[发明专利]基于POF光纤宏弯的液位传感器

说明书

本发明涉及一种基于POF光纤宏弯的液位传感器，是用一根POF裸光纤折弯制作的顶部宏弯弯曲半径为2.5mm单宏弯光纤环形结构，以其顶部宏弯部分作为探头，POF裸光纤两个末端有光纤接头；用于封装该单宏弯光纤环形结构的固定结构，探头从该固定结构顶部露出。本发明采用单宏弯光纤环型结构设计，单纯利用光纤宏弯增强CMFTIR效应，实现了区分度1.06dB，满足液位测量需求。且无需双光纤耦合，因此简化了工艺难度，结构也更加紧凑，适宜于在狭窄空间内使用。同时SMBFL结构液体沾粘度低，极大的降低初浴“误差”；SMBFL直接探测功率较强的明场信号，满足长距离传输的需求。

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体而言，是一种基于POF光纤宏弯的液位传感器。

背景技术

液体液位测量在化学、化工、石油领域有着非常广泛的应用需求和巨大的市场空间，从最简单的油尺到结构复杂的液位传感器各式各样的设计层出不穷。目前，虽然已经有包括磁致伸缩式，电容式，超声波式，光纤式等等基于各种原理的液位传感器可供选择，但是液位测量技术与市场需求之间，仍然存在较为突出的矛盾，原因主要有两方面：一是虽然石油化工领域对传感器的需求量巨大，但是却对成本较为敏感，昂贵复杂的设计很难在这些领域得到大范围的推广应用。二是化工领域的液位测量环境复杂，有些属于易燃易爆液体，对现有的传感器的安全性和适应性提出了巨大的挑战。光纤液位传感器由于非电测量，抗电磁干扰，非常适合复杂环境下的液位测量。其中最具代表性的有压强敏感型和折射率敏感型两类。其中压强敏感型又有光纤布拉格光栅式，法布里珀罗式等，但由于这类传感器对制作工艺要求较高，需探测波长频移，信号解调复杂，需要复杂昂贵的测量仪器，无法在成本敏感领域得到应用推广。折射率敏感型主要有长周期光纤光栅型和尖端反射型。其中长周期光纤光栅型的复杂程度和成本与上述光纤传感器类似，而尖端反射型传感器利用受抑全内反射效应实现液位传感，只需对功率变化进行探测，由此带来的低成本的优势，使其有可能在石油，化工领域内发挥重要的作用。目前，尖端反射型传感器制作方式，主要有以下三种：利用棱镜反射，光纤端面抛光，电弧拉伸。其中，利用棱镜制作的探头，一方面体积较大，影响测量精度；一方面区分度相对较低，例如在Hossein. Golnabi等人2004年发表在《optics and lasers in engineering》上的文章《Design and operation of a fiberoptic sensor for liquid level detection》中，实现的区分度仅为0.03dB。利用光纤端面抛光的方法，则需要在125μm的光纤端头上打磨出90°角，这种方法不仅加工难度很大，而且使得光纤尖端更加纤细，脆弱，探头非常容易受到污染和损坏。而电弧拉伸的方法相对最为成功，但其问题是，加工方式决定了该种探头的一致性很难得到保证。中北大学Yu-LongHou等于2014年在《Optics Express》上发表文章《Polymer optical fiber twistedmacro-bend coupling system for liquid level detection》，首次提出利用光纤包层模受抑全内反射（cladding mode frustratedtotal internal reflection，CMFTIR）效应实现液位传感，并且首次制作出双绞宏弯耦合结构（Twisted Macro-bend CouplingStructure，TMBCS）液位探头，实现区分度4.18dB。但该种探头仍然存在如下一些问题：1、该结构使用双绞及导线缠绕方式制作，导致液体沾粘度增加，产生较大的“初浴”误差。2、该结构通过耦合的方式获得宏弯暗场耦合信号，由于宏弯耦合效率很低，导致该暗场信号的功率微弱，限制了其在光纤内的传播距离，因此无法应用于需要远距离传输传感信号的场合。3、该结构由于采用双光纤耦合结构，导致该结构体积较大（宏弯曲半径大于7mm，否则光纤之间会产生缝隙，降低耦合效率），限制其在狭窄空间中的使用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种结构紧凑、适合远距离传输的基于POF光纤宏弯的液位传感器。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：