CN113959527B - 一种基于塑料光纤宏弯方法制备的液位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于塑料光纤宏弯方法制备的液位传感器，涉及塑料光纤领域和液位传感技术领域。该液位传感器是由POF对柱体表面进行缠绕得到，柱体的材质为光造型树脂。制备方法为：(1)对POF端面进行预处理，获得平整的光纤端面；(2)将POF按照预设轨迹缠绕在柱体表面，并通过粘黏剂将其固定。本发明方法操作简单，测量精度高，能通过控制每圈光纤的间距，适应不同分辨率的需求；该POF液位传感器具有优良的电子绝缘和遥感性能，可对易燃易爆油箱进行安全测量，实现点液位监测，具有高灵敏度、快速响应、抗电磁干扰、体积小、重量轻、抗腐蚀等优点。
Description
技术领域
本发明涉及塑料光纤领域和液位传感技术领域，特别是涉及一种基于塑料光纤宏弯方法制备的液位传感器。
背景技术
液位测量无论是在化工还是燃料存储领域都有着重要意义，例如在飞机燃油系统中，更有效的载荷、更长的航程和更安全的飞行都依赖于高精度的燃油液位测量技术。根据传感器原理，可以分为电容式传感器、超声波式传感器、雷达传感器、浮子式传感器、光纤传感器。
其中电容式液位传感器用途最为广泛，譬如专利CN213576677U，公开了一种技术：通过设计支架、支撑块、连接杆以及复位弹簧等解决了现有的电容式液位传感器高度调节不方便以及固定后难拆卸的问题。但电容介电常数容易受温度、电磁、液体类型的影响，同时电容传感器作为一种电子储能装置，用于监测易燃液体存在一定的危险性。超声波式、雷达式液位传感器均可不接触液体实现测量，可避免介质特性的影响，但容易受到温度、液体表面泡沫、蒸汽等因素影响，精度很难提高。浮子式液位传感器易受振动影响，不适合用于振动环境。而光纤液位传感器，具有优良的电子绝缘和遥感性能，可对易燃易爆油箱进行安全测量，实现连续液位和点液位监测，具有高灵敏度、快速响应、抗电磁干扰、体积小、重量轻、抗腐蚀等优点。
光纤液位传感器根据调制类型可分为强度调制型和波长调制型。譬如专利CN110849436A，公开了一种技术：通过悬臂杆将力的变化与FBG中心波长的变化建立联系，进而表征液位的变化。波长调制式传感器虽然准确度高，但量程较小，检测需要复杂的方法和昂贵的仪器设备，而强度调制传感器制备方法简单，成本低，且量程较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于塑料光纤宏弯方法制备的液位传感器，以解决上述现有液位传感器存在的容易受温度、电磁、液体类型以及污染物的影响，监测易燃液体存在危险，不适用于振动环境中，量程较小，检测需要复杂的方法和昂贵的仪器设备等问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种液位传感器，所述液位传感器由POF对柱体表面进行缠绕得到；
所述柱体的材质为光造型树脂。
进一步地，所述柱体为圆角方形柱体，柱体高100mm，底面直线段长4mm，弯曲半径2mm。
进一步地，缠绕时每圈的间距为7.5mm。
进一步地，所述POF的直径为500μm。
本发明还提供上述液位传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)对POF端面进行预处理，获得平整的光纤端面；
(2)将POF按照预设轨迹缠绕在柱体表面，并通过粘黏剂将其固定。
光纤缠绕柱体时尽量保证光纤与柱体表面紧贴，以达到很好的宏弯损耗效果。
进一步地，所述POF端面预处理的步骤为：将POF进行端面打磨，然后将端面浸泡于酒精中进行超声处理，烘干。
进一步地，先将POF通过光纤适配器与研磨盘连接，在将其垂直于研磨纸进行端面打磨(可保证表面平行度及平整度)，再将研磨好的光纤端面垂直固定到盛有酒精的烧杯中，采用超声波清洗后烘干，获得表面平整的光纤端面。
进一步地，所述粘黏剂为Z02-A/B透明树脂胶，购自昆山久力美电子材料有限公司，其中，环氧树脂A胶和B胶质量比为2:1。
进一步地，将所述粘黏剂的环氧树脂A胶和B胶混合后，静置30分钟后进行固定处理。
进一步地，通过粘黏剂固定完成后，将所述传感器静置48小时以上。
所述POF是由江西大圣塑料光纤有限公司所生产的d500；
所述d500的纤芯材质为PMMA，包层材质为氟树脂，纤芯和包层折射率分别为1.49和1.41，纤芯直径480μm，包层厚度10μm。
本发明公开了以下技术效果：
1)与现有技术相比，采用POF宏弯制备液位传感器简化了制备工艺；POF具有更高的耐弯曲性和绝缘性，且价格较低，进一步提高了液位传感器性价比；柱体采用一种具备精确和耐久特性的类ABS立体光造型树脂(C-UV 9400E)打印，具有卓越的可加工性以及绝缘性，在避免对液位监测造成影响的同时也提高了传感器的使用寿命。
2)与现有技术相比，将POF缠绕在圆角方形柱体表面制备液位传感器，每一圈引入更多的测量点，使其具备较高的分辨率；POF对宏弯泄露更为敏感，极大提高传感器的灵敏度；能通过改变光纤每圈的间距及圈数，方便地调整传感器的量程与分辨率；POF抗电磁干扰且具有良好的绝缘性，可用于可燃液体位置的测量，适应于更多环境下液位测量的需求。
3)本发明解决了传统液位传感器制备工艺复杂的问题，相对于电容式传感器、超声波式传感器、雷达传感器和浮子式传感器，本发明具有更好的绝缘性和遥感性，具有快速响应(＜100ms)，抗电磁干扰，体积小重量轻，量程较大(80mm)，检测不需要复杂的方法和昂贵的仪器设备。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明对POF两端进行预处理的加工示意图；
图2为本发明POF缠绕圆角方形柱体示意图；
图3为本发明实验平台示意图；其中，1为POF、2为FC适配器、3为研磨板、4为研磨纸，5为圆角方形柱体、6为光功率计、7为光源、8为容器、9为液体、10为出水口；
图4为传感器未去除内应力前(实施例1)光强随液位变化示意图；
图5为传感器去除内应力后(实施例2)光强随液位变化示意图；
图6为传感器监测汽油和水时，光强随液位变化的对比图。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
实施例1
实施例所用柱体为圆角方形柱体，柱体高100mm，底面直线段长4mm，弯曲半径2mm；所用POF是由江西大圣塑料光纤有限公司所生产的d500；
所述d500的纤芯材质为PMMA，包层材质为氟树脂，纤芯和包层折射率分别为1.49和1.41，纤芯直径480μm，包层厚度10μm。
一种基于塑料光纤宏弯方法制备的液位传感器，具体步骤如下：
选取1m直径为500μm的塑料光纤，对其两端表面进行打磨处理，保证其上下表面平行度及平整度，如图1所示；将打磨好的光纤端面放到盛有酒精的烧杯中，超声波清洗后烘干，获得表面平整的光纤端面；用记号笔在圆角方形柱体表面标记每圈的位置(记号笔不掉色，对液位监测过程无影响)，每圈间距为7.5mm，光纤每一圈有12个测量点，共11圈，即有约130个测量点，如图3所示；
将环氧树脂A胶和B胶按照2:1的比例配制，静置30分钟后使用；将POF按照标记位置等距缠绕在柱体表面，接着用配制好的环氧树脂在柱体的上下两端将POF固定在柱体表面，此时需在光纤两端施加一定的拉力，并将传感器静置48小时以上；
搭建如图3所示的检测平台，将静置后的传感器放在可进出水的容器中，光纤的一端接650nm的红光光源，另一端接光功率计，光源发出的光通过传感器传给光功率接接收，接着往容器里面加水放水，随着传感器浸没在液体中的高度变化，光功率计接收到的光强值也会发生变化，通过总结其变化规律即可得知容器中液位的高度，本实施例设置四个平行实验组，各组实验数据如图4所示。各组响应时间均＜100ms。
实施例2
与实施例1的不同之处在于，实施例2将静置48小时后的传感器放入水浴箱中50℃恒温加热12小时，以消除光纤缠绕时的内应力，其他各组条件同实施例1。相比实施例1，传感器的灵敏度有略微降低，但传感器的重复性和可靠性得到大幅度提升，如图5所示。各组响应时间均＜100ms。
实施例3
与实施例1的不同之处在于，选取直径为250μm(POF#1)和1mm(POF#2)的塑料光纤，分别搭建液位传感器实验平台，其他条件同实施例1。相比实施例1，用POF#1所搭建的液位传感器灵敏度低，不能灵敏反应液位的变化；用POF#2所搭建的液位传感器由于POF尺寸过大，POF与柱体表面接触不完全，传感器制备困难，液位监测的重复性差。
实施例4
与实施例1的不同之处在于，采用1550nm波段的光源，其他条件同实施例1。相比实施例1，传感器在未浸没液体时已经损耗大量的光，不能监测液位变化，1550nm波段的光不适合作为该传感器的光源。
实施例5
与实施例1的不同之处在于，所使用的POF端面未经过处理，其他条件同实施例1。相比实施例1，传感器每次在对液位监测时的初始值都不同，传感器稳定性和重复性差。
实施例6
与实施例1的不同之处在于，容器中的液体为折射率1.388的汽油，其他条件同实施例1。相比实施例1，由于汽油的折射率比水的折射率更接近光纤包层折射率，所以传感器对汽油液位变化更为敏感，如图6所示。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (1)
1.一种液位传感器，其特征在于，所述液位传感器由POF对柱体表面进行缠绕得到；
所述柱体的材质为光造型树脂；
所述柱体为圆角方形柱体，柱体高100mm，底面直线段长4mm，弯曲半径2mm；
缠绕时每圈的间距为7.5mm；
所述POF的直径为500μm；
所述液位传感器的制备方法包括以下步骤：
(1)对POF端面进行预处理，获得平整的光纤端面；
(2)将POF按照预设轨迹缠绕在柱体表面，并通过粘黏剂将其固定，将所述传感器静置48小时以上；
所述POF端面预处理的步骤为：将POF进行端面打磨，然后将端面浸泡于酒精中进行超声处理，烘干；
所述粘黏剂为Z02-A/B透明树脂胶，其中环氧树脂A胶和B胶质量比为2:1；
所述POF的纤芯材质为PMMA，包层材质为氟树脂，纤芯和包层折射率分别为1.49和1.41，纤芯直径480μm，包层厚度10μm。
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| A Liquid Level Sensor Based on a Race-Track Helical Plastic Optical Fiber;Ning Jing, Chuanxin Teng, Jie Zheng, Guanjun Wang, Yuanyuan Chen, and Zhibin Wang;《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》;158-160 * |
| Ning Jing, Chuanxin Teng, Jie Zheng, Guanjun Wang, Yuanyuan Chen, and Zhibin Wang.A Liquid Level Sensor Based on a Race-Track Helical Plastic Optical Fiber.《IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS》.2017,158-160. * |
| 准确测量液位的反射式螺旋塑料光纤传感器;陈俊琏，李林洋，辛鑫，彭飞，余秋会，钟年丙，赵明富;《光学学报》;97-105 * |
| 张樱子.基于塑料光纤侧面耦合效应的液漏传感关键技术研究.《中国博士学位论文全文数据库（电子期刊） 工程科技Ⅱ辑》.2019,C036-11. * |
| 秦苏琼.环氧树脂灌封料的研究和发展.《中国集成电路》.2005,69-71. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113959527A (zh) | 2022-01-21 |
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