基于cmftir效应的光纤连续式液位传感系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型实施例提供了一种基于CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系统，涉及光纤传感领域，可实现分辨率高，量程大，鲁棒性好，且结构简单易行。所述光纤连续式液位传感系统包括：LED光源，第一光功率计，第二光功率计以及光纤液位传感器；其中，所述光纤液位传感器包括尼龙棒，有源光纤和无源光纤，有源光纤和无源光纤的中间部分相互紧密贴合后螺旋缠绕在所述尼龙棒上形成光纤连续宏弯耦合结构，除此部分外均套有黑色热缩管；有源光纤的一端连接LED光源，另一端连接所述第一光功率计；无源光纤的一端连接所述第二光功率计，另一端用黑色盖帽密封；第一光功率计和第二光功率计位于光纤液位传感器的同一端。
【专利说明】基于CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系统
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于CMFTIR(cladding mode frustrated total internal reflection，包层模受抑全内反射）效应的光纤连续式液位 传感系统。
【背景技术】
[0002] 在化学化工生产领域，液体化工品的储藏，装卸，运输等过程中，液位的自动化检 测是实现安全作业的重要保证。特别在危险化工品的运输途中，由于长途颠簸存在发生泄 漏的风险，若不能有效实现液位精细变化的实时监测，就有可能导致险情扩大，甚至会危害 人员生命安全。此外，某些化工液体易燃易爆，例如石油，酒精等，在液位测量中要求液位信 号非电测量，以避免发生电火花燃爆事故。更加特殊的情况，例如抚顺石油二厂处在雷电多 发区，电子仪表常常受到电磁干扰而无法正常工作。因此，采用光纤液位传感的方法，既有 针对性的解决了实时自动化，非电测量，抗电磁干扰等问题，同时又能保证经济与实用，已 经在某些企业获得实际的应用并且成为未来发展的趋势，具有广阔的发展空间和重要的社 会经济价值。
[0003] 目前，已有的光纤液位传感器主要分为本征和非本征两类。非本征型仅仅是利用 光纤作为信号传输介质，传感实际上是通过外加的调制装置来实现，例如3EFL2I系列光 纤液位变送器，采用的浮子与光码变送器。这一类传感器，常常带有浮子及复杂的机械运 动机构，适宜于液面平稳静止条件下测量，难以满足在装卸，运输过程中液位连续变化下 实时测量的需要。本征型是指利用光纤自身作为传感器。其中最成功的要数压强敏感式 光纤液位传感器，其利用应变片来感受油箱底部的压强，并通过光纤来测量作用在应变片 上的压强值，从而得到液位值。根据应变片形变感应方式的不同可将压强敏感式光纤液 位传感器分为光强反射式，法布里?自罗式，微弯式、双折射式、布拉格光栅式、长周期光栅 式等，但是由于运动过程中将产生的加速度及额外压强导致此类传感器不适用于装卸，运 输，运动过程中的动态实时测量。此外，同样具有代表性的还有利用受抑全内反射原理实 现的光纤液位探头，主要有两种实现途径，一是在单根光纤的端面通过技术处理（抛光或 电火花拉伸）获得90°全内反射斜面，光从光纤一端输入经全内反射后沿原光路返回；二 是利用棱镜打磨出90°反射斜面后，分别用两根光纤作为输入光纤和输出光纤。经过发 展，这一类光纤探头已经获得了非常好的区分度，但往往加工难度较大，反射端面易受污 染，更为重要的是，探头式的传感器仍然无法免于机械运动结构，无法应用于需要连续，实 时，动态监测的场合。动态大量程光纤连续液位传感一直是领域内未被攻克的技术难题。 1995年由意大利Cassino大学工业工程学院的Betta在发表于《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》杂志上的文献《A digital level transducer based on optical fiber》中提出基于渐逝场光泄漏的光纤液位传感器，可实现25mm的连续液位 分辨率。Betta通过化学腐蚀的方法去除光纤的部分包层，由于该方法需要对包层厚度进行 精确控制，增加了制造的难度，并且由于光纤原有的包层结构遭到破坏，使得该传感器的鲁 棒性变差。2013年美国北达科他州立大学和密苏里大学的Ying Huang和Baokai Chen等在 《MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY》杂志上发表的文章 《Simultaneous detection of liquid level and refractive index with a long-period fiber grating based sensor device》中提出利用长周期光纤光栅制作了连续液位传感器，实现了液位分辨率误差小于 1_，测量范围达到了 30_。该传感器虽然实现了连续液位传感器及较高的分辨率，但量程 过小，且制作成本过高，检测仪器复杂昂贵。 实用新型内容
[0004] 本实用新型的实施例提供一种基于CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系统，传 感器量程大，分辨率高，鲁棒性好，且结构简单易行。
[0005] 为达到上述目的，本实用新型的实施例采用如下技术方案：
[0006] 一种基于CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系统，包括：LED光源，第一光功率 计，第二光功率计以及光纤液位传感器；
[0007] 其中，所述光纤液位传感器包括尼龙棒，有源光纤和无源光纤，所述有源光纤和所 述无源光纤的中间部分相互紧密贴合后螺旋缠绕在所述尼龙棒上形成连续宏弯耦合结构， 除中间部分外的光纤均套有黑色热缩管；
[0008] 所述有源光纤的一端连接LED光源，另一端连接所述第一光功率计；所述无源光 纤的一端连接所述第二光功率计，另一端用黑色盖帽密封；所述第一光功率计和所述第二 光功率计位于所述光纤液位传感器的同一端。
[0009] 可选的，所述连续宏弯耦合结构包括：平行连续宏弯耦合结构，双绞连续宏弯耦合 结构和叠加连续宏弯耦合结构；
[0010] 其中，所述平行连续宏弯耦合结构为所述有源光纤和所述无源光纤的中间部分并 排平行放置后螺旋紧密缠绕在所述尼龙棒上；
[0011] 所述双绞连续宏弯耦合结构为所述有源光纤和所述无源光纤的中间部分以固定 步长双绞后，利用高温导线在两根光纤外部缠绕，使两光纤紧密贴合，并形成一体式结构， 然后将该结构以固定螺距缠绕于尼龙棒上；
[0012] 所述叠加连续宏弯耦合结构是通过在尼龙棒上刻2mm深固定槽后，先将有源光纤 紧密缠绕于尼龙棒槽内底层，再将无源光纤叠加缠绕于有源光纤之上。
[0013] 可选的，所述有源光纤和所述无源光纤为包层较薄，柔韧性好的塑料光纤P0F。
[0014] 可选的，所述POF光纤包括标准通信用塑料光纤，传感光纤或石英纤芯的塑料包 层光纤。
[0015] 可选的，所述尼龙棒插在内侧贴有高反膜的两端无盖的圆柱筒内。
[0016] 上述技术方案提供的基于CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系统，利用标准通 信用塑料光纤中的包层模受抑全内反射（CMFTIR)效应实现连续液位测量，无需破坏光纤 原有结构，简化了工艺难度，大幅降低了成本，有效提高了传感器的鲁棒性。利用光纤宏弯 耦合结构增强CMFTIR效应，以获得更高的灵敏度，使得传感器的液位灵敏度大于0. 7nw/ mm。首次提出了基于双绞连续宏弯耦合结构、平行连续宏弯耦合结构和叠加连续宏弯耦合 结构三种不同实现方式的连续式液位传感器，其中基于双绞连续宏弯親合结构的液位传感 器试验测量范围超过365_。同时，利用暗场检测方法，通过探测正向宏弯耦合端口的暗场 信号，有效降低背景噪声，大幅提高系统信噪比，液位分辨率小于0. 2mm。本方案无需锁相放 大器等复杂的微弱信号提取电路及繁琐的相关运算，进一步降低了系统复杂性和成本，并 且提高了系统响应速度。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1为本实用新型实施例提供的一种基于CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系 统的结构框图；
[0018] 图2为本实用新型实施例提供的一种平行连续宏弯耦合结构连续式液位传感系 统的结构示意图；
[0019] 图3为本实用新型实施例提供的一种双绞连续宏弯耦合结构的连续式液位传感 系统的结构示意图；
[0020] 图4为本实用新型实施例提供的一种叠加连续宏弯耦合结构的连续式液位传感 系统的结构示意图；
[0021] 图5为本实用新型实施例提供的一种使双绞的两根光纤实现光能稳定耦合的结 构示意图；
[0022] 图6为本实用新型实施例提供的在双绞连续宏弯耦合结构下，正向耦合输出功率 与液位之间的关系示意图；
[0023] 图7为本实用新型实施例提供的在平行连续宏弯耦合结构下，正向耦合输出功率 与液位之间的关系示意图。
【具体实施方式】
[0024] 下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的 实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0025] 本实用新型实施例提供了一种基于CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系统，如 图1中的框图所示，所述连续式液位传感系统包括：LED光源0,第一光功率计1，第二光功 率计2以及光纤液位传感器4。
[0026] 其中，如图2所示，所述光纤液位传感器4包括尼龙棒41，有源光纤42和无源光纤 43,所述有源光纤42和所述无源光纤43的中间部分相互紧密贴合后螺旋缠绕在所述尼龙 棒41上形成连续宏弯耦合结构即敏感部分，除中间部分（即敏感部分）外的光纤上均套有 黑色热缩管44。
[0027] 两根光纤的中间部分缠绕在尼龙棒41上，形成连续宏弯耦合结构，该结构对外界 介质折射率敏感，为两根光纤的敏感部分；其他部分为非敏感部分均套上黑色热缩管44， 避免不必要的可见光的影响。
[0028] 可选的，所述宏弯耦合结构包括：平行连续宏弯耦合结构，双绞连续宏弯耦合结构 或叠加连续宏弯耦合结构；其中，所述平行连续宏弯耦合结构如图2所示，所述有源光纤42 和所述无源光纤43的中间部分并排平行放置后螺旋紧密缠绕在所述尼龙棒41上；所述双 绞连续宏弯耦合结构如图3所示，为所述有源光纤42和所述无源光纤43的中间部分双绞 后，利用耐高温导线45在两根光纤外部缠绕，使两光纤紧密贴合，并形成一体式结构。然后 将该结构以固定螺距缠绕于尼龙棒41上；所述叠加连续宏弯耦合结构如图4所示，通过在 尼龙棒41上刻槽后，先将有源光纤42紧密缠绕于槽内底层，再将无源光纤43叠加缠绕于 有源光纤42之上。
[0029] 如图1-图4所示，所述有源光纤42的一端连接LED光源0,另一端连接所述第一 光功率计1 ;所述无源光纤42的一端连接所述第二光功率计2,另一端用黑色盖帽3密封； 所述第一光功率计1和所述第二光功率计2位于所述光纤液位传感器4的同一端。所述第 二光功率计2连接的一端为无源光纤正向宏弯耦合端口。
[0030] 可选的，所述有源光纤和所述无源光纤为包层较薄，柔韧性好的POF(Plastic Optical Fiber，塑料光纤）。凡采用塑料光纤制作宏弯耦合结构都属于本专利权利，具体实 例包括：以SK-40为代表的系列标准通信用POF光纤，传感光纤，石英纤芯的塑料包层光纤 等。
[0031] 可选的，如图5所示，所述两根光纤的中间部分双绞后用耐高温导线45紧密缠绕， 以排除两根光纤之间缠绕松动引起的间隔误差，实现光能量的稳定耦合，同时避免光纤因 双绞产生的内部应力而导致的光纤崩裂。
[0032] 可选的，所述尼龙棒插在内侧贴有高反膜的两头开口的圆柱筒内。所述高反膜不 仅可以防止可见光的影响，还能反射回部分辐射光，提高光能利用率。
[0033] 光纤的包层本身作为波导传播光线时，光在包层-环境界面将发生全内反射。当 外界介质从空气变成液体，外界介质的折射率变大，接近甚至超过包层的折射率。此时包层 的全内反射条件受到抑制或破坏，在包层-环境界面反射的部分光将不能返回到纤芯中， 从而辐射到周围空间，产生损耗。我们将这种效应称为"包层模受抑全内反射"(CMFTIR)效 应。在通常的直光纤结构中，CMFTIR效应微弱到可忽略不计。因此，需要特殊的结构来增强 CMFTIR效应，而增强CMFTIR效应的关键在于提高光纤中包层模式的比例。本实例中，我们 利用光纤双绞连续宏弯耦合结构实现CMFTIR效应的增强，首先将LED光源的光导入有源光 纤，光能量将在"宏弯耦合结构"位置（螺旋缠绕于尼龙棒上的部分）发生宏弯耦合效应， 一方面，光能量从有源光纤耦合进入无源光纤中；另一方面，宏弯耦合效应在无源光纤内激 发出大量的包层模式。此时，CMFTIR效应得到增强。利用POF光纤包层模受抑全内反射效 应，由于液体折射率高于空气折射率，当液位发生变化时，液体淹没光纤敏感结构的高度发 生变化，引起光纤外部折射率增加，从而破坏部分包层模式的全内反射条件，使得一部分包 层模式光能量发生损耗。随着液位的升高，光纤内传播的光能量随之降低。同时，利用光纤 宏弯耦合实现有源光纤到无源光纤之间的能量转移，一方面无源光纤内的包层模式能量占 比更高，从而获得更加显著的CMFTIR效应；一方面使得光能量从明场转移至暗场，由于无 源光纤内极低的背景噪声，通过检测无源光纤的正向耦合端输出功率变化来判断光纤被液 体淹没的高度，可以获得很好的信噪比，实现连续实时液位测量。
[0034] 下面用实验证明光纤宏弯耦合结构增强CMFTIR效应：
[0035] 对照组：单根直光纤，一端接led光源，一端接光功率计。手指轻触光纤，功率计测 量所得的功率没有变化，表明在完整的直光纤内几乎观测不到CMFTIR效应。
[0036] 实验组1 :单根光纤构成宏弯环结构，一端接led光源，一端接光功率计。手指轻触 光纤弯曲部分的顶端，功率计测量所得的归一化功率下降5%左右，表明此时CMFTIR效应 有一定程度增强。这是因为光纤宏弯引起光纤内模场的变化，在弯曲光纤中产生相对更多 的包层模式，手指轻触导致更多包层模辐射出去，从而引起光功率的下降。此时虽有CMFTIR 效应增强，但是效果不明显。
[0037] 实验组2 :两根光纤制成双绞宏弯耦合结构（TMBCS)，手指轻触TMBCS顶端，相较于 直光纤和单根宏弯情况下，无源光纤的正向耦合端输出归一化功率下降了 30% -40%，下 降幅度大大提高。这是由于利用宏弯暗场耦合，使得在TMBCS的无源光纤内的包层模式的 比例大大高于有源光纤，从而进一步增强CMFTIR效应，增强的效果显著。
[0038] 由上述实验可知，双绞宏弯耦合结构能够大大增强CMFTIR效应，显著提高传感器 的灵敏度，提高测量精度。
[0039] 以下应用一个具体试验证明，本实用新型提供的连续式液位传感系统用来测量液 位是可以实现的。
[0040] 采用图3所示的双绞连续宏弯耦合结构连续式液位传感器由传感光纤，光功率计 以及LED光源组成。传感光纤是将两根裸光纤（有源光纤和无源光纤）以固定步长双绞后， 利用耐高温导线在两根光纤外部缠绕，使两光纤紧密贴合，并形成一体式结构。然后将该结 构以固定螺距螺旋缠绕于尼龙棒上。传感光纤的敏感部位是紧贴在尼龙棒上经螺旋缠绕 发生宏弯耦合的部分光纤，没有缠绕在尼龙棒上的光纤为非敏感部位。为了屏蔽可见光的 影响，将两根光纤的非敏感部分的裸光纤套入黑色塑胶管内后，再连接光功率计上或者LED 光源上。利用耐高温导线紧密缠绕在敏感部分的双绞光纤上，以排除两根光纤之间缠绕松 动引起的间隔误差，实现光能量的稳定耦合，同时避免光纤因双绞产生的内部应力而导致 的光纤崩裂。为了防止液体在加水过程中溅到敏感部分导致结果不准确，将尼龙棒插入内 侧贴有高反膜的两头开口的圆柱筒后，再整体放入装液体的容器中。加水时只需要往圆柱 筒和容器中间加水，不会因溅上液体而导致误判。其中高反膜不仅可以防止可见光的影响， 还能反射回部分辐射光，提高光能利用率。
[0041] 双绞连续宏弯耦合结构液位检测实验中，以不同速度反复向容器中加水，倒水（A， B，C，D，E五次）。实验结果如图6所示。
[0042] 传感器输出液位特性曲线的斜率与光纤的布置方式有关，当光纤螺距均匀时，曲 线更加平滑，但呈非线性。当螺距不均匀分布时，此时特性曲线呈波浪形变化，但整体接近 线性。针对双绞宏弯耦合结构在不均匀螺距下测量的结果，对其进行线性拟合。可以发现， 由于其波浪形变化，将导致较大的拟合误差。利用改变螺距的方法，通过试验对螺距进行细 致的调整，最终可以使液位特性曲线呈现线性，从而降低拟合误差，提高测量精度，获得正 向耦合输出功率与液位之间的线性关系。
[0043] 本实用新型实施例还提供了一种液位检测方法，液位可以根据图1-图4所示的连 续式液位传感系统进行测定，所述方法包括以下步骤：
[0044] 101、LED光源向有源光纤提供光能量。
[0045] 102、由第二光功率计测量获得无源光纤正向耦合的输出光功率。
[0046] 103、根据所述正向耦合输出光功率计算获得待测的液体液位。
[0047] 整个液位传感装置的能量由LED光源提供，LED光源向有源光纤提供光能量，根据 上述描述的原理，可以根据正向耦合端即第二光功率计的检测到的输出功率，计算获得待 测的液体液位。
[0048] 在本实用新型实施例中，若所述连续式液位传感系统采用的是图3所示的双绞 连续宏弯耦合结构，则所述正向耦合输出光功率与所述液体液位之间的关系为=L liquid= (P2-b)/K，其中，P2(单位：nw)为正向耦合端输出功率，L liquid(单位：cm)为液位高度，K， b为拟合系数。在本专利中，通过我们的液位传感器可检测到正向耦合端输出功率。所述 连续式液位传感系统需根据实测数据进行曲线拟合，并根据具体拟合公式计算获得待测 液体液位。在本实施例的双绞连续宏弯親合结构液位传感器中，K = -6. 8402nw/cm，b = 492.9387nw。
[0049] 已知平均灵敏度S定义为：
[0050]
【权利要求】
1. 一种基于包层模受抑全内反射CMFTIR效应的光纤连续式液位传感系统，其特征在 于，包括；L邸光源，第一光功率计，第二光功率计W及光纤液位传感器； 其中，所述光纤液位传感器包括巧龙椿，有源光纤和无源光纤，所述有源光纤和所述无 源光纤的中间部分相互紧密贴合后螺旋缠绕在所述巧龙椿上形成连续宏弯禪合结构，除中 间部分外的光纤均套有黑色热缩管； 所述有源光纤的一端连接L邸光源，另一端连接所述第一光功率计；所述无源光纤的 一端连接所述第二光功率计，另一端用黑色盖帽密封；所述第一光功率计和所述第二光功 率计位于所述光纤液位传感器的同一端。
2. 根据权利要求1所述的光纤连续式液位传感系统，其特征在于，所述连续宏弯禪合 结构包括：平行连续宏弯禪合结构，双绞连续宏弯禪合结构和叠加连续宏弯禪合结构； 其中，所述平行连续宏弯禪合结构为所述有源光纤和所述无源光纤的中间部分并排平 行放置后螺旋紧密缠绕在所述巧龙椿上； 所述双绞连续宏弯禪合结构为所述有源光纤和所述无源光纤的中间部分W固定步长 双绞后，利用高温导线在两根光纤外部缠绕，使两光纤紧密贴合，并形成一体式结构，然后 将该结构W固定螺距缠绕于巧龙椿上； 所述叠加连续宏弯禪合结构是通过在巧龙椿上刻2mm深固定槽后，先将有源光纤紧密 缠绕于巧龙椿槽内底层，再将无源光纤叠加缠绕于有源光纤之上。
3. 根据权利要求1所述的光纤连续式液位传感系统，其特征在于，所述有源光纤和所 述无源光纤为包层较薄，柔初性好的塑料光纤。
4. 根据权利要求3所述的连续式液位传感系统，其特征在于，所述塑料光纤包括标准 通信用塑料光纤，传感光纤或石英纤巧的塑料包层光纤。
5. 根据权利要求1-4任一项所述的光纤连续式液位传感系统，其特征在于， 所述巧龙椿插在内侧贴有高反膜的两端无盖的圆柱筒内。
【文档编号】G01F23/292GK204228235SQ201420597514
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月1日 优先权日:2014年10月1日
【发明者】刘文怡, 侯钰龙, 张会新, 苏珊, 沈三民, 王红亮, 张彦军, 苏淑靖, 崔永俊, 甄成方, 熊继军, 刘俊 申请人:中北大学