專利名稱：異芯結構透射式光纖液位傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種透射式光纖液位傳感器，尤其涉及異芯光纖熔接，使得光纖中芯模和包層模產生干涉，形成類似馬赫-曾德干涉儀，通過測量透射光譜中特征峰波長的漂移量從而測定液位的變化量。主要運用于測量液面變化量較小，精度要求較高的場合，特別適用于易燃液體的測量，如燃油等。
背景技術：
在石油、化工、電力、冶金、國防軍事部門因生產或儲存須用各種型式的儲罐，來存放各種易燃、易爆的油料或化工液體原料，對這些儲罐的液位進行檢測，不僅要求探測器具有較高的測量精度、更好可靠性及穩定性和將液位信號遠傳的功能，而且要求測量儀器具有本質安全防爆，并且能適用于特殊惡劣環境測量，這樣的液位傳感器是當下人們關注的焦點。目前，應用于生產、生活中的液位傳感器主要有以下幾種:機械式液位傳感器；液壓式液位傳感器；雷達、超聲波液位傳感器；利用放射元素式液位傳感器和光學類液位傳感器。機械式液位傳感器通過機械傳動裝置把和液位處于相同高度的浮子(如水箱中的水漂)高度信息轉換成相應的電信號，然后通過與之配套的解調設備測算出液位高度。此種傳感器可以實現對液位的連續測量，但是隨著使用時間的延長，會有大量沉淀附著于傳動裝置上，導致裝置測量靈敏度大大降低，直至產生故障。液壓式液位傳感器通過容器底部或側壁上相應位置的傳感器感受壓力變化，并將所感受到的液位變化信號傳送到解調系統中，得出相應的液位高度值。測量精度受到解調系統精度的限制，而且被測液體的密度需要是均勻和已知的。雷達、超聲波液位傳感器的測量通過測量電磁波信號從發射至探測器接收反射信號的時間差來測量液位，可用于惡劣的環境，但是由于雷達傳感器的測量信號激發時間很短，因此需要有能快速分析、處理信號的解調設備對其進行解調，才能保證所得數據的準確性，這也導致其價格昂貴，不利于實際應用。放射元素式液位傳感器通過測量射線從發射到被反射回來的時間來達到測量液位的目的。因其放射線能量損失較大，導致測量誤差偏大，而且此方法具有和輻射性，所以對人體健康不利。光學類液位傳感器具有測量精度高、不受電磁干擾等優點，受到廣泛關注。近年來國內外報道了多種新型的光學類液位傳感器，其中光纖光柵液位傳感器具有測量精度高，反映靈敏，能應用于諸多惡劣的環境等優點而備受青睞。如浙江大學報導的光纖光柵液位傳感器，應用波長解調，其靈敏度可到0.036mm/pm ;廣西師范大學對應用長周期光纖光柵作為液位傳感器進行了研究，發現當以峰值損耗為傳感參量進行測量時，當有過耦合發生時，光柵峰值損耗與進入液體的百分比不再一一對應。黑龍江大學報導設計的一種將光纖光柵與波登管有效的結合的高靈敏度光纖光柵液位傳感器，可以實現高靈敏度的液位測量，在6.5m的液位高度內，其靈敏度均值高達65.771nm/Mpa。類似的還有X.ff.Dong等人報導了應用側邊拋光的光纖布拉格光柵液位傳感器，Kyung-Rak Sohn報導了將光纖布拉格光柵嵌入懸臂和浮子之間的液位傳感器。所有這些液面傳感器都需要應用到光纖光柵，而光纖光柵的制備比較復雜，要求應用到價格高昂的光柵刻錄機和精準的控制操作，另一方面，測量范圍較小，受制于光纖光柵的刻錄長度。Y.F.Yang等人報導了利用液面反射光干涉原理制備的液面傳感器，雖然有較高的精度，但反射的信號非常微弱，對探測器靈敏度有較高的要求。最近J.E.Antonio-Lopez等人報導了單模光纖與一段多模光纖或無芯光纖熔接，利用多模干涉自成像的原理測量液位的變化，利用譜線峰值波長解調獲得液面的變化量。該方法測量靈敏度高，應用不同長度的多模或無芯光纖，便于分布式多點測量。缺點在于多模或無芯光纖的長度需要精確控制，且易受溫度的影響。基于目前液位傳感器存在的不足，充分發揮光纖傳感器的優勢，本發明專利提出了一種結構簡單，制備容易，測量精度高，測量范圍廣的異芯結構光纖液位傳感器。

發明內容
本發明要解決的是現有技術存在的上述不足之處，提供一種高精度、結構簡單、制備方便的透射式光纖液位傳感器。解決上述問題的技術方案是:異芯結構透射式光纖液位傳感器，其包括寬帶光源，光纖傳感頭和光纖光譜分析儀，其特征在于:所述的寬帶光源為帶寬較大的連續譜光源，可產生1400 1700nm波長的光，可直接耦合進單模光纖；所述的光纖傳感頭是在普通單模光纖的中間熔接一定長度無涂敷層的細芯單模光纖，要求細芯光纖的芯徑小于普通的單模光纖芯徑，形成三明治結構。普通單模光纖芯徑約8 9微米，細芯單模光纖芯徑約3 5微米。普通單模光纖接收來自寬帶光源的光并耦合至細芯單模光纖，由于芯徑的不匹配，原來在單模光纖中以芯模傳輸的光在第一個熔接點處耦合進細芯光纖，以芯模和多個包層模的形式傳輸。細芯光纖中芯模束縛于光纖內部傳輸不受外界媒質的影響；包層模以倏逝波的形式與外界媒質相互作用，因此傳輸過程中受到外界媒質的折射率影響。使用時細芯單模光纖垂直浸入待測液體，一部分位于液面之上即空氣中，另一部分位于液面之下。空氣和待測液體的折射率不同，當液位發生變化時，細芯光纖處于空氣和液體的長度也分別發生變化，芯模與包層模傳輸到第二個熔接點處產生干涉時的光程差也就會發生變化。細芯光纖部分相當于共軸的馬赫-曾德干涉儀，其纖芯可看作參考臂，傳導芯模，包層可看作傳感臂，傳導包層模。芯模和包層模在第二個熔接點處干涉耦合進入導出單模光纖，以芯模形式傳輸給光纖光譜分析儀。通過測量透射光譜中特征峰波長的漂移量，從而計算得到液位的變化量。增加細芯光纖的長度，可以增大其測量量程。提高光纖光譜分析儀的分辨率，可提高該傳感頭的液位測量分辨率，若光纖光譜分析儀的分辨率為I皮米，則該傳感頭測量液位的分辨率可達到4微米左右。所述的光纖光譜分析儀包括單色儀、光電探測器、放大整形電路、數據采集卡和微型計算機，所述的單色儀輸入端接普通單模光纖的光輸出端，其輸出端接光電探測器；所述光電探測器的輸出端接放大整形電路的輸入端；所述放大整形電路的輸出端接數據采集卡的輸入端；所述數據采集卡的輸出端接微型計算機。
本發明具有以下有益效果:I)傳感探頭采用細芯單模光纖和普通單模光纖熔接的方式，結構簡單，制備方便，且靈敏度高。2)傳感探頭測量量程大，可在寬量程范圍內實現高精度的液位測量，并且隨著待測液體折射率的升高，測量靈敏度也隨之升高。3)透射譜中特征峰波長漂移量與液位變化量呈線性關系，便于測量前的標定和實際液位定量測量。4)當液面升高或降低超出細芯單模光纖范圍時，馬赫-曾德干涉儀的傳感條件消失，透射光譜發生突變，因此可將細芯單模光纖的上下熔接點作為臨界液位報警位置。5)傳感頭采用全光纖制備，具有本質安全防爆的特點，特別適合于易燃易爆液體的液位或體積監測。


為了更清楚地說明本發明實施例或技術方案，下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。圖1是本發明異芯結構透射式光纖液位傳感器的結構示意圖。圖2是異芯結構透射式光纖液位傳感頭的結構示意圖。圖中，1.寬帶光源；2.普通單模光纖；21.普通單模光纖纖芯；3.細芯單模光纖；31.細芯單模光纖纖芯；32.細芯單模光纖包層；4.光譜分析儀；5.待測液體；6.單色儀；
7.光電探測器；8.放大整形電路；9.數據采集卡；10.微型計算機；11.空氣。
具體實施例方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行說明。圖1是本發明用于異芯結構透射式光纖液位傳感器的結構示意圖，本實施例包括:寬帶光源1、普通單模光纖2、細芯單模光纖3、光纖光譜分析儀4，其中:寬帶光源I產生的1400 1700nm的連續光譜光耦合進普通單模光纖2，普通單模光纖2中間截斷并熔接一定長度的細芯單模光纖3，并將光耦合至細芯單模光纖3，形成光的干涉，相干光再次耦合入普通單模光纖2并傳送給光纖光譜分析儀4。所述的細芯單模光纖3首先用剝線鉗去掉涂敷層，用酒精棉球將表面擦拭干凈，然后熔接于單模光纖中間。使用時垂直浸入待測液體5,—部分位于液面之上即空氣11中，另一部分位于液面之下。所述的光纖光譜分析儀4包括單色儀6、光電探測器7、放大整形電路8、數據采集卡9和微型計算機10，所述的單色儀6輸入端接普通單模光纖2的光輸出端，其輸出端接光電探測器7 ;所述光電探測器7的輸出端接放大整形電路8的輸入端；所述放大整形電路8的輸出端接數據采集卡9的輸入端；所述數據采集卡9的輸出端接微型計算機10。結合圖1，介紹具體的工作原理:寬帶光源I產生的寬光譜光耦合進普通單模光纖纖芯2，以芯模的形式在普通單模光纖纖芯21中傳輸。在第一個熔接點處耦合進細芯光纖3，由于細芯單模光纖3的纖芯較細，一部分光耦合進入細芯單模光纖纖芯31以芯模形式傳輸，該部分光束縛于光纖內部傳輸，因此不受外界媒質的影響；另一部分光進入細芯單模光纖包層32以包層模傳輸，由于包層模與外界媒質以倏逝波的形式相互作用，因此受到外界媒質折射率的影響。細芯光纖傳感頭可以看作一個共軸的馬赫-曾德干涉儀:細芯光纖纖芯31充當參考臂，細芯光纖包層32充當傳感臂，包層模從細芯光纖的一端傳輸到另一端產生的相位變化受到外界媒質的影響。芯模和包層模在細芯光纖的末端產生干涉，該干涉光再次耦合進普通單模光纖2并將光送進單色儀6分光，單色儀6分離的單色光被光電探測器7探測后送人放大整形電路8，再經數據采集卡9采集數據由微型計算機10處理。液位的變化引起空氣段和浸入液體段細芯光纖的長度均發生變化，從而包層模與芯模的相位差產生變化，兩者產生的干涉光光強也會發生改變。通過光纖光譜分析儀測量透射光譜中特征峰波長的改變量，從而計算得到液位的改變量。經理論分析可知，該傳感器測量靈敏度正比于空氣段和浸入液體段的包層模有效折射率之差，由于空氣折射率不變，因此待測液體折射率越大，該差值也越大，測量靈敏度隨之增大。增加細芯光纖的長度，可以增大傳感頭的測量范圍。光纖光譜分析儀的分辨率越高，則此傳感頭測量液位的分辨率也越高。圖2是異芯結構透射式光纖液位傳感頭的結構示意圖，所述的細芯單模光纖3兩端熔接于普通單模光纖2，且細芯光纖的芯徑小于普通單模光纖芯徑，使用時細芯單模光纖垂直放置，一部分浸入待測液體5，另一部分暴露于空氣11中。應當指出，以上所述具體實施方式
可以使本領域的技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。因此，盡管本說明書參照附圖和實施例對本發明進行了詳細的說明，但是，本領域技術人員應當理解，仍然可以對本發明進行修改或者等同替換，總之，一切不脫離本發明創造的精神和范圍的技術方案及其改進，其均應涵蓋在本發明創造專利的保護范圍之內。
權利要求
1.用于異芯結構透射式光纖液位傳感器，包括寬帶光源、傳感頭和光纖光譜分析儀，其特征在于 所述的寬帶光源(I)為可產生1400 1700nm連續光譜的光源，可直接耦合進普通單模光纖； 所述的異芯結構光纖傳感頭包括普通單模光纖(2)和細芯單模光纖(3)，普通單模光纖(2)中間截斷，熔接一定長度的細芯單模光纖(3)，構成三明治結構，由普通單模光纖(2)接收來自寬帶光源(I)的光并耦合至細芯單模光纖(3)，形成光的干涉，相干光再次耦合入普通單模光纖(2); 所述的光纖光譜分析儀(4)包括單色儀￠)、光電探測器(7)、放大整形電路(8)、數據采集卡(9)和微型計算機(10)，所述的單色儀(6)輸入端接普通單模光纖(2)的光輸出端，其輸出端接光電探測器(7);所述光電探測器(7)的輸出端接放大整形電路(8)的輸入端；所述放大整形電路⑶的輸出端接數據采集卡(9)的輸入端；所述數據采集卡(9)的輸出端接微型計算機(10)。
2.如權利要求1所述的普通單模光纖其芯徑為8 9微米；細芯單模光纖其表面無涂敷層，芯徑為I 5微米，且要求其芯徑小于普通單模光纖的芯徑，兩者芯徑差值越大越好。
3.如權利要求1所述的異芯結構透射式光纖液位傳感頭，其特征在于:進行液位測量時，要求所述的細芯單模光纖(3)垂直浸入待測液體(5),且一部分位于液面之上即空氣(11)中，另一部分位于液面之下。
4.如權利要求1所述的光纖傳感頭應用時，其作用相當于馬赫-曾德干涉儀，細芯光纖中芯模和包層模產生干涉，通 過測量透射光譜中特征峰波長的漂移量，從而計算得到液位的變化量。
5.如權利要求1所述的液位傳感器，其光譜解調特性在于:透射譜中特征峰波長的漂移量與液位變化量呈線性關系；測量靈敏度隨待測液體(5)的折射率升高而升高；測量分辨率隨光纖光譜分析儀的分辨率提高而提高；測量量程可通過增加細芯單模光纖的長度而增大。
6.如權利要求1所述的透射式光纖液位傳感器，其特征在于:細芯單模光纖(3)為傳感探頭，當液面上升或下降超出其范圍時，上下兩端的熔接點可作為液位臨界位置報警的關鍵點。
全文摘要
本發明公開了一種異芯結構透射式光纖液位傳感器，包括寬帶光源、傳感頭和光纖光譜分析儀。其中傳感頭是在普通單模光纖中部熔接一段細芯單模光纖組成，測量時細芯單模光纖一部分處于液面之上，一部分處于液面之下。由普通單模光纖接收來自寬帶光源的光并耦合至細芯單模光纖，在細芯單模光纖內以芯模和包層模的形式傳輸，形成類似馬赫-曾德干涉儀。兩部分光相干干涉后再次耦合入普通單模光纖，最后導入至光纖光譜分析儀。測量透射光譜中特征峰波長的漂移量，即可計算出液位的變化量。本發明結構緊湊，具有制備簡單，測量精度高，測量范圍廣和本身安全防爆等有益效果，特別適用于易燃液體液位的精密測量。
文檔編號G01F23/292GK103196520SQ20121000640
公開日2013年7月10日 申請日期2012年1月6日 優先權日2012年1月6日
發明者徐賁, 李裔, 楊凱, 董新永, 孫苗, 趙曉偉 申請人:中國計量學院