专利名称：光纤成像式液敏传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种接触式传感器，是工业监测与自动化系统中最新一类基础性器件，可用于石油化工、化肥、酒类、火力发电厂高温高压锅炉、化纤聚合管等领域的液位监测与自控系统，还可发展成为新一代光纤温度计。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是光纤成像式液敏传感器，其特征是它包括送光光纤1、回光光纤2、球状体3，球状体3的半径OC垂直平分球状体3内A点与B点连线AB，并等于AB，∠OBA＝30°；送光光纤1的端部送光口位于球状体3内B点附近位置，回光光纤2的端部受光口位于球状体3中的A点附近位置。
所述的送光光纤1的端部送光口位于球状体3内B点位置，回光光纤2的端部受光口位于球状体3中的A点位置。
所述的球状体3为透明球状体。
所述的送光光纤1、回光光纤2相并拢。
本发明比弯曲传感器的灵敏度高，如
图1所示，本传感器中的光束属两头尖中间粗的菱角状型式的。该种光束中的每根光线都能达到与外界相邻的界面，因而每根光线都能感受到外界媒质的折射率的差异。
本发明的主要贡献和意义本发明的主要贡献1、从理论上找到了光纤的一个极限弯曲点。光纤依靠纤芯和包层间的界面的全反射作用传光，它比较怕弯曲，因弯曲不但易使光纤折断，因光纤属石英玻璃性质的材料，有脆性。更主要的是怕弯曲造成跑光，因为弯曲会改变光纤中使光发生反射的反射面的法线方向，从而使光线的入射角减小，使之小于临界角，而使光透射出光纤之外，从而造成光的传输损失。本发明的两条光纤可以靠紧，这就意味着光纤可以急转180°的弯，其转弯的曲率半径在这里相当于为O。这显然是一种弯曲极限，实可称为弯折。这样的弯折，通常会使光纤折断，或使传输光损失殆尽而成为一向不能采取的作法。本发明在其端部制造一个球状体，利用球状体与外界所形成的凹面镜界面成实像的原理，使传输光的损失最大限度减少，从而使过去不可能的作法成为可能。并因此可开发出光纤的新功能。
2、从实践上找到了一种能实现上述理论要求的制作工艺。这里的制作工艺的难度主要是要求高而操作困难。其要求已体现在成像原理分析中所指出的成像条件要求里。其操作难度主要是因为1)、操作对象小，光纤的直径一般为0.125mm，需要在显微镜下操作；2)、操作对象透明，制作中要求看到的球内情况，一点都看不到；3)、操作手段受限制，对光纤的加工，当前能利用的工具是专用于光纤对接的光纤熔接机，这种机器操作空间小，观察方向单一，视野小，将其用于这里的成球加工，多有不便。经历多次多方面的试验、失败、思考、摸索、改进后，才最终取得成功。
本发明有多方面的意义1、使光纤的180°的急转弯成为可能；2、光纤中传输光在纤芯中进行，它既不对外产生影响，也不接受外界的影响，因而自成了一个封闭系统。本发明的传感器相当于给这个封闭系统开了一扇可开闭的窗户，通过改变球外媒质的光学性能，便能对纤内的传光性产生影响，达到所需要的某种信息的传感或调制作用。3、本发明的传感器的耐高温(300℃以上)、耐高压(40MP以上)、体积小、敏感点集中、耐腐蚀、不受电磁干扰、防爆炸等特性。
本发明的传感器的液敏特性可达如下指标球状体在气态媒质中的传光率(回光光纤中的光功率/送光光纤中的光功率)最高可达70％以上，球状体在液态媒质中的失光率(回光光纤中的光功率与送光光纤中的光功率之差/送光光纤中的光功率)最高可达99.8％以上。
所述的送光光纤1的端部送光口位于球状体3内B点位置，回光光纤2的端部受光口位于球状体3中的A点位置。
所述的球状体3为透明球状体。
所述的送光光纤1、回光光纤2相并拢。
本发明是在两根紧靠的光纤的端部，通过特殊设计的热加工和操作程序，制作出一个有特殊要求的球状体，借助该球状体的光学性能，可使其在气态媒质中对光纤中的传输光损失较小，在液态媒质中对传输光的损失几乎达全部。
发明原理(一)球状体中的成像原理。如图1所示，设OC为球的半径，它垂直平分AB，并等于AB，∠OBA＝30°，则可证光点B成像于点A。
求证思路先证自B点发出的平行于OC的光线BE遇到球面后的反射线必过A点，成为EA光线。同理可证自A点发出的平行于OC的光线AD遇到球面后的反射线必过B点，成为DB光线。根据光路的可逆性可知，自B点发出的BD光线经球面反向后必过A点，成为DA光线。于是按通常的球面镜作图成像的原理，B点成实像于A的条件——自B点发出的两条光线的反射线相交于A-已完全具备。下面求证光线BE的反射线为EA如图2所示，连OE，作OF∥AB交圆周于F，作EB的延长线BG交OF于G，连EF。
1、证明EG为OF的垂直平分线∵GE∥OC(题设)，OF∥AB(作图)，∴∠OGE为直角(平行四边形对角相等)，又∵OG＝HB(矩形对边相等)＝1/2AB(题设)＝1/2OC(题设)＝1/2OF(同圆半径之半径相等)，∴EG为OF的垂直平分线。
2、证△OEF为等边三角形∵EG为△OEF的高又平分底边(证1)∴△OEF为等腰三角形∴EF＝EO(两腰)又∵EO＝OF(同圆两半径相等)∴△OEF为等边三角形。
3、证B为△OEF三中线的交点∵EG垂直平分△OEF的底边(证1)∴EG为△OEF的中线∵∠FOE＝60°(等边三角形内角)，而∠FOB＝∠OBH(内错角相等)＝30°(题设)∴OB为∠FOE的角平分线，因而也是△OEF的中线(等边三角形的角平分线必平分对边)∴B为△OEF两中线从而必然也是三中线的交点。
4、证△ABE∽△OGB∵△ABE和△OGB都是直角三角形(题设和作图)而BE＝2GB(因B为三中线交点)，AB＝2OG(题设和作图)，∴△ABE∽△OGB(直角三角形两夹角的相当边成比例)。
5、证∠AEO＝∠BEO∵∠AEB＝∠OBG(相似三角形对应角相等)＝90°-30°＝60°，而∠BEO＝30°(等边三角形的高平分顶角)，∴∠AEO＝∠AEB-∠BEO＝60°-30°＝30°＝∠BEO。
6、证光线BE的反射线为EA因为OE为球面的法线，所以∠BEO为光线BE的入射角，而∠AEO＝∠BEO，所以EA必为BE的反射线(因反射角等于入射角)，证毕。
(二)球状体中传光和失光的原理以上球状体内的成像，有赖于球面的反射作用，而如果球状体为透明体，则其反射作用的强弱，即反射效率，有赖于球状体内外媒质的折射率的差异，即球状体自身与所处环境媒质的折射率的差异。根据Fresnel理论可知这种差异越大，其反射率就越高，其透射率就越小。反之，如果这种差异越小，则反射率越小，透射率越高。我们知道，固体与气体的折射率差异是较大的，因而当透明球状体处在气态媒质中时，其反光强而透光弱。这时球状体传光多，而失光少。固体与液体的折射率的差异是较小的，因而当透明球状体处在液态媒质中时，其透光强而反光弱。这时的球状体传光少，而失光多。
根据以上所述的成像原理，把送光光纤1的端部即送光口，设法制作在球状体3的B点位置，而受光光纤或称回光光纤2的端部，即受光口，设法制作在球状体3中的A点位置。于是两根光纤通过该球状体的介入，其传光性能就能和球状周围媒质的折射率的大小发生关系了。
本发明的传感器的外形如图3所示。三条竖线表示放大了的两条紧靠着的光纤，最前端的是一个透明球状体。
这种传感器的使用方法如图4所示。用发光二极管作光源，置于两光纤中的任一光纤的尾端，只要这尾端的断面光滑、平整，并与光纤垂直，则光源的光会很容易入纤，这时这条光纤就成了送光光纤1。送光光纤中的光经传感器反射后进入另一条回光光纤2。在回光光纤的尾端置一光敏二极管，只要这个尾端的端面也像送光光纤尾端的端面一样光滑、平整、垂直，则回光光纤内的光会很容易出纤而投射到光敏管中的光敏物质上，使之产生电效应。电子电路对这种电效应加适当的技术处理，便能使本发明的传感器所感受到的有关变化产生所需要的效果。
实施例1液位监控把光纤成像式液敏传感器置于与监控液面高度等高的任意位置，再加有关的电子电路技术处理即可。
实施例2温度检测把光纤液敏头密封于折射率受温度影响的媒质中，再加有关的电子电路技术处理即可。
实施例3压力检测把光纤液敏头密封于折射率受压力影响的媒质中，再加有关的电子电路技术处理即可。
实施例4光纤折回把光纤液敏头密封于黑暗环境的空气中即可。
权利要求
1.光纤成像式液敏传感器，其特征是它包括送光光纤(1)、回光光纤(2)、球状体(3)，球状体(3)的半径OC垂直平分球状体(3)内A点与B点连线AB，并等于AB，∠OBA＝30°；送光光纤(1)的端部送光口位于球状体(3)内B点附近位置，回光光纤(2)的端部受光口位于球状体(3)中的A点附近位置。
2.根据权利要求1所述的光纤成像式液敏传感器，其特征是所述的送光光纤(1)的端部送光口位于球状体(3)内B点位置，回光光纤(2)的端部受光口位于球状体(3)中的A点位置。
3.根据权利要求1所述的光纤成像式液敏传感器，其特征是所述的球状体(3)为透明球状体。
4.根据权利要求1所述的光纤成像式液敏传感器，其特征是所述的送光光纤(1)、回光光纤(2)相并拢。
全文摘要
本发明涉及一种接触式传感器。光纤成像式液敏传感器，其特征是它包括送光光纤(1)、回光光纤(2)、球状体(3)，球状体(3)的半径OC垂直平分球状体(3)内A点与B点连线AB，并等于AB，∠OBA＝30°；送光光纤(1)的端部送光口位于球状体(3)内B点附近位置，回光光纤(2)的端部受光口位于球状体(3)中的A点附近位置。所述的球状体(3)为透明球状体。本发明具有灵敏度高、耐高温(300℃以上)、耐高压(40MPa以上)、体积小、敏感点集中、耐腐蚀、不受电磁干扰、防爆炸等特性。可用于石油化工、化肥、酒类、火力发电厂高温高压锅炉、化纤聚合管等领域的液位监测与自控系统，还可发展成为新一代光纤温度计。
文档编号G01F23/284GK1403788SQ0213911
公开日2003年3月19日 申请日期2002年9月27日 优先权日2002年9月27日
发明者罗鸣梧 申请人:罗鸣梧