CN104482984B - 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 fiberoptic 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-LongHou等于2014年在《Optics Express》上发表文章《Polymer optical fiber twistedmacro-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 CouplingStructure，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 internalreflection，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 leveldetection》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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