CN107607174B - 一种基于端面反射耦合的光纤点式液位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于端面反射耦合的光纤点式液位传感器，属于光电传感器，主要用于对高低液位进行监测和离散液位的测量。所述传感器包括发射光纤束和接收光纤束，所述光纤束包裹在外壳内，光纤束与光纤束之间通过胶粘剂黏合；发射光纤束和接收光纤束的一端作为传感器探头，并斜剖成楔形端面；发射光纤束另一端作为光源入射端，接收光纤束另一端作为反射光探测端。通过接收光纤束与发射光纤束的侧面耦合，可以探测反射光功率的大小，进而获知探头的各个楔形端面处于何种介质中。本发明结构简单，易实现，可用于高温高压、易燃易爆等恶劣环境，具有高灵敏度、高精度等优点。
Description
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点式液位传感器，主要用于对高低液位进行监测和离散液位测量。
背景技术
目前光纤传感器由于其优良的安全性和抗干扰能力受到业界广泛关注，并应用于多个领域。在离散的点式液位测量方面，光纤传感器主要有以下几种。棱镜型光纤液位传感器利用受抑全内反射原理进行液位测量，当探头处于不同介质时，由于折射率不同，发生全内反射的光量不同，通过测量反射光功率便可知棱镜是否与液面接触，这种传感器需要将光纤与棱镜粘结在一起，工艺要求高，振动环境下存在断裂的风险；尖端反射式光纤液位传感器也是基于受抑全内反射原理，但其直接将单根或两根光纤头加工成圆锥形代替棱镜成为探头，该传感器加工难度高，难以保证重复性；泄漏式光纤液位传感器利用不同介质中泄漏的光功率不同来进行液位检测，但由于泄露式光纤多为塑料光纤，因此传感器的温度适应性差。
CN201510413938.0公开了一种基于散射原理的光纤点式液位传感器，其楔形端面的角度设置缺乏理论依据，需要试验确定，其原理的可行性存在疑问；并且该传感器检测多点液位时，需要多束光纤束，整体结构相对繁琐复杂。
发明内容
为了克服现有光纤点式液位传感器存在的问题，本发明设计了一种新型光纤点式液位传感器。
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点式液位传感器，所述传感器包括发射光纤束和接收光纤束，所述光纤束包裹在外壳内，光纤束与光纤束之间通过胶粘剂黏合；发射光纤束和接收光纤束的一端作为传感器探头，并斜剖成楔形端面；发射光纤束另一端作为光源入射端，接收光纤束另一端作为反射光探测端，楔形端面与待测液面相交。
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为，其中，为单根光纤纤芯折射率，为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角，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，为入射光束角，为单根光纤纤芯折射率，为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角，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和随机分布。
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，所述传感器探头包括多个楔形端面，形成多端面探头，每个楔形端面的斜剖角度相同，多个楔形端面平行设置，可在一个传感器上同时检测多个液位。
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设置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，并通过光纤束之间的侧面耦合，来探测传感器中的不同的反射光功率。通过测量反射光功率的大小即可实现离散点式液位测量。本发明光纤点式液位传感器结构简单，易实现，可用于高温高压、易燃易爆等恶劣环境，具有高灵敏度、高精度等优点。
附图说明
图1为本发明一个实施例中光纤点式液位传感器的结构示意图；
图2为本发明一个实施例中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发射光纤束和接收光纤束平行分布时的示意图；
图4为本发明一个实施例中发射光纤束和接收光纤束随机分布时的示意图；
图5为本发明的另一个实施例中由多个楔形端面形成传感器探头的结构示意图；
图6为图5的多个楔形端面形成传感器探头时发射光纤束和接收光纤束平行分布时的示意图。
图7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-外壳； 6-容器；
7-液体； 8-楔形端面； 9-入射光束角；
10-斜剖角度； 11-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。
本发明属于点式液位传感器，可用于多种环境下离散液位的测量，尤其适合石油、化工、航空等非常重视安全性的领域。
如图1所示，本实施例提供一种光纤点式液位传感器，所述传感器包括发射光纤束3和接收光纤束4，所述光纤束包裹在外壳内，光纤束与光纤束之间通过胶粘剂黏合；发射光纤束3和接收光纤束4的一端作为传感器探头，并斜剖成楔形端面8；发射光纤束3另一端作为光源入射端，设置有发光元件1；接收光纤束4另一端作为反射光探测端，设置有光敏元件2。当采用上述点式液位传感器来检测液位时，需要将传感器的楔形端面8与待测液面相交放置，传感器可检测沿楔形端面高度方向的液面变化。楔形端面8的高度方向如图7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探头端面，探头端面的外形结构为楔形，如图2所示，楔形端面8的斜剖角度10满足
和，其中，为斜剖角度，为入射光束角，为单根光纤纤芯折射率，为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角，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的光源入射端设有发光元件1，接收光纤束4的反射光探测端设有光敏元件2，发光元件1用于发射光，其光束角度不大于入射光束角9，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8的斜剖角度10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，以此获得最大的光强调制量，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8时，对于在空气中的发射光纤3而言，其内部光线将在此楔形端面8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3而言，由于液体7的折射率比空气的折射率高，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3内的反射光功率将减少。由于楔形端面8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，当液面浸没楔形端面8时，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8，从而实现离散液位测量。
如图1所示，外壳5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。为了减少外壳对光的吸收，需要增大外壳的反射率，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。
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9。
图3为发射光纤束3和接收光纤束4在楔形端面8平行分布的示意图，光纤之间用胶粘剂11填充，图中未示出。
图4为发射光纤束3和接收光纤束4在楔形端面8随机分布的示意图，每束光纤均等按照同等数量分布在楔形端面8，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11填充，为保证较大的耦合光功率，胶粘剂11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8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11中，进入胶粘剂11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，本发明光纤点式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中的光功率来判断探头楔形端面8是否与液体7接触。为增大光纤在气-液介质中的光调制深度，进而增大传感器的灵敏度，本发明采用楔形端面8的形式，当楔形端面8的斜剖角度10满足要求时，即可获得最大的光调制深度。在光源的光束角度不大于入射光束角9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5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。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，进而造成光敏元件只能接收到极少的光功率。
图5和图6作为本发明的另一个实施例，传感器探头由3个楔形端面构成，发射光纤束3和接收光纤束4在楔形端面8平行分布，传感器的非探测端与图1所示的实施例相同，3个楔形端面可以分别与液体7的不同高度液面接触，导致反射光功率将有3个变化，通过对反射光功率的测量，可以实现对3点液位进行测量。
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 (9)
1.一种基于端面反射耦合的光纤点式液位传感器，其特征在于，所述传感器包括发射光纤束和接收光纤束，所述光纤束包裹在外壳内，光纤束与光纤束之间通过胶粘剂黏合；发射光纤束和接收光纤束的一端作为传感器探头，并斜剖成楔形端面；发射光纤束另一端作为光源入射端，接收光纤束另一端作为反射光探测端；楔形端面与待测液面相交；所述楔形端面的斜剖角度为同时，其中，αm为入射光束角，no为单根光纤纤芯折射率，θa为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角，θl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所述的光纤点式液位传感器，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所述的光纤点式液位传感器，其特征在于：所述发射光纤束的入射光束角αm为：其中，no为单根光纤纤芯折射率，θl为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角，θa为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角。
4.如权利要求1所述的光纤点式液位传感器，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所述的光纤点式液位传感器，其特征在于：所述光纤束包裹于金属外壳内。
6.如权利要求1所述的光纤点式液位传感器，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所述的光纤点式液位传感器，其特征在于：所述传感器探头包括多个楔形端面，形成多端面探头，每个楔形端面的斜剖角度相同。
8.如权利要求7所述的光纤点式液位传感器，其特征在于：多个楔形端面平行设置。
9.如权利要求1所述的光纤点式液位传感器，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。
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