CN110530466A - 基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法，获取单模光纤、无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ，清除单模光纤和无芯光纤表面的涂覆层；将单模光纤Ⅰ的两端分别与无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ熔接在一起；获取宽谱光源装置和光谱仪，用另外的单模光纤将两根无芯光纤的两端与宽谱光源装置和光谱仪连接；将无芯光纤Ⅰ作为液位测量光纤，置于容器内；通过向容器内依次加入不同液位高度的液体，记录光谱仪在不同液位高度下透射峰强度值，并通过线性拟合得到相应计算公式后，通过相应数据得到待测液位高度。本发明通过结构简单，成本低廉的传感器对液位进行检测，不仅测量准确性高，另外还有着良好的抗光源光功率波动的性能，抗干扰能力强。
Description
技术领域
本发明涉及一种液位传感领域，具体涉及一种基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法。
背景技术
在石油化工领域，光纤液位传感器因为有着良好的抗腐蚀性，高灵敏度，无工作电流及防雷击而受到广泛的关注与研究。光纤液位传感器按光信号调制类型可分为相位调制型及强度调制型。相位调制型光纤液位传感器是通过测量传感器输出光谱波峰、波谷移动来获取液位信息。然而，相位解调装置是复杂昂贵的，这不利于传感器的大规模应用。而强度调制型传感器最大的优点是解调成本低。强度调制型液位传感器有：点式型、耦合型、微槽离散型、马赫曾德尔型、迈克尔逊型等。其中，点式与微槽离散型液位传感器不能连续测量，光纤表面刻槽会降低传感器的鲁棒性，这限制了它们的应用。耦合型传感器由于其结构的特殊性，在小范围内的传感器液位响应值线性度较低，不利于其在精确测量中的应用，且环境温度变化对传感器的影响没有得到较好的解决。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种成本低廉，检测效果好，受外界影响小的基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：
一种基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法，包括以下步骤：
(1)获取单模光纤Ⅰ、无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ，单模光纤Ⅰ的长度大于35mm，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ的长度均为N倍于(56.5mm～60mm)，N为大于1的整数，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ均清除其表面涂覆层；
(2)将单模光纤Ⅰ的两端分别与无芯光纤Ⅰ的一端和无芯光纤Ⅱ的一端熔接在一起；
(3)获取宽谱光源装置和光谱仪，宽谱光源装置的输出端通过单模光纤Ⅱ与无芯光纤Ⅰ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接连接，无芯光纤Ⅱ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接有单模光纤Ⅲ与光谱仪的输入端连接；
(4)将无芯光纤Ⅰ作为液位测量光纤，置于容器内，使其呈竖直状态固定在容器内，并且使无芯光纤Ⅰ与单模光纤Ⅰ熔接的一端作为基准端与容器零液位对齐；
(5)向容器内依次加入不同液位高度的液体，记录光谱仪在不同液位高度下透射峰强度值，并通过线性拟合得到y＝a+bx，即x＝(y-a)/b,其中y为光谱仪输出透射峰强度值，a为零液位下光谱仪输出透射峰强度值，b为灵敏度系数，x为液位值；
(6)将测量光纤安装在待检测液体容置容器中，并测量获得光谱仪输出透射峰强度值，代入公式x＝(y-a)/b得到液位高度值。
综上所述，本发明的有益效果在于：本发明通过结构简单，成本低廉的传感器对液位进行检测，不仅测量准确性高，另外还有着良好的抗光源光功率波动的性能，抗干扰能力强。
附图说明
为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：
图1为本发明实施例中液位测试示意图；
图2为本发明实施例中传感臂在水中液位0mm、5mm、10mm、15mm和20mm测量输出光谱图；
图3为本发明实施例中传感臂在水中液位25mm、30mm、35mm和40mm测量输出光谱图；
图4为本发明实施例中传感臂在水中液位45mm和50mm测量输出光谱图；
图5为本发明实施例中传感臂在水、5％NaCl和10％NaCl水溶液中液位测量相对值图；
图6为本发明实施例中传感臂在10％、30％、50％、70％、90％及100％光功率下相对强度值变化图；
图7为本发明实施例中传感臂在25-80℃下输出值变化图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本具体实施方式中的基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法，包括以下步骤：
(1)获取单模光纤Ⅰ、无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ，单模光纤Ⅰ的长度大于35mm，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ的长度均为N倍于(56.5mm～60mm)，N为大于1的整数，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ均清除其表面涂覆层；
(2)将单模光纤Ⅰ的两端分别与无芯光纤Ⅰ的一端和无芯光纤Ⅱ的一端熔接在一起；
(3)获取宽谱光源装置和光谱仪，宽谱光源装置的输出端通过单模光纤Ⅱ与无芯光纤Ⅰ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接连接，无芯光纤Ⅱ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接有单模光纤Ⅲ与光谱仪的输入端连接；另外，在具体实施的时候，还可以用光电探测器代替光谱仪。
(4)将无芯光纤Ⅰ作为液位测量光纤，置于容器内，使其呈竖直状态固定在容器内，并且使无芯光纤Ⅰ与单模光纤Ⅰ熔接的一端作为基准端与容器零液位对齐；
(5)向容器内依次加入不同液位高度的液体，记录光谱仪在不同液位高度下透射峰强度值，并通过线性拟合得到y＝a+bx，即x＝(y-a)/b,其中y为光谱仪输出透射峰强度值，a为零液位下光谱仪输出透射峰强度值，b为灵敏度系数，x为液位值；
(6)将测量光纤安装在待检测液体容置容器中，并测量获得光谱仪输出透射峰强度值，代入公式x＝(y-a)/b得到液位高度值。
光由单模光纤进入无芯光纤中，激发一系列高阶模式，由于单模光纤与无芯光纤对芯熔接，只激发一阶线性偏振模LP0m，传播一定距离后，无芯光纤中的光场分布呈现出与输入场相同的自映像。自映像距离可近似表示为：
其中，q为自映像数，a为无芯光纤直径，nco为无芯光纤折射率，λ为自由空间光波长，V为无芯光纤的归一化频率，V由下式给出，
其中，ncl为无芯光纤包层(外部环境)折射率。在无芯光纤长度一定的情况下，只有特定波长λ可以有效耦合进单模光纤纤芯中，光波长偏离λ的光会产生损耗。这使得无芯光纤具有带通滤波效应。
两无芯光纤级联时，无芯光纤Ⅰ的输入场为单模光纤引入的宽谱光源光场，无芯光纤Ⅰ的输出场为对输入场的带通滤波；无芯光纤Ⅱ的输入场为无芯光纤Ⅰ输出场，无芯光纤Ⅱ输出场可表示为无芯光纤Ⅰ与无芯光纤Ⅱ对光源输入场的两次带通滤波，最终输出光强I可表示为：
I＝∫L(λ)N1(λ-Δλ)N2(λ)dλ (3)
其中，L(λ)为光源功率谱密度函数，Δλ为液位值变化时，无芯光纤Ⅰ透射峰波长变化量。N1(λ)与N2(λ)分别为无芯光纤Ⅰ与无芯光纤Ⅱ在空气中的滤波器函数。
通过光束传播法(BPM)模拟了无芯光纤的自映像距离，仿真所使用参数：自由空间波长1550nm，无芯光纤折射率为1.444，无芯光纤直径为125μm，无芯光纤长度为62mm。由模拟结果可知，在1500nm、1550nm及1600nm光波长下，无芯光纤的第一自映像距离分别为60.621mm、58.676mm和56.693mm，光波长每增加约25.46nm，自映像距离缩短1mm。
如图1所示，光由宽带光源发出，在耦合器处分为能量比为10％：90％的两束光，90％的光进入传感臂，10％的光进入参考臂，最后两束光分别进入光谱仪。传感臂由导光单模光纤、无芯光纤Ⅰ(长约58.8mm)和无芯光纤Ⅱ(长约58.3mm)组成，无芯光纤Ⅰ与无芯光纤Ⅱ之间的单模光纤应当足够长以消除包层模式。参考臂由导光单模光纤与无芯光纤Ⅲ(长约58.7mm)组成。无芯光纤Ⅲ的作用是利用无芯光纤的滤波效应在参考臂形成一个中心波长约为1549.659nm的透射峰。对于以宽谱光源构成的马赫-曾德尔装置，参考臂与传感臂透射峰的峰值波长值相近使得光源光功率变化对两光路影响程度相同。无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ的透射峰峰值分别为1542.009nm与1555.621nm，峰值波长相差为13.612nm。当两个透射峰叠加时，即无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ串联，两个透射峰距离的改变将影响叠加谱的峰值大小。当液位上升时，无芯光纤Ⅰ的波峰将向长波长方向移动，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ的透射峰距离变近，叠加谱峰值变大。
在液位测量实验中，为了探究传感器在不同液体折射率环境下的性能。制备了水、5％NaCl和10％NaCl水溶液，它们在1550nm光波长下的折射率分别是1.3333,1.3424和1.3510。将水缓慢加入烧杯中，以无芯光纤Ⅰ下端为零点，每5mm记录一次传感臂与参考臂数据。一种溶液测量完毕后，用去离子水洗净装置，烘干，然后测量下一种液体。传感器在水中的液位测量光谱如图2至图4所示，随着液位的上升，传感器传感臂输出光谱峰值增大。将传感臂与参考臂的波峰强度值数据一一对应转化为相对强度dB，
dB＝10·lg(ISen/IRef) (4)
其中，ISen与IRef分别是传感臂与参考臂的透射峰强度值。
三种液体环境中液位测量值如图5所示。传感器装置的灵敏度分别为0.1309dB/mm、0.14468dB/mm及0.15413dB/mm，线性度R2分别为0.99415、0.99083及0.98894，传感器区分度分别为6.424dB、7.013dB及7.523dB，线性拟合后分别得到y1＝-0.96547+0.1309x、y2＝-1.32858+0.14468x及y3＝-1.32347+0.15413x。
光源的输出光功率波动不利于强度调制型光纤传感器工作。为此，传感装置加入了参考臂。通过传感臂与参考臂输出光谱波峰值进行对比，所测液位值以相对强度值形式输出。在光功率波动测试中，在光源与10:90耦合器之间加入光衰减器。通过控制光衰减器进入10:90耦合器的光功率，达到调制光功率的目的。实验探究了传感装置在10％、30％、50％、70％、90％及100％光功率下传感臂与参考臂相对强度的变化，如图6所示。在测量范围内，最大相对强度值波动约为0.192dB，传感器对光源光功率波动有较好的抵抗能力。
在实际环境中，环境温度也会对传感装置产生影响。实验探究了传感装置在25-80℃下传感器输出值的变化，如图7所示。传感装置在25-80℃温度范围内最大相对强度变化为0.168dB，这表明传感装置拥有良好的消除环境温度变化带来的不利影响的能力。其原因是，无芯光纤Ⅰ与无芯光纤Ⅱ长度差别只有0.5mm，且为拥有完全相同的材料热膨胀系数和热光系数，环境温度变化时，无芯光纤Ⅰ与无芯光纤Ⅱ透射峰漂移趋势及大小相同，间距保持不变，这使得叠加谱形状同样保持不变。
将无芯光纤Ⅰ安装在容器Ⅰ中，容器中装入一定量的水，检测得到透射峰强度值为0.00067mw，最后计算得到该容器中液位高度为10mm。
将无芯光纤Ⅰ安装在容器Ⅱ中，容器中装入一定量的水，检测得到透射峰强度值为0.00107mw，最后计算得到该容器中液位高度为25mm。
将无芯光纤Ⅰ安装在容器Ⅲ中，容器中装入一定量的水，检测得到透射峰强度值为0.00186mw，最后计算得到该容器中液位高度为45mm。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
Claims (1)
1.一种基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）获取单模光纤Ⅰ、无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ，单模光纤Ⅰ的长度大于35mm，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ的长度均为N倍于（56.5mm～60mm），N为大于1的整数，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ均清除其表面涂覆层；
（2）将单模光纤Ⅰ的两端分别与无芯光纤Ⅰ的一端和无芯光纤Ⅱ的一端熔接在一起；
（3）获取宽谱光源装置和光谱仪，宽谱光源装置的输出端通过单模光纤Ⅱ与无芯光纤Ⅰ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接连接，无芯光纤Ⅱ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接有单模光纤Ⅲ与光谱仪的输入端连接；
（4）将无芯光纤Ⅰ作为液位测量光纤，置于容器内，使其呈竖直状态固定在容器内，并且使无芯光纤Ⅰ与单模光纤Ⅰ熔接的一端作为基准端与容器零液位对齐；
（5）向容器内依次加入不同液位高度的液体，记录光谱仪在不同液位高度下透射峰强度值，并通过线性拟合得到y=a+bx，即x=(y-a)/b,其中y为光谱仪输出透射峰强度值，a为零液位下光谱仪输出透射峰强度值，b为灵敏度系数，x为液位值；
（6）将测量光纤安装在待检测液体容置容器中，并测量获得光谱仪输出透射峰强度值，代入公式x=(y-a)/b得到液位高度值。
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