CN111121920A - 一种塑料光纤液位传感器及其信号处理电路 - Google Patents
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Abstract
一种耦合结构锥形塑料光纤液位传感器，属于光纤传感技术领域。其由光源、塑料光纤传感探头、信号处理及显示单元等组成。该耦合结构锥形塑料光纤液位传感探头是通过将两个锥形塑料光纤进行相互缠绕而得到的。利用锥形塑料光纤可以有效的增强倏逝场的强度，提高器件的信噪比。信号处理及显示单元电路主要包括光电转化模块、滤波、A/D模数转化模块、主核单片机控制模块及显示模块。本发明可以进行连续液位的测量，并可以有效提高被测信号强度，降低器件成本。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种耦合结构锥形塑料光纤液位传感器。
背景技术
水位、油位，以及化学液体位置的实时监测在石油化工、冶金、电力、制药、环保等诸多领域具有重要意义。目前，液位的测量方法有许多种类，如浮球式液位传感器、电容式液位传感器，以及超声波式液位传感器等。相比于上述液位传感器，光纤式液位传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰、以及可进行远距离检测等诸多优势。
如专利申请号201810044230.6“一种多齿形结构的塑料光纤液位传感器及其制备方法”，利用在塑料光纤上制备出的周期性缺陷结构来进行液位传感。但该传感器只能进行多点的测量，不能进行连续的液位测量。通常多点式的液位传感器分辨率较低，不能满足高精度的测量要求。另外，文献“”报道了一个基于耦合结构塑料光纤的连续型液位传感器，该传感器是由两个裸光纤进行缠绕而构成的。但采用两个裸光纤直接进行耦合，耦合效率比较低，其耦合光纤输出端的光功率在nW量级，信号较弱，需要高精度的探测器，并且该传感器很容易受到环境光波动的影响，信噪比较差。
因此，如何实现一种输出信号强度大，信噪比高的连续性光纤液位传感器具有重要意义。
发明内容
本发明提供一种制备工艺简单、成本低廉、信噪比高的塑料光纤液位传感器。该液位传感器由光源，耦合结构锥形塑料光纤传感探头，以及信号处理与显示单元组成。本发明的可以有效增加耦合输出信号强度，提高信噪比，所以信号采集与处理单元均采用精度不高的器件即可实现。
本发明的光纤液位传感探头采用耦合结构的锥形塑料光纤，通过将光纤进行拉锥处理，可以增强其传输光的倏逝场，从而有效增大两光纤间的耦合效率，使更多的光能量可以从一根光纤耦合到另外一根光纤当中，从而提高被测信号强度。本发明首先提供了一种耦合结构锥形塑料光纤液位传感探头的制备方法：
首先，取一根合适长度的塑料光纤，将其置于电烙铁上方1cm位置处进行加热，电烙铁的温度设置为480℃，待塑料光纤加热至软化状态时，然后拉伸其两端，这样就会得到一个两端带有锥形过渡区域，中间为直径均匀的双锥形塑料光纤。其次，将两根制备好的锥形塑料光纤进行相互缠绕，使得彼此相互靠近，然后利用环氧树脂胶将制备好的耦合结构锥形塑料光纤固定在一个金属平板上，这样就可以得到一个耦合结构的锥形塑料光纤液位传感探头。该探头有两个输入端口，两个输出端口，选择其中一个端口作为输入端，连接光源(另外一个输入端闲置)，称该光纤为输入光纤，另外一根光纤则称为耦合光纤；耦合结构锥形塑料光纤的另外两个端口为输出端，连接有两个光电探测器，用于探测两光纤输出端口的光功率。
所述的塑料光纤为多模商用塑料光纤，光纤的外径为250～1500μm，纤芯直径范围为240～1480μm，纤芯折射率为1.49，包层折射率为1.41。所述的锥形塑料的均匀区域直径为100～500μm。所述传感器的光源可以是中心发射波长为650nm的LED，或是发射波长为650nm的半导体激光器。
所述的信号处理及显示单元电路主要包括光电转化模块、滤波、A/D模数转化模块、主核单片机控制模块及显示模块。
光电转化模块运用光电二极管S1226-8BK来实现，其光伏模式可以抑制热噪声、散弹噪声，其能探测波长范围为190nm—1000nm，其灵敏度为0.36A/W；
滤波模块用带通滤波器和运算放大器实现，带通滤波器选择特定频率、相位和幅度值的信号通过，去除与待测信号不同频率、不同相位和幅度的噪声。运算放大器采用型号为OP07A的芯片，其具有非常低的输入失调电压(最大为25μV)，并且在很多应用场合不需要额外的调零措施，此外，OP07A同时具有输入偏置电流低(±2nA)和开环增益高(300V/mV)的特点，比较适用于微弱信号的放大，以便后续A/D模块的转换；
A/D模数转化模块使用型号为ADC0809的芯片实现，其有8路模拟信号通道选择，通过译码控制通道选择，转换时间约为100us，ADC0809将前级放大滤波后的模拟信号转化为数字信号，便于后级单片机检测和显示，启动该芯片的转换只需要一条MOVX指令即可；
主核单片机采用MSC51单片机实现，其价格便宜，主要起检测ADC0809芯片转换后的数字电压信号、调控整个信号采集和处理系统的作用，包括根据输入的电压信号来控制后面的显示模块；
显示模块主要采用OLED来显示，其便于控制显示，分辨率较高，屏幕容量大，价格便宜，可实时显示液位高度及温度变化。
本发明的耦合结构锥形塑料光纤传感器的工作原理是：通过将塑料光纤进行拉锥处理，可以使其中传输的相当一部分纤芯模式转换为包层模式甚至辐射模式，辐射模式泄露到光纤以外，而包层模式可以被限制在包层当中，并在包层-外部介质的界面上发生全反射，从而产生倏逝波，在倏逝波的作用下，一部分光能量会进入耦合结构的另外一根光纤当中。因此，在耦合光纤中可以测量到明显的光信号。当光纤的耦合区域浸入到被测液体中时，耦合区域周围环境介质由空气变为了被测液体，其折射率会有所增加，这会导致输入锥形光纤与耦合锥形光纤中传输光能量的损耗，从而使两个输出端的光功率发生变化。因此，可以通过监测输出的分光比来实现液位的检测。此外，由于探头两个输出端的光信号均来自于同一个光源，采用分光比的测量方法还可以有效的减小光源噪声的影响，可以进一步地提高信噪比。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1)本发明的塑料光纤液位传感探头的制作方法简单，不需要复杂的制备工艺，成本较低，便于商业化批量生产。
2)采用耦合结构的锥形塑料光纤可以有效的增加耦合光信号的强度，从而提高传感器的信噪比。
3)本发明的光源、探测器，以及信号采集与处理单元的成本较低，采用精度不高的器件即可实现。
附图说明
图1是本发明的耦合结构锥形塑料光纤液位传感器的结构示意图；
图2是本发明的信号采集及处理电路模块示意图；
图3是本发明所测得的液位变化与输出分光比的关系曲线。
具体实施方式
参见图1，为耦合结构锥形塑料光纤液位传感器的示意图。该传感器由LED光源1、耦合结构锥形塑料光纤探头2，以及信号处理与显示单元3组成。工作时，光源发出的光耦合进锥形输入光纤(称为有源光纤4)，在耦合传感区域光能量可以进入到另外一个光纤当中(无源光纤5)，两个光纤的输出光功率由两个规格一样的光电二极管测量得到。当耦合传感区域被液体浸没后，会引起两个光纤输出端光功率发生变化，输出的光功率再由信号处理单元进行滤波放大、模数转换、计算，最后由显示模块显示出来。
本发明的耦合结构锥形塑料光纤传感探头由两个相互缠绕的锥形塑料光纤制备而成。其制备方法如下：首先，取一根合适长度的塑料光纤，将其置于电烙铁上方1cm位置处进行加热，电烙铁的温度设置为480℃，待塑料光纤加热至软化状态时，然后拉伸其两端，这样就会得到一个两端带有锥形过渡区域，中间为直径均匀的双锥形塑料光纤。其次，将两根制备好的锥形塑料光纤进行相互缠绕，使得彼此相互靠近，然后利用环氧树脂胶6，将制备好的耦合结构锥形塑料光纤固定在一个金属平板上7，这样就可以得到一个耦合结构的锥形塑料光纤液位传感探头。该探头有两个输入端口，两个输出端口，选择均匀区域直径小的锥形光纤作为有源光纤4，连接光源(另外一个输入端闲置)，另外一根光纤则为无源光纤5；耦合结构锥形塑料光纤探头有两个输出端口，各连接一个光电探测器，用于探测两光纤输出端口的光功率。优选地，输入锥形光纤拉锥均匀区域的直径为100μm，耦合锥形光纤拉锥均匀区域的直径为200μm，耦合区域长度为22mm。
工作时，锥形塑料光纤可以使其中传输光的相当一部分纤芯模式转换为包层模式甚至辐射模式，辐射模式泄露到光纤以外，而包层模式可以被限制在包层当中，并在包层-外部介质的界面上发生全反射，从而产生倏逝波，在倏逝波的作用下，一部分光能量会进入耦合结构的另外一根光纤当中。因此，在耦合光纤中也可以测量到明显的光信号。当光纤的耦合区域浸入到被测液体中时，耦合区域周围环境介质由空气变为了被测液体，其折射率会有所增加，这会导致输入锥形光纤与耦合锥形光纤中传输光能量的损耗，从而使两个输出端的光功率发生变化。通过标定，可以得到液位与分光比之间的关系曲线，利用这个关系曲线在测量得到分光比的情况下，就可以检测到液位的变化情况。此外，由于传感探头两个输出端的光信号均来自于同一个光源，采用分光比的检测方法还可以有效的减小光源噪声的影响，从而可以进一步地提高信噪比。分光比K的计算可由下式表示，
其中，I1为有源光纤的输出功率，I2为无源光纤的输出功率。
参见图2，是本发明的信号处理及显示单元电路框图。利用两个规格相同的光敏二极管可以将两光纤输出端的光强信号转换为模拟电信号，然后通过滤波模块进行筛选放大，再经过A/D模块转化为数字电压信号，最后由显示模块显示出液位高度。
参见图3，是本发明所测得的液位变化与输出分光比的关系曲线。可以看出，随着液位的增加，分光比减小。测量时，设耦合区域开始位置为液位测量0点，则可得到液位传感范围为22mm，传感灵敏度为650％/μm，灵敏度S的表达式由如下表达式确定，
式中，ΔK为分光比的变化量，ΔH为液位高度的变化量。
Claims (2)
1.一种耦合结构锥形塑料光纤液位传感器，其由光源、耦合结构锥形塑料光纤传感探头、信号处理与显示单元组成。所述的耦合结构锥形塑料光纤是通过将两个锥形的塑料光纤进行相互缠绕制备而成的。其可以有效增强耦合信号的强度，提高器件的信噪比。
2.如权利要求1所述的信号处理及显示单元电路主要包括光电转化模块、滤波、A/D模数转化模块、主核单片机控制模块及显示模块。
1)光电转化模块运用光电二极管S1226-8BK来实现，其探测波长范围为190nm—1000nm，灵敏度为0.36A/W；
2)滤波模块用带通滤波器和运算放大器实现。运算放大器采用型号为OP07A的芯片，其具有非常低的输入失调电压(最大为25μV)，并具有较低输入偏置电流(±2nA)和较高开环增益(300V/mV)，比较适用于微弱信号的放大，以便后续A/D模块的转换；
3)A/D模数转化模块使用型号为ADC0809的芯片实现，其可以将前级放大滤波后的模拟信号转化为数字信号，便于后级单片机检测和显示，启动该芯片的转换只需要一条MOVX指令即可；
4)主核单片机采用MSC51单片机实现，主要起检测ADC0809芯片转换后的数字电压信号、调控整个信号采集和处理系统的作用，包括根据输入的电压信号来控制后面的显示模块；
5)显示模块主要采用OLED来显示，可实时显示液位高度变化。
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