层，用酒精棉球将表面擦拭干净，然后熔接于单模光纤中间。使用时垂直浸入待测液体5，一部分位于液面之上即空气11中，另一部分位于液面之下。

所述的光纤光谱分析仪4包括单色仪6、光电探测器7、放大整形电路8、数据采集卡9和微型计算机10，所述的单色仪6输入端接普通单模光纤2的光输出端，其输出端接光电探测器7；所述光电探测器7的输出端接放大整形电路8的输入端；所述放大整形电路8的输出端接数据采集卡9的输入端；所述数据采集卡9的输出端接微型计算机10。

结合图1，介绍具体的工作原理：宽带光源1产生的宽光谱光耦合进普通单模光纤纤芯2，以芯模的形式在普通单模光纤纤芯21中传输。在第一个熔接点处耦合进细芯光纤3，由于细芯单模光纤3的纤芯较细，一部分光耦合进入细芯单模光纤纤芯31以芯模形式传输，该部分光束缚于光纤内部传输，因此不受外界媒质的影响；另一部分光进入细芯单模光纤包层32以包层模传输，由于包层模与外界媒质以倏逝波的形式相互作用，因此受到外界媒质折射率的影响。细芯光纤传感头可以看作一个共轴的马赫-曾德干涉仪：细芯光纤纤芯31充当参考臂，细芯光纤包层32充当传感臂，包层模从细芯光纤的一端传输到另一端产生的相位变化受到外界媒质的影响。芯模和包层模在细芯光纤的末端产生干涉，该干涉光再次耦合进普通单模光纤2并将光送进单色仪6分光，单色仪6分离的单色光被光电探测器7探测后送人放大整形电路8，再经数据采集卡9采集数据由微型计算机10处理。液位的变化引起空气段和浸入液体段细芯光纤的长度均发生变化，从而包层模与芯模的相位差产生变化，两者产生的干涉光光强也会发生改变。通过光纤光谱分析仪测量透射光谱中特征峰波长的改变量，从而计算得到液位的改变量。经理论分析可知，该传感器测量灵敏度正比于空气段和浸入液体段的包层模有效折射率之差，由于空气折射率不变，因此待测液体折射率越大，该差值也越大，测量灵敏度随之增大。增加细芯光纤的长度，可以增大传感头的测量范围。光纤光谱分析仪的分辨率越高，则此传感头测量液位的分辨率也越高。

图2是异芯结构透射式光纤液位传感头的结构示意图，所述的细芯单模光纤3两端熔接于普通单模光纤2，且细芯光纤的芯径小于普通单模光纤芯径，使用时细芯单模光纤垂直放置，一部分浸入待测液体5，另一部分暴露于空气11中。

应当指出，以上所述具体实施方式可以使本领域的技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。因此，尽管本说明书参照附图和实施例对本发明进行了详细的说明，但是，本领域技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，总之，一切不脱离本发明创造的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明创造专利的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于异芯结构透射式光纤液位传感器，包括宽带光源、传感头和光纤光谱分析仪，其特征在于

所述的宽带光源(1)为可产生1400～1700nm连续光谱的光源，可直接耦合进普通单模光纤；

所述的异芯结构光纤传感头包括普通单模光纤(2)和细芯单模光纤(3)，普通单模光纤(2)中间截断，熔接一定长度的细芯单模光纤(3)，构成三明治结构，由普通单模光纤(2)接收来自宽带光源(1)的光并耦合至细芯单模光纤(3)，形成光的干涉，相干光再次耦合入普通单模光纤(2)；

所述的光纤光谱分析仪(4)包括单色仪(6)、光电探测器(7)、放大整形电路(8)、数据采集卡(9)和微型计算机(10)，所述的单色仪(6)输入端接普通单模光纤(2)的光输出端，其输出端接光电探测器(7)；所述光电探测器(7)的输出端接放大整形电路(8)的输入端；所述放大整形电路(8)的输出端接数据采集卡(9)的输入端；所述数据采集卡(9)的输出端接微型计算机(10)。

2.如权利要求1所述的普通单模光纤其芯径为8～9微米；细芯单模光纤其表面无涂敷层，芯径为1～5微米，且要求其芯径小于普通单模光纤的芯径，两者芯径差值越大越好。

3.如权利要求1所述的异芯结构透射式光纤液位传感头，其特征在于：进行液位测量时，要求所述的细芯单模光纤(3)垂直浸入待测液体(5)，且一部分位于液面之上即空气(11)中，另一部分位于液面之下。

4.如权利要求1所述的光纤传感头应用时，其作用相当于马赫-曾德干涉仪，细芯光纤中芯模和包层模产生干涉，通过测量透射光谱中特征峰波长的漂移量，从而计算得到液位的变化量。

5.如权利要求1所述的液位传感器，其光谱解调特性在于：透射谱中特征峰波长的漂移量与液位变化量呈线性关系；测量灵敏度随待测液体(5)的折射率升高而升高；测量分辨率随光纤光谱分析仪的分辨率提高而提高；测量量程可通过增加细芯单模光纤的长度而增大。

6.如权利要求1所述的透射式光纤液位传感器，其特征在于：细芯单模光纤(3)为传感探头，当液面上升或下降超出其范围时，上下两端的熔接点可作为液位临界位置报警的关键点。 

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