基于pof光纖宏彎的液位傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于POF光纖宏彎的液位傳感器，是用一根POF裸光纖折彎制作的頂部宏彎彎曲半徑為2.5mm單宏彎光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)，以其頂部宏彎部分作為探頭，POF裸光纖兩個(gè)末端有光纖接頭；用于封裝該單宏彎光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)的固定結(jié)構(gòu)，探頭從該固定結(jié)構(gòu)頂部露出。本發(fā)明采用單宏彎光纖環(huán)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單純利用光纖宏彎增強(qiáng)CMFTIR效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了區(qū)分度1.06dB，滿足液位測(cè)量需求。且無需雙光纖耦合，因此簡化了工藝難度，結(jié)構(gòu)也更加緊湊，適宜于在狹窄空間內(nèi)使用。同時(shí)SMBFL結(jié)構(gòu)液體沾粘度低，極大的降低初浴“誤差”；SMBFL直接探測(cè)功率較強(qiáng)的明場(chǎng)信號(hào)，滿足長距離傳輸?shù)男枨蟆?br> 【專利說明】基于POF光纖宏彎的液位傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種傳感器，具體而言，是一種基于POF光纖宏彎的液位傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]液體液位測(cè)量在化學(xué)、化工、石油領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用需求和巨大的市場(chǎng)空間，從最簡單的油尺到結(jié)構(gòu)復(fù)雜的液位傳感器各式各樣的設(shè)計(jì)層出不窮。目前，雖然已經(jīng)有包括磁致伸縮式，電容式，超聲波式，光纖式等等基于各種原理的液位傳感器可供選擇，但是液位測(cè)量技術(shù)與市場(chǎng)需求之間，仍然存在較為突出的矛盾，原因主要有兩方面:一是雖然石油化工領(lǐng)域?qū)鞲衅鞯男枨罅烤薮?，但是卻對(duì)成本較為敏感，昂貴復(fù)雜的設(shè)計(jì)很難在這些領(lǐng)域得到大范圍的推廣應(yīng)用。二是化工領(lǐng)域的液位測(cè)量環(huán)境復(fù)雜，有些屬于易燃易爆液體，對(duì)現(xiàn)有的傳感器的安全性和適應(yīng)性提出了巨大的挑戰(zhàn)。光纖液位傳感器由于非電測(cè)量，抗電磁干擾，非常適合復(fù)雜環(huán)境下的液位測(cè)量。其中最具代表性的有壓強(qiáng)敏感型和折射率敏感型兩類。其中壓強(qiáng)敏感型又有光纖布拉格光柵式，法布里珀羅式等，但由于這類傳感器對(duì)制作工藝要求較高，需探測(cè)波長頻移，信號(hào)解調(diào)復(fù)雜，需要復(fù)雜昂貴的測(cè)量儀器，無法在成本敏感領(lǐng)域得到應(yīng)用推廣。折射率敏感型主要有長周期光纖光柵型和尖端反射型。其中長周期光纖光柵型的復(fù)雜程度和成本與上述光纖傳感器類似，而尖端反射型傳感器利用受抑全內(nèi)反射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)液位傳感，只需對(duì)功率變化進(jìn)行探測(cè)，由此帶來的低成本的優(yōu)勢(shì)，使其有可能在石油，化工領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮重要的作用。目前，尖端反射型傳感器制作方式，主要有以下三種:利用棱鏡反射，光纖端面拋光，電弧拉伸。其中，利用棱鏡制作的探頭，一方面體積較大，影響測(cè)量精度；一方面區(qū)分度相對(duì)較低，例如在Hossein.Golnabi等人2004年發(fā)表在〈〈optics and lasers in engineering〉〉上的文章〈〈Design and operat1n of a fiberoptic sensor for liquid level detect1n》中，實(shí)現(xiàn)的區(qū)分度僅為0.03dB。利用光纖端面拋光的方法，則需要在125μπι的光纖端頭上打磨出90°角，這種方法不僅加工難度很大，而且使得光纖尖端更加纖細(xì)，脆弱，探頭非常容易受到污染和損壞。而電弧拉伸的方法相對(duì)最為成功，但其問題是，加工方式?jīng)Q定了該種探頭的一致性很難得到保證。中北大學(xué) Yu-Long Hou 等于 2014 年在《Optics Express》上發(fā)表文章《Polymer optical fibertwisted macro-bend coupling system for liquid level detect1n〉〉，首次提出利用光纖包層模受抑全內(nèi)反射(cladding mode frustratedtotal internal reflect1n,CMFTIR)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)液位傳感，并且首次制作出雙絞宏彎稱合結(jié)構(gòu)(Twisted Macro-bend CouplingStructure, TMBCS)液位探頭,實(shí)現(xiàn)區(qū)分度4.18dB。但該種探頭仍然存在如下一些問題:1、該結(jié)構(gòu)使用雙絞及導(dǎo)線纏繞方式制作，導(dǎo)致液體沾粘度增加，產(chǎn)生較大的“初浴”誤差。2、該結(jié)構(gòu)通過耦合的方式獲得宏彎暗場(chǎng)耦合信號(hào)，由于宏彎耦合效率很低，導(dǎo)致該暗場(chǎng)信號(hào)的功率微弱，限制了其在光纖內(nèi)的傳播距離，因此無法應(yīng)用于需要遠(yuǎn)距離傳輸傳感信號(hào)的場(chǎng)合。3、該結(jié)構(gòu)由于采用雙光纖耦合結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)體積較大(宏彎曲半徑大于7mm，否則光纖之間會(huì)產(chǎn)生縫隙，降低耦合效率)，限制其在狹窄空間中的使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種結(jié)構(gòu)緊湊、適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)幕赑OF光纖宏彎的液位傳感器。
[0004]為解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種基于POF光纖宏彎的液位傳感器，包括
(1)用一根POF裸光纖折彎制作的頂部宏彎彎曲半徑為2.5mm單宏彎光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)，以其頂部宏彎部分作為探頭，POF裸光纖兩個(gè)末端有光纖接頭；
(2)用于封裝該單宏彎光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)的固定結(jié)構(gòu)，探頭從該固定結(jié)構(gòu)頂部露出。
[0005]本發(fā)明的構(gòu)思是利用2.5mm彎曲半徑的單宏彎光纖實(shí)現(xiàn)包層模受抑全內(nèi)反射效應(yīng)的有效增強(qiáng)，并且利用其制作液位傳感探頭，從而實(shí)現(xiàn)極度簡約的設(shè)計(jì)。
[0006]當(dāng)平面電磁波從光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)且入射角大于臨界角時(shí)，則發(fā)生全反射現(xiàn)象.這時(shí)，如果將第三種介質(zhì)(折射率高于介質(zhì)2)和介質(zhì)I相互接觸的放在一起或它們之間的距離小于一個(gè)波長數(shù)量級(jí)(處在倏逝場(chǎng)范圍內(nèi))時(shí)，會(huì)有部分入射光透射到介質(zhì)3中傳播，因此介質(zhì)I中的反射光強(qiáng)將被減弱，即反射光受到抑制，這一過程被稱為受抑全反射.我們研究發(fā)現(xiàn)，在光纖中同樣存在受抑全內(nèi)反射現(xiàn)象，如圖2所示。
[0007]光通過全內(nèi)反射在光纖中傳播。當(dāng)光纖彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的包層模式，而包層模式將在包層一環(huán)境界面發(fā)生反射。因此，當(dāng)高折射率介質(zhì)(介質(zhì)3)接觸或靠近光纖包層(介質(zhì)I)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分包層模式光透射進(jìn)入環(huán)境介質(zhì)，導(dǎo)致光能損耗。特別地，我們把這種現(xiàn)象稱為光纖包層模受抑全內(nèi)反射(cladding mode frustratedtotal internalreflect1n，CMFTIR)。具體地，當(dāng)SMBFL液位探頭被浸入水中時(shí)，由于CMFTIR效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生光能損耗，從而導(dǎo)致探測(cè)端功率下降。
[0008]但是通常情況下CMFTIR現(xiàn)象是不容易觀測(cè)到的，原因是1、普通石英光纖包層外部存在涂覆層，阻止了包層與外界環(huán)境的直接接觸。2、直光纖中的包層模式占比極低。為了獲得顯著的CMFTIR效應(yīng)，需要采用特殊的結(jié)構(gòu)以改變光纖內(nèi)的模場(chǎng)分布。
[0009]本發(fā)明中，我們采用單宏彎光纖環(huán)型結(jié)構(gòu)，當(dāng)光纖發(fā)生宏彎時(shí)，光纖內(nèi)的模場(chǎng)發(fā)生畸變，纖芯模式轉(zhuǎn)變?yōu)榘鼘幽Ｊ胶洼椛淠Ｊ?。此時(shí)，由于包層模式的占比提高，因而CMFTIR效應(yīng)得到增強(qiáng)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)宏彎半徑在2.5mm左右時(shí)，可以達(dá)到理想的增強(qiáng)效果，并且保持光纖承受恰當(dāng)?shù)膹澢鷳?yīng)力，而不至于折斷。
[0010]此外，由于SMBFL采用單環(huán)結(jié)構(gòu)，其傳感信號(hào)為明場(chǎng)信號(hào)，所以相比于文獻(xiàn)((Polymer optical fiber twisted macro-bend coupling system for liquid leveldetect1n))中的TMBCS (雙絞耦合)結(jié)構(gòu)，其信號(hào)功率較高，達(dá)到mw級(jí)，而TMBCS信號(hào)功率僅為nw級(jí)。故而SMBFL更適合于需要遠(yuǎn)距離傳輸傳感信號(hào)的場(chǎng)合。而且，單環(huán)結(jié)構(gòu)相比于雙絞耦合結(jié)構(gòu)，對(duì)液體的沾粘度更低，故而初浴誤差更小。
[0011]作為一種優(yōu)選的方案，用硅膠或環(huán)氧樹脂將該單宏彎光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)封裝在固定結(jié)構(gòu)內(nèi)。
[0012]作為另一種優(yōu)選的方案，所述的固定結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)FC光纖接頭保護(hù)套，可以精確的控制光纖彎曲半徑。
[0013]作為另一種的優(yōu)選方案，固定結(jié)構(gòu)和探頭以外的POF裸光纖外部用黑色熱縮套管包裹，可屏蔽可見光干擾。
[0014]本發(fā)明同樣利用CMFTIR效應(yīng)，但是采用更加簡約的單宏彎光纖環(huán)(singlemacro-bend fiber loop, SMBFL)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單純利用光纖宏彎增強(qiáng)CMFTIR效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了區(qū)分度1.06dB，滿足液位測(cè)量需求。且無需雙光纖耦合，因此簡化了工藝難度，結(jié)構(gòu)也更加緊湊，適宜于在狹窄空間內(nèi)使用。同時(shí)SMBFL結(jié)構(gòu)液體沾粘度低，極大的降低初浴“誤差”；SMBFL直接探測(cè)功率較強(qiáng)的明場(chǎng)信號(hào)，滿足長距離傳輸?shù)男枨蟆Ｏ啾纫酝膫鞲衅鱏MBFL探頭魯棒性更好，抗污染能力更強(qiáng)，免疫電磁干擾，非電測(cè)量適于易燃易爆環(huán)境。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明SMBFL液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖中，1-P0F裸光纖，2-探頭，3-光源，4_功率計(jì)，5_固定結(jié)構(gòu)，6_硅膠或環(huán)氧樹脂。
[0017]圖2為POF光纖中的CMFTIR效應(yīng)。
[0018]圖3為SMBFL型液位探頭浸水——出水試驗(yàn)，當(dāng)探頭輸出功率高于線I時(shí)探頭，線I和線2之間為“初浴”誤差。
[0019]圖4為現(xiàn)有技術(shù)中TMBCS結(jié)構(gòu)液位探頭的測(cè)試結(jié)果，線I和線2之間為初浴誤差。

【具體實(shí)施方式】
[0020]用一根POF裸光纖I (Mitsubishi, SK-40)折彎制作的頂部宏彎彎曲半徑(R/2)為2.5mm單宏彎光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)，以其頂部宏彎部分作為探頭2，POF裸光纖兩個(gè)末端有標(biāo)準(zhǔn)FC光纖接頭，在測(cè)試系統(tǒng)中光纖接頭分別連接光源3和功率計(jì)4。采用標(biāo)準(zhǔn)FC光纖接頭保護(hù)套配件作為固定結(jié)構(gòu)5，并利用硅膠或環(huán)氧樹脂6將該單宏彎光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)封裝在固定結(jié)構(gòu)5中，探頭2從該固定結(jié)構(gòu)5頂部露出。固定結(jié)構(gòu)5和探頭2以外的POF裸光纖I外部用黑色熱縮套管包裹。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
[0021]對(duì)制成的SMBFL探頭進(jìn)行浸水——出水試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置包括660nm LED光源(thorlabs，M660Fl)，光源功率 12.47mw，光功率計(jì)(Thorlabs, PM100USB)，測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。將SMBFL探頭浸入水中數(shù)秒后取出，再次浸入，重復(fù)測(cè)量8次，結(jié)果如圖3所示。
[0022]從圖3中，可以看到，8次試驗(yàn)表現(xiàn)出良好的一致性，圖中線3以下表示傳感探頭完全浸沒在水中；線I和線2之間表示傳感器完全在空氣中，但是有少量液體沾粘的潮濕狀態(tài)；線I以上部分表示傳感器處于空氣中，并且保持干燥狀態(tài)。線I與線2之間的高度即代表了傳感器干燥與潮濕的不同而帶來的誤差，稱為“初浴”誤差。
[0023]對(duì)比圖4可知，SMBFL型液位探頭初浴誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于TMBCS型探頭。
[0024]通常液位探頭的性能通過區(qū)分度民恒量，區(qū)分度定義為:
Er=-1Olog (Piiquid/Pair)
其中，Pliquid為探頭在水中時(shí)的輸出功率；P &為探頭在空氣中時(shí)的輸出功率。
[0025]計(jì)算可得，SMBFL型液位探頭的區(qū)分度達(dá)到1.06dB，完全滿足液位測(cè)量需求。對(duì)比TMBCS探頭測(cè)量結(jié)果(圖3，圖4)可知，SMBFL信號(hào)功率更高(SMBFL為mw量級(jí)，TMBCS為nw量級(jí))，更適合遠(yuǎn)距離傳輸。
【權(quán)利要求】
1.一種基于POF光纖宏彎的液位傳感器,其特征在于:包括 (1)用一根POF裸光纖(I)折彎制作的頂部宏彎彎曲半徑為2.5mm單宏彎光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)，以其頂部宏彎部分作為探頭(2)，POF裸光纖兩個(gè)末端有光纖接頭； (2)用于封裝該單宏彎光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)的固定結(jié)構(gòu)(5)，探頭(2)從該固定結(jié)構(gòu)(5)頂部露出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于POF光纖宏彎的液位傳感器，其特征在于:用硅膠或環(huán)氧樹脂(6)將該單宏彎光纖環(huán)形結(jié)構(gòu)封裝在固定結(jié)構(gòu)(5)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于POF光纖宏彎的液位傳感器，其特征在于:所述的固定結(jié)構(gòu)(5)采用采用標(biāo)準(zhǔn)FC光纖接頭保護(hù)套。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于POF光纖宏彎的液位傳感器,其特征在于:固定結(jié)構(gòu)(5)和探頭(2)以外的POF裸光纖外部用黑色熱縮套管包裹。
【文檔編號(hào)】G01F23/00GK104482984SQ201410763223
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2014年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月13日
【發(fā)明者】劉文怡, 侯鈺龍, 張會(huì)新, 蘇珊, 劉佳, 沈三民, 王紅亮, 張彥軍, 蘇淑婧, 崔永俊, 甄成方, 熊繼軍, 劉俊 申請(qǐng)人:中北大學(xué)