CN1920496A - 模式泄漏式光纤液位传感器 - Google Patents

Abstract

一种模式泄漏式光纤液位传感器，由并列的两根反折成开口曲别针形或烧瓶形的光纤组成，一根是测量光纤，一根作为参考光纤，在测量光纤的开口曲别针形或烧瓶形一直线段外侧的包层上做侧损伤处理的光泄漏段，两根光纤头尾均设置光纤接头，也可以在光泄漏段套有密封透明管套，其中充满参考液体，测量光纤和参考光纤下部的半环形直径大于等于8倍光纤直径。本发明模式泄漏式光纤液位传感器，价格低廉、无移动件、使用可靠、测量精确、特别适合于各种油料储存设备使用，加有参考液体的传感器具有更广泛的应用范围。

Description

模式泄漏式光纤液位传感器

技术领域

本发明涉及一种液位检测计，特别涉及一种模式泄漏式光纤液位计。

背景技术

光纤传感器产业是一门新兴产业，受到业界高度的重视。我公司在对市场的调研基础上发现，我国各地的加油站普遍存在贮油罐的监测与管理却很落后问题。是由于防爆问题和监测管理设备昂贵所造成的，所以目前很多加油站均采用人工目视的方法对贮油罐进行监测和管理。

发明内容

为解决加油站贮油罐液位的监测和管理，本发明提供一种价格低廉并适用于加油站卧式贮油罐的模式泄漏式光纤液位传感器。

本发明模式泄漏式光纤液位传感器，所述模式泄漏式光纤液位传感器由并列的两根反折成开口曲别针形或烧瓶形的光纤组成，一根是测量光纤，一根作为参考光纤，在所述测量光纤的开口曲别针形或烧瓶形一直线段的包层上做损伤处理的光泄漏段，所述两根光纤头尾均设置光纤接头。

本发明模式泄漏式光纤液位传感器，在所述光泄漏段套有密封透明管套，其中充满参考液体。

本发明模式泄漏式光纤液位传感器，所述测量光纤和参考光纤下部的半环形直径大于等于8倍光纤直径。

本发明模式泄漏式光纤液位传感器，价格低廉、无移动件、使用可靠、测量精确、特别适合于各种油料储存设备使用，加有参考液体的传感器具有更广泛的应用范围。

附图说明

图1是本发明模式泄漏式光纤液位传感器第一方案的示意图；

图2是本发明模式泄漏式光纤液位传感器第二方案的示意图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明，下面结合实施例作更详尽的说明。

本发明的基本工作原理是将光纤经过特殊处理后，光纤传光特性发生变化。变化的基本理论是模式耦合，由于光纤一侧的包层经过损伤处理，也就是光纤的导光体3与被测的液体产生互相耦合，这就产生了光能从一种模式耦合到另一种模式，使光能在各种模式间的分配趋于相等，达到动态平衡，为达到新的动态平衡模式需要一定的时间，因此液位测量其值反应速度较慢。首先传光特性受外界液体不同的折射率而向外散射的光量不同，也即是光损失量不同，其次传光特性还受侵入液体的深度不同而发生变化。

当受损伤的光纤没有浸入液体时，其包层是空气，由于空气的折射率n₀＝1，空气相当于光纤的包层因而光能不损失。而与汽油、柴油、或其它轻质油相接触时，也就是光纤浸入被测的液体时，由于折射率发生很大的变化，其耦合模式也发生很大的变化使光能在各种模式间的分配趋于相等，达到新的平衡。因此光能的损失将随着液位的变化而不断的产生很大的变化。

一束光从一种介质(折射率n_？)入射到第二种介质(折射率n₂)中，根据Snell定律，入射角θ₁与折射角θ₂满足如下关系式

        n₁Sinθ₁＝n₂Sinθ₂  ----------(1)

与入射面平行和垂直的反射系数由Fresnel公式表示式(1)

        r_p＝-tg(θ₁-θ₂)/tg(θ₁+θ₂)------------(2)

        r_s＝-Sin(θ₁-θ₂)/Sin(θ₁+θ₂)----------(3)

光的反射率为

        R＝(rp²+rs²)^1/2----------(4)

光的反射强度为

        I_R＝rp²I_op+rs²I_os----------(5)

I_o＝I_op+I_os为入射光强，脚标ps分别代表偏振面与入射面相平行与垂直的分量。

对于选定的光纤，其n₁为定值、θ₁也为定值，它接触到不同折射率的液体时，由式(1)式n₂＝n₁Sinθ₁/θ₂，对于式(2)(3)的θ₂决定於n₂。因此n₂取不同的值，直接决定了I_R的值。利用这种原理测量反射光强就可以测量各种不同液体的浓度，只要将光纤传感器的端部处理好就是光纤浓度计(详见光纤浓度计的文献)。我们目前设计的光纤液位计是利用随着光纤处于液体的深度不同，也就是光纤测杆在空气中和在液体中的比例不同，其折射到液体光强和折入气体光强不同的原理而制造的光纤液位计。

图1是本发明的第1实施例。利用并列的两根光纤，一路为测量光纤1，另一路为参考光纤2。两根光纤各自折弯成开口曲别针形或烧瓶形，其下部半环段10直径大于等于8倍光纤直径。参考光纤2不做任何处理而测量光纤1一侧作损伤处理，形成光泄漏段5，塑料光纤是由导光体3和包层4组成，损伤处理仅仅是对包层4，不要伤及导光体3，实际上就是破环包层4的完整，损伤应均匀。这里的损伤处理可以是机械方式(如机械产生裂缝或研磨、刀抓伤)，也可以是化学处理方式(如氰氟酸中腐蚀)。两根光纤两头都有光纤接头6、7、8、9，以便和连接激光器和探测器的光纤连接。

前面理论分析过，经过损伤处理过的光纤其输出值将与液位的变化成比例。光泄漏段5的长度应大于液面变化的范围。

单用测量光纤1也可以完成液位测量，但由于没有参考光纤2其测量精度低，为提高测量精度本方案采用了参考光纤2。本传感器包括测量光纤1和参考光纤2，参考光纤2不做任何处理，而测量光纤1需进行损伤处理。包层4部分作损伤处理后，光泄漏段侵在液体中，在导光体3中传导的光，在包层4交界面处产生全反射，与此同时，在包层4受损伤处，光线射入液体，朝液面方向传播。这种光的损失由处于光导体的端面上的光电接收器检测到。

但是单独使用测量光纤测量精度低，故在测量光纤1旁边，设置同样长度、同样形状的参考光纤2，根据测量光纤1的光损失量和参考光纤2的光通量，通过专用设备即可计算出更精确的液位值。

本方案的缺点是，不是任何液体都可以测量，因为当导光体3的折射率确定时，只有那些折射率明显大于导光体3的折射率的液体能被测量。但其简单精确，有其独特的应用范畴。

图2是第1实施例的改进。和第一实施例不同的是，在测量光纤1的单侧损伤段5的外面，加了一个密封的透明管套11，其中充满了参考液体12。

该方法是第一方案的进一步发展，利用参考液体和被测液体的折射率不同，使得光损产生更明显的连续变化的模拟量，对于具有不同折射率的液体都可以连续测量液位值。

在本方案中，在测量光纤的单侧损伤段5外，增加了透明管套11和参考液体12，其中，参考液体12的光折射率应不大于被测量液体的折射率。

这些特点完全解决了构成该产品的基本任务。因为在测量光纤1的这个区段沉浸在液体内，从细长光源发出的光绝大部分都通过该区段进入液体，结果总的往上反射到探测器的光量随着测量光纤损伤段5沉浸在液体中愈深而不断碱少。

该措施另一个优点，就是该传感器同样能有一个非常细的造型，因为光纤很细，透明管套11也可以做得很细，可一制造成横截面极小的传感器，最小可以达到几毫米直径。

本方案具有更好的液体适应性，可以应用于多种液体的液位测量。当然本方案略复杂一些，不如第一方案简单价廉。

从两个实施例的详细陈述中可见，本发明提供了一种结构简单、价格低廉、没有移动件、长期可靠性好的液位传感器，特别适用于油料的液位测量，加有参考液体的传感器具有更广泛的应用范围。

Claims (3)

1、一种模式泄漏式光纤液位传感器，其特征在于，所述模式泄漏式光纤液位传感器由并列的两根反折成开口曲别针形或烧瓶形的光纤组成，一根是测量光纤(1)，一根作为参考光纤(2)，在所述测量光纤(1)的开口曲别针形或烧瓶形一直线段的包层(4)上做损伤处理的光泄漏段(5)，所述两根光纤头尾均设置光纤接头(6、7、8、9)。

2、根据权利要求1的模式泄漏光纤液位传感器，其特征在于在所述光泄漏段(5)套有密封透明管套(11)，其中充满参考液体(12)。

3、根据权利要求1或2的模式泄漏光纤液位传感器，其特征在于所述测量光纤(1)和参考光纤(2)下部的半环形(10)的直径大于等于8倍光纤直径。

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