CN104482984A - 基于pof光纤宏弯的液位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于POF光纤宏弯的液位传感器,是用一根POF裸光纤折弯制作的顶部宏弯弯曲半径为2.5mm单宏弯光纤环形结构,以其顶部宏弯部分作为探头,POF裸光纤两个末端有光纤接头;用于封装该单宏弯光纤环形结构的固定结构,探头从该固定结构顶部露出。本发明采用单宏弯光纤环型结构设计,单纯利用光纤宏弯增强CMFTIR效应,实现了区分度1.06dB,满足液位测量需求。且无需双光纤耦合,因此简化了工艺难度,结构也更加紧凑,适宜于在狭窄空间内使用。同时SMBFL结构液体沾粘度低,极大的降低初浴“误差”;SMBFL直接探测功率较强的明场信号,满足长距离传输的需求。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器,具体而言,是一种基于POF光纤宏弯的液位传感器。
背景技术
液体液位测量在化学、化工、石油领域有着非常广泛的应用需求和巨大的市场空间,从最简单的油尺到结构复杂的液位传感器各式各样的设计层出不穷。目前,虽然已经有包括磁致伸缩式,电容式,超声波式,光纤式等等基于各种原理的液位传感器可供选择,但是液位测量技术与市场需求之间,仍然存在较为突出的矛盾,原因主要有两方面:一是虽然石油化工领域对传感器的需求量巨大,但是却对成本较为敏感,昂贵复杂的设计很难在这些领域得到大范围的推广应用。二是化工领域的液位测量环境复杂,有些属于易燃易爆液体,对现有的传感器的安全性和适应性提出了巨大的挑战。光纤液位传感器由于非电测量,抗电磁干扰,非常适合复杂环境下的液位测量。其中最具代表性的有压强敏感型和折射率敏感型两类。其中压强敏感型又有光纤布拉格光栅式,法布里珀罗式等,但由于这类传感器对制作工艺要求较高,需探测波长频移,信号解调复杂,需要复杂昂贵的测量仪器,无法在成本敏感领域得到应用推广。折射率敏感型主要有长周期光纤光栅型和尖端反射型。其中长周期光纤光栅型的复杂程度和成本与上述光纤传感器类似,而尖端反射型传感器利用受抑全内反射效应实现液位传感,只需对功率变化进行探测,由此带来的低成本的优势,使其有可能在石油,化工领域内发挥重要的作用。目前,尖端反射型传感器制作方式,主要有以下三种:利用棱镜反射,光纤端面抛光,电弧拉伸。其中,利用棱镜制作的探头,一方面体积较大,影响测量精度;一方面区分度相对较低,例如在Hossein. Golnabi等人2004年发表在《optics and lasers in engineering》上的文章《Design and operation of a fiber optic sensor for liquid level detection》中,实现的区分度仅为0.03dB。利用光纤端面抛光的方法,则需要在125μm的光纤端头上打磨出90°角,这种方法不仅加工难度很大,而且使得光纤尖端更加纤细,脆弱,探头非常容易受到污染和损坏。而电弧拉伸的方法相对最为成功,但其问题是,加工方式决定了该种探头的一致性很难得到保证。中北大学Yu-Long Hou等于2014年在《Optics Express》上发表文章《Polymer optical fiber twisted macro-bend coupling system for liquid level detection》,首次提出利用光纤包层模受抑全内反射(cladding mode frustratedtotal internal reflection,CMFTIR)效应实现液位传感,并且首次制作出双绞宏弯耦合结构(Twisted Macro-bend Coupling Structure,TMBCS)液位探头,实现区分度4.18dB。但该种探头仍然存在如下一些问题:1、该结构使用双绞及导线缠绕方式制作,导致液体沾粘度增加,产生较大的“初浴”误差。2、该结构通过耦合的方式获得宏弯暗场耦合信号,由于宏弯耦合效率很低,导致该暗场信号的功率微弱,限制了其在光纤内的传播距离,因此无法应用于需要远距离传输传感信号的场合。3、该结构由于采用双光纤耦合结构,导致该结构体积较大(宏弯曲半径大于7mm,否则光纤之间会产生缝隙,降低耦合效率),限制其在狭窄空间中的使用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、适合远距离传输的基于POF光纤宏弯的液位传感器。
为解决以上技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种基于POF光纤宏弯的液位传感器,包括
(1)用一根POF裸光纤折弯制作的顶部宏弯弯曲半径为2.5mm单宏弯光纤环形结构,以其顶部宏弯部分作为探头,POF裸光纤两个末端有光纤接头;
(2)用于封装该单宏弯光纤环形结构的固定结构,探头从该固定结构顶部露出。
本发明的构思是利用2.5mm弯曲半径的单宏弯光纤实现包层模受抑全内反射效应的有效增强,并且利用其制作液位传感探头,从而实现极度简约的设计。
当平面电磁波从光密介质入射到光疏介质且入射角大于临界角时,则发生全反射现象.这时,如果将第三种介质(折射率高于介质2)和介质1相互接触的放在一起或它们之间的距离小于一个波长数量级(处在倏逝场范围内)时,会有部分入射光透射到介质3中传播,因此介质1中的反射光强将被减弱,即反射光受到抑制,这一过程被称为受抑全反射.我们研究发现,在光纤中同样存在受抑全内反射现象,如图2所示。
光通过全内反射在光纤中传播。当光纤弯曲时会产生大量的包层模式,而包层模式将在包层—环境界面发生反射。因此,当高折射率介质(介质3)接触或靠近光纤包层(介质1)时,会导致部分包层模式光透射进入环境介质,导致光能损耗。特别地,我们把这种现象称为光纤包层模受抑全内反射(cladding mode frustratedtotal internal reflection,CMFTIR)。具体地,当SMBFL液位探头被浸入水中时,由于CMFTIR效应,会产生光能损耗,从而导致探测端功率下降。
但是通常情况下CMFTIR现象是不容易观测到的,原因是1、普通石英光纤包层外部存在涂覆层,阻止了包层与外界环境的直接接触。2、直光纤中的包层模式占比极低。为了获得显著的CMFTIR效应,需要采用特殊的结构以改变光纤内的模场分布。
本发明中,我们采用单宏弯光纤环型结构,当光纤发生宏弯时,光纤内的模场发生畸变,纤芯模式转变为包层模式和辐射模式。此时,由于包层模式的占比提高,因而CMFTIR效应得到增强。经过试验验证,当宏弯半径在2.5mm左右时,可以达到理想的增强效果,并且保持光纤承受恰当的弯曲应力,而不至于折断。
此外,由于SMBFL采用单环结构,其传感信号为明场信号,所以相比于文献《Polymer optical fiber twisted macro-bend coupling system for liquid level detection》中的TMBCS(双绞耦合)结构,其信号功率较高,达到mw级,而TMBCS信号功率仅为nw级。故而SMBFL更适合于需要远距离传输传感信号的场合。而且,单环结构相比于双绞耦合结构,对液体的沾粘度更低,故而初浴误差更小。
作为一种优选的方案,用硅胶或环氧树脂将该单宏弯光纤环形结构封装在固定结构内。
作为另一种优选的方案,所述的固定结构采用标准FC光纤接头保护套,可以精确的控制光纤弯曲半径。
作为另一种的优选方案,固定结构和探头以外的POF裸光纤外部用黑色热缩套管包裹,可屏蔽可见光干扰。
本发明同样利用CMFTIR效应,但是采用更加简约的单宏弯光纤环(single macro-bend fiber loop,SMBFL)型结构设计,单纯利用光纤宏弯增强CMFTIR效应,实现了区分度1.06dB,满足液位测量需求。且无需双光纤耦合,因此简化了工艺难度,结构也更加紧凑,适宜于在狭窄空间内使用。同时SMBFL结构液体沾粘度低,极大的降低初浴“误差”;SMBFL直接探测功率较强的明场信号,满足长距离传输的需求。相比以往的传感器SMBFL探头鲁棒性更好,抗污染能力更强,免疫电磁干扰,非电测量适于易燃易爆环境。
附图说明
图1为本发明SMBFL液位传感器结构示意图。
图中,1-POF裸光纤,2-探头,3-光源,4-功率计,5-固定结构,6-硅胶或环氧树脂。
图2为POF光纤中的CMFTIR效应。
图3为SMBFL型液位探头浸水——出水试验,当探头输出功率高于线1时探头,线1和线2之间为“初浴”误差。
图4为现有技术中TMBCS结构液位探头的测试结果,线1和线2 之间为初浴误差。
具体实施方式
用一根POF裸光纤1(Mitsubishi, SK-40)折弯制作的顶部宏弯弯曲半径(R/2)为2.5mm单宏弯光纤环形结构,以其顶部宏弯部分作为探头2,POF裸光纤两个末端有标准FC光纤接头,在测试系统中光纤接头分别连接光源3和功率计4。采用标准FC光纤接头保护套配件作为固定结构5,并利用硅胶或环氧树脂6将该单宏弯光纤环形结构封装在固定结构5中,探头2从该固定结构5顶部露出。固定结构5和探头2以外的POF裸光纤1外部用黑色热缩套管包裹。其结构如图1所示。
对制成的SMBFL探头进行浸水——出水试验,试验装置包括660nm LED光源(thorlabs,M660F1),光源功率12.47mw,光功率计(Thorlabs, PM100USB),测试系统如图1所示。将SMBFL探头浸入水中数秒后取出,再次浸入,重复测量8次,结果如图3所示。
从图3中,可以看到,8次试验表现出良好的一致性,图中线3以下表示传感探头完全浸没在水中;线1和线2之间表示传感器完全在空气中,但是有少量液体沾粘的潮湿状态;线1以上部分表示传感器处于空气中,并且保持干燥状态。线1与线2之间的高度即代表了传感器干燥与潮湿的不同而带来的误差,称为“初浴”误差。
对比图4可知,SMBFL型液位探头初浴误差远远小于TMBCS型探头。
通常液位探头的性能通过区分度Er恒量,区分度定义为:
Er=-10log(Pliquid/Pair)
其中,Pliquid为探头在水中时的输出功率;Pair为探头在空气中时的输出功率。
计算可得,SMBFL型液位探头的区分度达到1.06dB ,完全满足液位测量需求。对比TMBCS探头测量结果(图3,图4)可知, SMBFL信号功率更高(SMBFL为mw量级,TMBCS为nw量级),更适合远距离传输。
Claims (4)
1.一种基于POF光纤宏弯的液位传感器,其特征在于:包括
(1)用一根POF裸光纤(1)折弯制作的顶部宏弯弯曲半径为2.5mm单宏弯光纤环形结构,以其顶部宏弯部分作为探头(2),POF裸光纤两个末端有光纤接头;
(2)用于封装该单宏弯光纤环形结构的固定结构(5),探头(2)从该固定结构(5)顶部露出。
2.根据权利要求1所述的基于POF光纤宏弯的液位传感器,其特征在于:用硅胶或环氧树脂(6)将该单宏弯光纤环形结构封装在固定结构(5)内。
3.根据权利要求1或2所述的基于POF光纤宏弯的液位传感器,其特征在于:所述的固定结构(5)采用采用标准FC光纤接头保护套。
4.根据权利要求1所述的基于POF光纤宏弯的液位传感器,其特征在于:固定结构(5)和探头(2)以外的POF裸光纤外部用黑色热缩套管包裹。
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