光纤干涉水位传感器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于迈克尔逊干涉仪结构的光纤水 位传感系统。
【背景技术】
[0002] 高精度的水位传感器可用于监测水库的水位。当发生洪水或是台风等异常情况 时，如果没有提前进行有效地水位监测，水位达到警戒线，就会造成江堤决口、大水冲毁堤 坝等恶性事故，这些灾害不仅会造成重大的经济损失，还会威胁到人民的生命安全，所以对 高精度水位传感器的研制具有重要意义。
[0003] 随着光纤通信与光纤传感技术的飞速发展，光纤传感器也得到了广泛的应用。由 于光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰，耐腐蚀等优点，使得光纤水位传感器在水 位监测领域发挥了巨大的作用。
[0004] 目前，应用较为广泛的水位传感器有几种，主要包括浮子式水位传感器、压阻式压 力水位传感器、电容式水位传感器等等。在公开的专利号为CN102889914A的中国专利中， 就提出了一种采用基准水位的浮子式水位计，这种浮子式水位计存在一些缺陷，首先不抗 电磁干扰，测量精度较低、误差偏大，其次由于采用浮子的结构，浮子在水中浮动导致它的 机械结构会受到很大的磨损，可靠性会降低。在公开的专利号为CN201731918U的中国专 利中，提出了一种超声波式水位传感器，它利用了超声波发射接收的原理来测量液位，其缺 点是超声波的发射接收对环境要求比较高，不能应用于比较恶劣或者是复杂的环境下。就 水位监测而言，现有的这些电类传感器存在着很多的局限性，例如安全性不高、传输距离有 限、使用寿命短、不易组网以及不能适用于电磁干扰、强腐蚀等恶劣环境下。所以，这些水位 传感器越来越不能满足实际应用的需要。
【发明内容】
[0005] 本发明针对现有技术的不足，提出了一种结构简单精巧、灵敏度高、可靠性强的光 纤干涉水位传感器。
[0006] 本发明包括如下技术方案：
[0007] -种光纤干涉水位传感器，包括半导体激光器（1)，第一导光单模光纤（2)，3dB耦 合器（3)，第二导光单模光纤（4)，敏感元件（5)，第一法拉第旋光镜（6)，第二法拉第旋光镜 (7) ，参考光纤（8)，第三导光单模光纤（9)，光电探测器（10)。其特征在于：3dB耦合器（3) 的输入端与半导体激光器（1)相连，耦合器（3)输出端分成两路，其中一路经单模光纤（4) 与敏感元件（5)、第一法拉第旋镜（6)相连，构成探测臂；另一路则经参考光纤（8)直接与 第二法拉第旋镜（7)相连，构成参考臂，3dB耦合器（3)经导光光纤（9)连接到光电探测器 (10)，光电探测器（10)则连接到相位解调系统上。系统中的敏感元件采用在顺变柱体上紧 密缠绕单模光纤的结构。上述的结构构成了迈克尔逊干涉仪的结构。
[0008] 本发明的原理是：水位传感器采用了相位调制型传感器的原理。相位调制型传感 器通过外界物理场来调制光纤干涉仪的干涉臂中所传光波的相位，而干涉仪把相位变化转 化成光强变化，可利用光电转换技术及相位检测技术解调出外界待测的物理信号。在此发 明中，把由顺变柱体制成的敏感元件置于水中，它受到水的压力，当水位发生变化时，顺变 柱体受到的压力也随之改变，影响了缠绕光纤的应变，从而导致了光波的相位变化。通过光 电探测器可直接探测到的光强表达式为：
[0009]
【主权项】
1. 一种光纤干涉水位传感器，其特征在于：包括半导体激光器（I)、第一导光单模光纤 (2)、3dB親合器（3)、第二导光单模光纤（4)、敏感元件（5)、第一法拉第旋光镜（6)、第二法 拉第旋光镜（7)、参考光纤（8)、第三导光单模光纤（9)和光电探测器（10)，3dB親合器（3) 的输入端通过第一导光单模光纤（2)与半导体激光器（1)相连，3dBf禹合器（3)输出端分成 两路，其中一路经第二导光单模光纤（4)与敏感元件（5)、第一法拉第旋光镜（6)相连，构成 探测臂；另一路则经参考光纤（8)直接与第二法拉第旋光镜（7)相连，构成参考臂，3dB耦 合器（3)经第三导光单模光纤（9)连接到光电探测器（10)，光电探测器（10)则连接到相位 解调系统上。
2. 根据权利要求1所述的一种光纤干涉水位传感器，其特征在于：敏感元件是采用在 顺变柱体上紧密缠绕单模光纤的结构，在硅胶柱体上下表面固定两块不锈钢薄板。将敏感 元件置于水中，作为传感探头。不锈钢薄板的作用是增大传感探头在水中的受力面积，从而 增大敏感元件的灵敏度。该敏感元件可把水位的变化转化成光纤的纵向应变和径向应变， 光纤的应变使两条干涉臂的相位差发生变化。该系统通过相位差变化可反演得到水位的变 化。
3. 根据权利要求2所述的一种光纤干涉水位传感器，其特征在于：所述的敏感元件中 的顺变柱体采用硅胶材料制成。顺变柱体是敏感元件中的关键部件，其转换效率及其性能 的优劣直接决定敏感元件的特性，之所以选取硅胶这种材料，因其弹性模量随频率的变化 比较小，并且它在"_50°C~150°C"温度范围内，弹性模量随温度变化很小，可以满足实验 的要求。
4. 根据权利要求1所述的一种光纤干涉水位传感器，其特征在于：所述的第一法拉第 旋光镜和第二法拉第旋光镜是相同的，用来反射中心波长为1550nm的光，反射率可达95% 以上，同时可减少偏振光对干涉系统的影响。
【专利摘要】本发明公开了一种光纤干涉水位传感器，其是由半导体激光器，3dB耦合器，敏感元件，法拉第旋光镜，导光光纤，光电探测器，计算机组成。其中，敏感元件是水位传感器的关键部分，它把水位的变化转换成光纤的纵向应变和径向应变，从而引起两条干涉臂相位差的变化，最后利用相位差变化反演出水位的变化。本发明不仅能实现高精度的水位测量，同时具有可靠性、抗电磁干扰、抗腐蚀性、灵敏度高和结构简单精巧等优点，适合应用于需高精度水位监测的环境。
【IPC分类】G01F23-292
【公开号】CN104697609
【申请号】CN201510127995
【发明人】陈建冬, 刘野, 常天英, 崔洪亮, 于淼, 郞金鹏
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2015年3月24日