CN104198014B - 基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头。本发明首次提出基于“包层模受抑全内反射(CMFTIR)效应”的液位传感原理，并成功应用。通过宏弯的方式，改变光纤内模场分布，增加了光纤中包层模式能量的占比，增强了CMFTIR效应；同时由于宏弯辐射效应，实现了两根光纤间的宏弯耦合；通过宏弯耦合的方式将传感信号转移至暗场，耦合过程增加了调制深度，同时在无源光纤内获得更高的包层模式能量占比，也进一步增强了CMFTIR效应；同时保证了耦合结构的稳定性和传感器的一致性，通过探测暗场信号有效提高信噪比，实现了低成本，低功耗，高性能的液位探头，区分度高于4dB。

Description

基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头

技术领域

本发明涉及一种液位探头，具体涉及一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头。

背景技术

在石油、化学化工生产领域，液体化工品的液位自动化检测是实现安全作业的重要保证；在飞机，轮船等运行过程中燃油液位的监测同样具有广泛的需求。目前，传统的液位检测手段主要有：机械浮子式、电容式，超声波式等。其中，机械浮子类电子类在自动化和精度上存在缺陷；电容式传感器由于引入电信号，在易燃易爆环境下使用存在一定安全隐患，且大量的信号连接线路非常容易受到电磁干扰；超声波液位传感器往往存在盲区，气泡，油-水界面反射等问题。基于光纤的液位传感器由于非电测量，抗腐蚀，免疫电磁干扰，在石油领域被广泛采用。现有的光纤液位传感器主要有尖端反射式和压强敏感式两类。其中尖端反射式主要有三种加工方法：直接对光纤端面抛光研磨出反射斜面，通过电弧拉伸制作反射斜面或者利用棱镜制作反射斜面，其加工难度高，加工一致性差。且其尖端易受污染，导致区分度变差，同时由于其敏感结构为光纤尖端，因此气体凝结而成的水滴会导致其发生误判。更关键的是该类型传感器鲁棒性差，极易损坏。压强敏感式液位传感器，主要包括，光纤光栅式，法布里珀罗式等，但由于需要光谱仪等复杂昂贵的探测仪器，其高昂的制作和信号探测成本使其很难在石油化工领域被大规模应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，解决了传统液位测量方法上稳定性差，精度低，鲁棒性差的问题，实现了低能耗、低成本的安全环保液位检测系统的特殊探头。本发明实现了基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，利用光纤宏弯效应的子效应--CMFTIR效应，实现光纤外界介质折射率对液位探头正向耦合端输出功率的调制作用。

本发明对于液体液位进行深入研究，具有广阔的现实意义和应用价值。潜在应用领域为：军事、航空、安全、环境、医疗、化学工业等领域。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，包括

有源光纤，包括P0端，用于连接LED光源；P1端，用于连接光功率计；

无源光纤，包括P2端，用于连接光功率计；P3端用于连接光功率计；

耐高温导线，用于固定光纤以减少错位引起的耦合功率变化，减少误差；更可以防止光纤因应力引起的断裂；

所述有源光纤和无源光纤相互缠绕后整体弯曲形成双绞宏弯耦合环，所述耐高温导线紧密缠绕在所述宏弯耦合环上，所述有源光纤、无源光纤和耐高温导线通过塑胶管后，使用固定套灌注硅胶后固定，减轻了光纤受到外力应力变化引起不必要的误差。

其中，所述LED光源用于为整个液位探头提供光源能量。

其中，所述P1端是直通端，作为参考端口，P2端可参考P1端的功率变化，排除光源功率变化的影响。

其中，所述P2端是正向耦合端，用于探测暗场信号实现液位检测。

其中，所述P3端是反向耦合端。

其中，所述有源光纤和无源光纤均采用包层薄，柔韧性好的塑料光纤。

其中，本发明原创性的提出利用光纤“宏弯效应”实现两根裸光纤之间的暗场耦合，将其命名为“宏弯耦合”，且对暗场耦合原理给予解释，并首次给出了暗场耦合效率的定义；原创性的提出并阐释了“包层模受抑全内反射(CMFTIR)”液位检测原理，首次发现宏弯耦合系统可显著提高CMFTIR效应；首次提出TMBCS(双绞宏弯耦合结构)，有效增强了“宏弯暗场耦合效率”；首次利用宏弯耦合结构实现光纤内的暗场信号检测，获得了很好的信噪比。

结构上：相较于以前的光纤液位探头，首次利用两根裸光纤相互缠绕，制作了TMBCS宏弯耦合结构。

原理上，首次成功实现POF光纤宏弯暗场耦合，首次阐释了暗场耦合原理以及耦合系统对CMFTIR效应的增强效应，并且阐释了利用CMFTITR效应实现液位检测的原理。

材料上，使用的是POF(塑料光纤，Plastic Optical Fiber)。

封装上，在其应力敏感点上进行封胶，减少应力对液位探头的影响，保证稳固性。

本发明具有以下有益效果：

本发明首次提出基于“包层模受抑全内反射(CMFTIR)效应”的液位传感原理，并成功应用。通过宏弯的方式，改变光纤内模场分布，增加了光纤中包层模式能量的占比，增强了CMFTIR效应；同时由于宏弯辐射效应，实现了两根光纤间的宏弯耦合；通过宏弯耦合的方式将传感信号转移至暗场，耦合过程增加了调制深度，同时在无源光纤内获得更高的包层模式能量占比，也进一步增强了CMFTIR效应；通过双绞的方式提高了暗场耦合功率，增加了暗场信号的强度，同时保证了耦合结构的稳定性和传感器的一致性，通过探测暗场信号有效提高信噪比，解决了“光纤功率型传感器易受光源波动影响，传感信号极易淹没于光源噪声”的技术难题，同时制作实现了低成本，低功耗，高性能的液位探头，区分度高于4dB。

附图说明

图1为本发明实施例一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头的结构示意图。

图2为本发明实施例一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头的系统整体框图。

图3为本发明实施例一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头的原理图。

图4为本发明实施例中手指轻触不同结构时，所产生的光功率下降量不同图。

图5为本发明实施例一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头不同情况下的信噪比图。

[主要元件符号说明]

1、固定套；

2、无源光纤；

3、有源光纤；

4、耐高温导线；

5、宏弯耦合器；

6、宏弯辐射。

7、反向耦合光；

8、正向耦合光；

9、包层；

10、周围介质。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-2所示，本发明实施例提供了了一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，包括

有源光纤3，包括P0端，用于连接LED光源；P1端，用于连接光功率计；

无源光纤2，包括P2端，用于连接光功率计；P3端用于连接光功率计；

耐高温导线4，用于固定光纤以减少错位引起的耦合功率变化，减少误差；更可以防止光纤因应力引起的断裂；

所述有源光纤3和无源光纤2相互缠绕后整体弯曲形成宏弯耦合环，所述耐高温导线4紧密缠绕在所述宏弯耦合环上，所述有源光纤3、无源光纤2和耐高温导线4通过塑胶管后，使用固定套1灌注硅胶后固定，减轻了光纤受到外力应力变化引起不必要的误差。

所述LED光源用于为整个液位探头提供光源能量。

所述P1端是直通端，作为参考端口，P2端可参考P1端的功率变化，排除光源功率变化的影响。

所述P2端是正向耦合端，用于检测液位。

所述P3端是反向耦合端。

如图3所示，所述有源光纤3和无源光纤2均采用三菱SK-40的塑料光纤，包层薄，柔韧性好。

液位探头采用的是光纤宏弯耦合结构，光纤宏弯引起模场的畸变而在光纤外部空间内形成辐射光场，由于该辐射光场能量大大弱于光纤内部能量且与光源路径分开，因此称为暗场。暗场光在临近的同样弯曲的薄包层光纤内产生极化，其中小部分能量在邻近的光纤内重新分布，沿光纤轴同时形成向正、反两个方向传播的导模，实现了两根光纤之间的相互耦合。本发明利用该耦合机制实现液位传感器应用。而无源光纤中包层模式的能量占比更高，当光纤弯曲的时候，便会产生“包层模全内反射受抑”现象，使得无源光纤中的光发生泄漏。由于泄漏的光能量受到外界介质的折射率调制，其正向耦合端检测到的功率随着折射率的变化而变化。利用暗场检测来提取传感信号，不易受到光源噪声的影响，而LED光源波动大，一般的光纤液位传感器采用差分及相关运算来提高信噪比，但增加了复杂度、成本的同时，也降低了响应速度。本发明的液位探头采用宏弯耦合结构，利用“包层模受抑全内反射”效用以暗场检测的方法实现液位的探测，实现了低成本，低功耗，高信噪比，高响应速度的液位探头。

实施例

CMFTIR效应增强实验(手指触碰)

单根直光纤，一端接led光源，一端接光功率计。手指轻触光纤，功率计测量所得的功率没有变化，表明在完整的直光纤内几乎观测不到CMFTIR效应。

单根光纤构成宏弯环结构，一端接led光源，一端接光功率计。手指轻触光纤弯曲部分的顶端，功率计测量所得的归一化功率下降5％左右，表明此时CMFTIR效应有一定程度增强。这是因为光纤宏弯引起光纤内模场的变化，在弯曲光纤中产生相对更多的包层模式，手指轻触导致更多包层模辐射出去，从而引起光功率的下降。此时虽有CMFTIR效应增强，但是效果不明显。

两根光纤制成双绞宏弯耦合结构(TMBCS)，手指轻触TMBCS顶端，相较于直光纤和单根宏弯情况下，无源光纤的正向耦合端输出归一化功率下降了30％-40％，下降幅度大大提高。这是由于利用宏弯暗场耦合，使得在TMBCS的无源光纤内的包层模式的比例大大高于有源光纤，从而进一步增强CMFTIR效应，增强的效果显著。

综上所述，双绞宏弯耦合结构能够大大增强CMFTIR效应，显著提高传感器的灵敏度，提高测量精度。

暗场检测大幅度提高信噪比以及测量精度，量程；

由于激光器或LED光源存在温度漂移，且光功率型传感器易受光源功率波动影响。通常的传感器设计需要采取温度补偿电路，结合参考光路差分及相关运算等信号处理手段。利用锁相放大器实现相关运算以提取微弱信号，增加系统复杂度和成本的同时，也降低了响应速度。

而本发明利用双绞宏弯耦合结构，通过宏弯耦合的方式将传感信号转移至暗场以实现暗场信号检测，由于暗场信号与光源路径隔离，受光源波动影响较小，具备天然的性噪比优势。如图5所示，在未经过任何信号处理的条件下，直接通过功率计获得的原始传感信号其信噪比在“初浴”时可达到7dB以上，探头潮湿状态下信噪比保持在4dB以上。

综上所述，本具体实施利用两根光纤双绞的方式，增大了暗场耦合功率及耦合结构的稳定性即传感器的一致性；利用宏弯耦合的方式将传感信号由明场转移至暗场，由于暗场信号与光源路径隔离，受光源波动影响几乎可以忽略不计，极大地提高了系统信噪比。同时由于宏弯暗场耦合，使得在TMBCS的无源光纤内的包层模式的比例大大高于有源光纤，从而进一步增强CMFTIR效应，且增强的效果显著。使得传感器直接受外界介质折射率变化的影响，提高传感器的灵敏度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，其特征在于，包括

有源光纤，包括P0端，用于连接LED光源；P1端，用于连接光功率计；

无源光纤，包括P2端，用于连接光功率计；P3端用于连接光功率计；

耐高温导线，用于固定光纤以减少错位引起的耦合功率变化，减少误差；

所述有源光纤和无源光纤相互缠绕后整体弯曲形成双绞宏弯耦合环，所述耐高温导线紧密缠绕在所述宏弯耦合环上，所述有源光纤、无源光纤和耐高温导线通过塑胶管后，使用固定套灌注硅胶后固定，减轻了光纤受到外力应力变化引起不必要的误差。

2.根据权利要求1所述的基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，其特征在于，所述LED光源用于为整个液位探头提供光源能量。

3.根据权利要求1所述的基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，其特征在于，所述P1端是直通端，作为参考端口，P2端可参考P1端的功率变化，排除光源功率变化的影响。

4.根据权利要求1所述的基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，其特征在于，所述P2端是正向耦合端，用于探测暗场信号实现液位检测。

5.根据权利要求1所述的基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，其特征在于，所述P3端是反向耦合端。

6.根据权利要求1所述的基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，其特征在于，所述有源光纤和无源光纤均采用包层薄，柔韧性好的塑料光纤。