CN107576369B

CN107576369B - 一种基于端面反射耦合的光纤连续液位传感器

Info

Publication number: CN107576369B
Application number: CN201710771800.7A
Authority: CN
Inventors: 葛俊锋; 叶林; 桂康; 耿涛; 龚英; 舒俊
Original assignee: Guangdong Provincial Institute Of Intelligent Robotics; Huazhong University of Science and Technology; Guangdong Hust Industrial Technology Research Institute
Current assignee: Guangdong Provincial Institute Of Intelligent Robotics; Huazhong University of Science and Technology; Guangdong Hust Industrial Technology Research Institute
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2020-01-21
Anticipated expiration: 2037-08-31
Also published as: CN107576369A

Abstract

本发明公开了一种基于端面反射耦合的光纤连续液位传感器，是一种全光纤传感器，可用于恶劣环境下液位的连续测量；传感器探头部分包括发射光纤束和接收光纤束，两光纤束包裹在外壳内，光纤与光纤之间通过胶粘剂黏合，光纤束的探测端面为楔形，楔形端面的设计使得发射光纤束与接收光纤束实现侧面耦合，并提高了传感器的灵敏度，还能降低液滴黏附；本发明通过控制光纤楔形端面斜剖角度和入射光束角，使得在空气中的光纤端面的出射光发生全内反射，在液体中的光纤端面的出射光发生菲涅尔反射，液位不同时，反射光的总功率不同，从而实现液位测量。本发明一体化结构设计，无可动部件，灵敏度高，安全性好，可靠性高。

Description

一种基于端面反射耦合的光纤连续液位传感器

技术领域

本发明属于光电传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于端面反射耦合的光纤连续液位传感器，用于对液体高度进行测量。

背景技术

目前使用的连续液位传感器以电容式液位传感器为主。该类型的传感器结构简单，响应速度快，但容易受到温度、环境等因素的影响，需定期进行标定，如果燃油中有水的存在会造成传感器虚指甚至短路。超声波液位传感器原理简单，结构小巧，但声波速度易受温度的影响，并且液面的晃动会影响超声波的反射。磁滞伸缩液位传感器可靠性高，安全性能好，但有可动部件，不适合在恶劣条件下使用。光纤液位传感器体积小、重量轻、对电绝缘、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强，非常符合燃油液位测量的要求。

目前，光纤连续液位传感器可以分为两类，压力式光纤液位传感器和泄露式光纤液位传感器，其中压力式光纤液位传感器主要有光纤F-P(Fabry-Parot)腔液位传感器以及光纤布拉格光栅(FBG)液位传感器。压力式液位传感器是通过液体的静压强来进行液位测量，容易受地理位置、附加加速度的影响，测量精度和使用场合受限。泄露式光纤液位传感器是利用光纤的传输损耗来进行液位测量，通常采用塑料光纤，塑料光纤受温度影响大，同时由于泄露光强调制量过小，容易受光源波动的影响。

CN201610303327.5公开了一种基于散射原理的光纤连续液位传感器，其楔形端面的角度设置缺乏理论依据，需要试验确定，并且通过试验证实其散射光强非常弱，接收光纤很难检测到光强，其可行性存在疑问。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种结构简单、成本低、安全性能好，且具有高精度、高灵敏度、良好的稳定性等优点的光纤连续液位传感器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于端面反射耦合的光纤液位传感器，包括发射光纤束和接收光纤束；所述光纤束均包裹在外壳内，光纤束与光纤束之间采用胶粘剂黏合；发射光纤束和接收光纤束的一端斜剖成楔形端面，作为传感器探头；发射光纤束的另一端作为光源入射端，接收光纤束的另一端作为反射光探测端，光源入射端和发射光探测端均从外壳引出；楔形端面与待测液面垂直。

进一步地，所述发射光纤束和接收光纤束均由同种型号的光纤集合而成，每根光纤包括纤芯和包层。

进一步地，所述发射光纤束的入射光束角α_m为

其中，n_o为单根光纤纤芯折射率，θ_l为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角，θ_a为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角。

进一步地，所述楔形端面的斜剖角度为和

以实现最大光强调制量；其中，α_m为入射光束角，n_o为单根光纤纤芯折射率，θ_a为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角，θ_l为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角。

进一步地，所述接收光纤束和发射光纤束光纤的分布形式可为平行分布或者随机分布。

进一步地，所述光纤束由高反射率的金属外壳包裹。

进一步地，胶粘剂的折射率大于光纤包层的折射率。

进一步地，发射光纤束的光源入射端设有发光元件；接收光纤束的反射光探测端设有光敏元件。

有益效果：

本发明提供的传感器通过控制楔形端面斜剖角度和入射光束角，使得在空气中的光纤端面的出射光发生全内反射，在液体中的光纤端面的出射光发生菲涅尔反射，液位不同时，传感器探测到的反射光的总功率不同，从而实现液位测量。

本发明的光纤连续液位传感器一体化结构设计，无可动部件，可靠性高，安全性好，便于调试维护，灵敏度高，精度高，稳定性好，适用于恶劣环境下的液位连续测量。

附图说明

图1为本发明一个实施例中光纤连续液位传感器的结构示意图；

图2为单根发射光纤的入射光束角和楔形端面斜剖角度的示意图；

图3为本发明一个实施例中光纤连续液位传感器的外壳的结构示意图；

图4为本发明一个实施例中光纤连续液位传感器的外壳的俯视图；

图5为本发明一个实施例中发射光纤束和接收光纤束在外壳内部的分布示意图；

图6为本发明一个实施例中发射光纤束和接收光纤束在外壳内部平行分布时的右视图；

图7为本发明一个实施例中发射光纤束和接收光纤束在外壳内部随机分布时的右视图。

图8为本发明实施例中楔形端面的结构示意图。

附图标记说明：

1-发光元件； 2-光敏元件； 3-发射光纤束；

4-接收光纤束； 5-楔形端面； 6-空气；

7-液体； 8-入射光束角； 9-斜剖角度；

10-外壳 11-光纤集束口； 12-胶粘剂。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明主要用于连续液位测量，特别适用于易燃易爆环境下的各种油位测量，例如飞机燃油液位测量。

如图1所示，本实施例的光纤液位传感器包括发射光纤束3和接收光纤束4；所述光纤束均包裹在外壳内，发射光纤束3和接收光纤束4的一端斜剖成楔形端面5，作为传感器探头；发射光纤束3和接收光纤束4的另一端均从外壳引出，发射光纤束3的引出端设有发光元件1，作为光源入射端；接收光纤束4的引出端设有光敏元件2，作为反射光探测端。当采用上述光纤液位传感器来检测液位时，需要将传感器的楔形端面5与待测液面垂直放置，传感器可检测沿楔形端面长度方向的液面变化。楔形端面5的长度方向如图8所示。优选地，楔形端面长度与待测量液面高度相同，以便于对待测液面高度的完整检测。

如图2和3所示，发射光纤束3和接收光纤束4的一个端面集合成光纤束并构成楔形端面5，楔形端面5的外形结构为楔形，斜剖角度9满足和其中，

为斜剖角度，α_m为入射光束角，n_o为单根光纤纤芯折射率，θ_a为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角，θ_l为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角。

发射光纤束3的光源入射端设置有发光元件1，接收光纤束4的反射光探测端设置有光敏元件2，发光元件1用于发射光，其光束角度不大于入射光束角8，其中，光束角度指发光元件1发出的光束的扩散角度，入射光束角则是光束进入传感器光纤的入射角度；光敏元件2用于接收光信号。当楔形端面的斜剖角度9和发光元件1的光束角度满足上述条件的情况下，在空气中的光纤端面的出射光发生全内反射，在液体中的光纤端面的出射光发生菲涅尔反射，以此获得最大的光调制量，进而提高传感器的灵敏度。除此之外，楔形探头的设计实现了发射光纤束和接收光纤束的侧面耦合，同时能减少液滴粘附。

其工作原理具体为：发光元件1发出的光经发射光纤束3到达楔形端面5时，对于在空气6中的发射光纤束3而言，其内部光线将在此楔形端面5处发生全内反射，所有的入射光功率皆转化为反射光功率；而对于浸没在液体7中的发射光纤束3而言，由于液体7的折射率比空气6的折射率高，发生全反射的临界角变大，光线不再满足全内反射条件，进而发生菲涅耳反射，部分光功率会随折射光线透射至液体7中，发射光纤束3内的反射光功率将减少。由于楔形端面5的存在，发射光纤束3中的反射光将部分耦合至接收光纤束4中，当液面上升时，被浸没的发射光纤束3增多，总的反射光功率减少，耦合进入接收光纤4的光功率也随之减少，通过光敏元件2探测接收光纤束4中的光信号，光敏元件2将探测到的光信号发送至光电转换电路；光电转换电路将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号发送至放大电路；放大电路将电信号放大后发送至数据采集分析电路，之后数据采集分析电路将电信号由模拟量转化为数字量，分析信号得出光功率的变化，即可判断液体7是否接触到楔形端面5以及接触面的多少，从而实现连续液位测量。

如图2所示，一束光耦合进入一根光纤中，此光束中最大的入射光线角度即为入射光束角8。

图3,图4为实施例中光纤连续液位传感器的外壳结构示意图，发射光纤和接收光纤集束后，分别从外壳10上的两个光纤集束口11引出，之后用护套包裹即可。外壳10能保证反射光向非探测端面方向传播，实现对接收光纤光功率的探测。为了减少外壳10对光的吸收，需要增大外壳10的反射率，实施例中选择反射系数较高的铝合金作为外壳材料，且这种材料机械强度较大，能够满足抗震要求。

图5为发射光纤束3和接收光纤束4在外壳内部的分布示意图，为简化视图，图中只代表性的画出少许，实际上光纤是紧密分布在外壳内部的。当发射光纤束3和接收光纤束4平行分布时，光纤束在外部内部分布的右视图如图6，当这两束光纤随机分布时则如图7，每束光纤均等按照同等数量分布在外壳中，且光纤端面需打磨光滑。两光纤束中光纤与光纤之间使用胶粘剂12填充，为保证较大的耦合光功率，胶粘剂12的折射率不可过小。实施例中选用折射率为1.55左右的环氧树脂，略高于折射率为1.51的光纤包层，这样当纤芯中的光线经过楔形端面5反射后，部分光线会由于不满足纤芯-包层分界面的全反射条件而折射进入包层，当光线进入包层后，由于胶粘剂折射率略大于包层折射率，即光线将由光疏介质进入到光密介质时，光线必定在此分界面处发生菲涅耳反射，部分光功率将随折射光线进入胶粘剂12中，进入胶粘剂12中的光线会按照光传输路径耦合进入接收光纤束4中，完成光纤束与光纤束之间的侧面耦合。

简而言之，本发明光纤连续液位传感器依靠发射光纤束3中反射光功率的变化来感知液位的变化，为方便反射光的探测，将该光线侧面耦合进入接收光纤束4中，通过接收光纤束4中的光功率来指示液位高低。为增大光纤在气-液介质中的光调制量，进而增大传感器的灵敏度，本发明采用楔形端面5的形式，当楔形端面5的斜剖角度9满足要求时，即可获得最大的光调制量。在光源光束角满足入射光束角8的前提下，两光纤束之间的侧面耦合需满足三个条件：

1.发射光纤束3中所有光纤出射端面必须为楔形，否则发射光纤束3中所有反射光均满足纤芯-包层全反射条件而限制在发射光纤束3中，不会耦合进接收光纤4中；

2.发射光纤束3和接收光纤束4必须被反射率较高的外壳包裹，否则耦合进入接收光纤束4中的光会被外壳吸收或泄漏到外部介质中，极少光线会被光敏元件2接收；

3.光纤束中光纤与光纤之间必须使用折射率较大的填充物，为固定光纤，提高传感器抗震性能，本实施例采用胶粘剂12。若不使用填充物或填充物折射率过小，纤芯-包层的全反射临界角会比较小，这时发射光纤束3中的大部分反射光会由于满足全反射的条件而限制在发射光纤束3中，难以耦合进入接收光纤束4中，进而造成光敏元件2只能接收到极少的光功率。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于端面反射耦合的光纤液位传感器，其特征在于，所述传感器包括发射光纤束和接收光纤束；所述光纤束均包裹在外壳内，光纤束与光纤束之间采用胶粘剂黏合；发射光纤束和接收光纤束的一端斜剖成楔形端面，作为传感器探头；发射光纤束的另一端作为光源入射端，接收光纤束的另一端作为反射光探测端，光源入射端和发射光探测端均从外壳引出；楔形端面与待测液面垂直；所述楔形端面的斜剖角度

为

同时，

其中，α_m为入射光束角，n_o为单根光纤纤芯折射率，θ_a为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角，θ_l为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角。

2.如权利要求1所述的光纤液位传感器，其特征在于：所述发射光纤束和接收光纤束均由同种型号的光纤集合而成，每根光纤包括纤芯和包层。

3.如权利要求1所述的光纤液位传感器，其特征在于：所述发射光纤束的入射光束角α_m为

4.如权利要求1所述的光纤液位传感器，其特征在于：所述接收光纤束和发射光纤束光纤的分布形式为平行分布或者随机分布。

5.如权利要求1所述的光纤液位传感器，其特征在于：所述光纤束由金属外壳包裹。

6.如权利要求1所述的光纤液位传感器，其特征在于：胶粘剂的折射率大于光纤包层的折射率。

7.如权利要求1所述的光纤液位传感器，其特征在于：发射光纤束的光源入射端设有发光元件；接收光纤束的反射光探测端设有光敏元件。