一种基于石英毛细玻璃管的液位传感器及制备方法与流程

本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于石英毛细玻璃管的液位传感器及制备方法。

背景技术：

液位测量涉及的范围非常广泛，包括在工业上的液位测量以及在环境监测方面的应用。目前的液位计有很多种，包括射频电容式液位计、投入式液位计、磁致伸缩液位计、超声波液位计等。前两者是利用液压改变电容或者电阻值，从而将液压转化成电信号输出处理，后两者则是通过测量发射电脉冲之间的时间差来计算液位。以上基于电处理的液位传感器一般都包含了电信号的转换，电信号的传输以及处理等过程，在实际应用时则可能会受到电磁干扰的影响。此外电子器件易老化，或被特殊的液体腐蚀，需要相应的封装工艺来保证器件的使用寿命。

随着工业技术的发展，被测液体的品种越来越多，尤其是可燃的碳氢化合物、液体化学燃料以及生物化学方面的有毒液体等。基于电信号的传感器件在易燃易爆环境中使用时需要加很大的防爆装置，应用受到了很大的限制。目前随着工业技术的发展，被测液体的品种越来越多。由于被测介质的种类繁多，介质的物理化学性质也十分复杂，现场工作条件也比较恶劣，传统的液位传感器在使用时不断面临新的问题。相对而言，光纤液位传感器有很多传统传感器所不能比拟的优点，比如耐高压、抗腐蚀、抗电磁干扰等，并且安装简单，体积小，重量轻。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中液位传感器容易受到电磁干扰，或被特殊液体腐蚀的缺陷，提供一种基于石英毛细玻璃管的液位传感器及制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种基于石英毛细玻璃管的液位传感器，包括毛细玻璃管，毛细玻璃管两端设置有输入光纤和输出光纤；液位传感器的输入端通过输入光纤与单色激光器相连，输出端通过输出光纤与功率计相连，输入光纤和输出光纤均为单模光纤；毛细玻璃管的内径为75μm，外径为125μm，长度为10～50mm；将液位传感器垂直浸没在液体中，当检测容器中液体高度发生变化时，毛细玻璃管中每个谐振波长处的传输功率发生相应改变，通过功率计检测透射峰波长的强度变化实现对液位高低的测量。

进一步地，本发明的单色激光器为输入光源,其波长为特定值，包括：1185nm，1210nm,1235nm,1262nm，1290nm。

进一步地，本发明的输入光纤、输出光纤和毛细玻璃管外径相同，且光纤纤芯正对毛细管中心，三者之间通过对芯熔接的方式进行熔接。

进一步地，本发明的输入光纤和输出光纤的外包层直径为125μm，纤芯直径为8μm。

本发明提供一种基于石英毛细玻璃管的液位传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、毛细玻璃管预处理：选取一根毛细玻璃管，其内径为75μm，外径为125μm，使用刀片去除掉玻璃管的涂覆保护层，并用酒精擦拭玻璃管表面以除去涂覆层残留物；使用光纤切割刀将玻璃管的一端切平整，然后间隔10～50mm的距离，切割出另一个平整的端面；

S2、熔接单模光纤：使用光纤熔接机的手动操作功能，将输入端和输出端的单模光纤的纤芯与毛细玻璃管的中心手动对齐；设置光纤熔接机的熔接参数为：放电强度20单位，放电时间700ms，将预处理后的毛细玻璃管与单模光纤进行熔接得到液位传感器。

本发明产生的有益效果是：本发明的基于石英毛细玻璃管的液位传感器，通过检测毛细玻璃管内透射峰波长的强度变化实现对液位高低的测量，测量效果好，精度高，能够广泛应用于各种实际场景；并且该传感器不容易老化，使用寿命长，耐高压、抗腐蚀、抗电磁干扰能力强，安装简单，体积小，重量轻。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1(a)是本发明实施例的液位传感器横截面的结构示意图；

图1(b)是本发明实施例的液位传感器结构示意图；

图2是本发明实施例的测量结构示意图；

图3是本发明实施例的液位强度线性图；

图中，1-输入光纤，2-毛细玻璃管，3-输出光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1(a)所示，本发明实施例的基于石英毛细玻璃管的液位传感器，包括毛细玻璃管2，毛细玻璃管2两端设置有输入光纤1和输出光纤2；液位传感器的输入端通过输入光纤1与单色激光器相连，输出端通过输出光纤3与功率计相连，输入光纤1和输出光纤2均为单模光纤；毛细玻璃管2的内径为75μm，外径为125μm，长度为10～50mm；将液位传感器垂直浸没在液体中，当检测容器中液体高度发生变化时，毛细玻璃管2中每个谐振波长处的传输功率发生相应改变，通过功率计检测透射峰波长的强度变化实现对液位高低的测量。

单色激光器为输入光源,其波长为特定值，包括：1185nm，1210nm,1235nm,1262nm，1290nm。输入光纤1、输出光纤3和毛细玻璃管2外径相同，且光纤纤芯正对毛细管中心，三者之间通过对芯熔接的方式进行熔接。输入光纤1和输出光纤3的外包层直径为125μm，纤芯直径为8μm。

在本发明的另一个具体实施例中，该液位传感器的毛细玻璃管横截面有内外两层，内径75μm，外径125μm。所用单模光纤为标准单模光纤，外包层直径125μm，纤芯直径8μm。将毛细玻璃管两端和单模光纤对芯熔接构成该传感器。当将玻璃管垂直浸没到液体中时，液位的变化会使得传输光谱中透射峰的强度变化，通过监测透射峰的强度来实现对液位高低的测量。

以波长为特定值(1185nm，1210nm,1235nm,1262nm，1290nm)的单色激光为输入光源，传输到玻璃管后，通过监测输出激光功率可以实现对液位的测量。

本发明实施例的基于石英毛细玻璃管的液位传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、毛细玻璃管预处理：选取一根毛细玻璃管，其内径为75μm，外径为125μm，使用刀片去除掉玻璃管的涂覆保护层，并用酒精擦拭玻璃管表面以除去涂覆层残留物；使用光纤切割刀将玻璃管的一端切平整，然后间隔10～50mm的距离，切割出另一个平整的端面；

S2、熔接单模光纤：使用光纤熔接机的手动操作功能，将输入端和输出端的单模光纤的纤芯与毛细玻璃管的中心手动对齐；设置光纤熔接机的熔接参数为：放电强度20单位，放电时间700ms，将预处理后的毛细玻璃管与单模光纤进行熔接得到液位传感器。

在本发明的另一个具体实施例中，该传感器的制作方法具体为：

一、毛细玻璃管预处理。选取一端毛细玻璃管，使用刀片去除掉玻璃管的涂覆保护层，并用酒精擦拭玻璃管表面以除去涂覆层残留物。使用光纤切割刀将玻璃管的一端切平整，然后在离该端面一段距离处切出另外一个平整的端面，具体的距离根据实际需要而定，这里我们选取13mm。

二、和普通单模光纤的熔接。处理过的毛细玻璃管最后需要和单模光纤熔接起来以完成整个器件的制作。熔接使用光纤熔接机的手动操作功能来完成。手动对准时要保证两者的纤芯正对着，防止错位造成多模干涉。熔接参数设置为放电强度20单位，放电时间700ms，将处理过的毛细玻璃管的两端都按上述要求熔接上单模光纤即完成传感器的制作。

三、传感器的温度及液位测量应用：

当液位传感器用于测量液位时，将器件的探头部分即毛细玻璃管部分，垂直放置在要测的液面部分。当水面开始浸没毛细玻璃管时，器件的传输功率会发生变化，输出波长的强度会随着毛细玻璃管浸没的深度的增加而增加，在整个测量液位的过程中，强度的深度响应表现得比较线性，测量精度可以到毫米量级。图3是实验中通过功率强度测量所取得的深度灵敏度。由图示可知光谱中的深度灵敏度为0.906mm/dB。测量所得深度值D可以由以下公式得到：

D_测量＝(I_测量-I_初始)×0.906

I_测量和I_初始是测量和初始的光谱深度值。应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。