基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于暗場檢測的光纖宏彎稱合結(jié)構(gòu)液位探頭。本發(fā)明首次提出基于“包層模受抑全內(nèi)反射（CMFTIR)效應(yīng)”的液位傳感原理，并成功應(yīng)用。通過宏彎的方式，改變光纖內(nèi)模場分布，增加了光纖中包層模式能量的占比，增強(qiáng)了CMFTIR效應(yīng)；同時(shí)由于宏彎輻射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了兩根光纖間的宏彎耦合；通過宏彎耦合的方式將傳感信號轉(zhuǎn)移至暗場，耦合過程增加了調(diào)制深度，同時(shí)在無源光纖內(nèi)獲得更高的包層模式能量占比，也進(jìn)一步增強(qiáng)了CMFTIR效應(yīng)；同時(shí)保證了耦合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和傳感器的一致性，通過探測暗場信號有效提高信噪比，實(shí)現(xiàn)了低成本，低功耗，高性能的液位探頭，區(qū)分度高于4dB。
【專利說明】基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種液位探頭，具體涉及一種基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位 探頭。

【背景技術(shù)】
[0002] 在石油、化學(xué)化工生產(chǎn)領(lǐng)域，液體化工品的液位自動(dòng)化檢測是實(shí)現(xiàn)安全作業(yè)的重 要保證；在飛機(jī)，輪船等運(yùn)行過程中燃油液位的監(jiān)測同樣具有廣泛的需求。目前，傳統(tǒng)的液 位檢測手段主要有：機(jī)械浮子式、電容式，超聲波式等。其中，機(jī)械浮子類電子類在自動(dòng)化 和精度上存在缺陷；電容式傳感器由于引入電信號，在易燃易爆環(huán)境下使用存在一定安全 隱患，且大量的信號連接線路非常容易受到電磁干擾；超聲波液位傳感器往往存在盲區(qū)，氣 泡，油-水界面反射等問題?；诠饫w的液位傳感器由于非電測量，抗腐蝕，免疫電磁干擾， 在石油領(lǐng)域被廣泛采用。現(xiàn)有的光纖液位傳感器主要有尖端反射式和壓強(qiáng)敏感式兩類。其 中尖端反射式主要有三種加工方法：直接對光纖端面拋光研磨出反射斜面，通過電弧拉伸 制作反射斜面或者利用棱鏡制作反射斜面，其加工難度高，加工一致性差。且其尖端易受污 染，導(dǎo)致區(qū)分度變差，同時(shí)由于其敏感結(jié)構(gòu)為光纖尖端，因此氣體凝結(jié)而成的水滴會導(dǎo)致其 發(fā)生誤判。更關(guān)鍵的是該類型傳感器魯棒性差，極易損壞。壓強(qiáng)敏感式液位傳感器，主要包 括，光纖光柵式，法布里珀羅式等，但由于需要光譜儀等復(fù)雜昂貴的探測儀器，其高昂的制 作和信號探測成本使其很難在石油化工領(lǐng)域被大規(guī)模應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為解決上述問題，本發(fā)明提供了基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭，解 決了傳統(tǒng)液位測量方法上穩(wěn)定性差，精度低，魯棒性差的問題，實(shí)現(xiàn)了低能耗、低成本的安 全環(huán)保液位檢測系統(tǒng)的特殊探頭。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探 頭，利用光纖宏彎效應(yīng)的子效應(yīng)一CMFTIR效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)光纖外界介質(zhì)折射率對液位探頭正向 耦合端輸出功率的調(diào)制作用。
[0004] 本發(fā)明對于液體液位進(jìn)行深入研究，具有廣闊的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。潛在應(yīng)用 領(lǐng)域?yàn)椋很娛?、航空、安全、環(huán)境、醫(yī)療、化學(xué)工業(yè)等領(lǐng)域。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0006] 基于暗場檢測的光纖宏彎稱合結(jié)構(gòu)液位探頭，包括
[0007] 有源光纖，包括P0端，用于連接LED光源；P1端，用于連接光功率計(jì)；
[0008] 無源光纖，包括P2端，用于連接光功率計(jì)；P3端用于連接光功率計(jì)；
[0009] 耐高溫導(dǎo)線，用于固定光纖以減少錯(cuò)位引起的耦合功率變化，減少誤差；更可以防 止光纖因應(yīng)力引起的斷裂；
[0010] 所述有源光纖和無源光纖相互纏繞后整體彎曲形成雙絞宏彎耦合環(huán)，所述耐高溫 導(dǎo)線緊密纏繞在所述宏彎耦合環(huán)上，所述有源光纖、無源光纖和耐高溫導(dǎo)線通過塑膠管后， 使用固定套灌注硅膠后固定，減輕了光纖受到外力應(yīng)力變化引起不必要的誤差。
[0011] 其中，所述LED燈源用于為整個(gè)液位探頭提供光源能量。
[0012] 其中，所述P1端是直通端，作為參考端口，P2端可參考P1端的功率變化，排除光 源功率變化的影響。
[0013] 其中，所述P2端是正向耦合端，用于探測暗場信號實(shí)現(xiàn)液位檢測。
[0014] 其中，所述P3端是反向f禹合端。
[0015] 其中，所述有源光纖和無源光纖均采用包層薄，柔韌性好的塑料光纖。
[0016] 其中，本發(fā)明原創(chuàng)性的提出利用光纖"宏彎效應(yīng)"實(shí)現(xiàn)兩根裸光纖之間的暗場耦 合，將其命名為"宏彎耦合"，且對暗場耦合原理給予解釋，并首次給出了暗場耦合效率的定 義；原創(chuàng)性的提出并闡釋了"包層模受抑全內(nèi)反射（CMFTIR)"液位檢測原理，首次發(fā)現(xiàn)宏彎 耦合系統(tǒng)可顯著提高CMFTIR效應(yīng)；首次提出TMBCS (雙絞宏彎耦合結(jié)構(gòu)），有效增強(qiáng)了"宏 彎暗場耦合效率"；首次利用宏彎耦合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光纖內(nèi)的暗場信號檢測，獲得了很好的信噪 比。
[0017] 結(jié)構(gòu)上：相較于以前的光纖液位探頭，首次利用兩根裸光纖相互纏繞，制作了 TMBCS宏彎耦合結(jié)構(gòu)。
[0018] 原理上，首次成功實(shí)現(xiàn)P0F光纖宏彎暗場耦合，首次闡釋了暗場耦合原理以及耦 合系統(tǒng)對CMFTIR效應(yīng)的增強(qiáng)效應(yīng)，并且闡釋了利用CMFTITR效應(yīng)實(shí)現(xiàn)液位檢測的原理。
[0019] 材料上，使用的是P0F (塑料光纖，Plastic Optical Fiber)。
[0020] 封裝上，在其應(yīng)力敏感點(diǎn)上進(jìn)行封膠，減少應(yīng)力對液位探頭的影響，保證穩(wěn)固性。
[0021] 本發(fā)明具有以下有益效果：
[0022] 本發(fā)明首次提出基于"包層模受抑全內(nèi)反射（CMFTIR)效應(yīng)"的液位傳感原理，并 成功應(yīng)用。通過宏彎的方式，改變光纖內(nèi)模場分布，增加了光纖中包層模式能量的占比，增 強(qiáng)了 CMFTIR效應(yīng)；同時(shí)由于宏彎輻射效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了兩根光纖間的宏彎耦合；通過宏彎耦合 的方式將傳感信號轉(zhuǎn)移至暗場，耦合過程增加了調(diào)制深度，同時(shí)在無源光纖內(nèi)獲得更高的 包層模式能量占比，也進(jìn)一步增強(qiáng)了 CMFTIR效應(yīng)；通過雙絞的方式提高了暗場耦合功率， 增加了暗場信號的強(qiáng)度，同時(shí)保證了耦合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和傳感器的一致性，通過探測暗場 信號有效提高信噪比，解決了"光纖功率型傳感器易受光源波動(dòng)影響，傳感信號極易淹沒于 光源噪聲"的技術(shù)難題，同時(shí)制作實(shí)現(xiàn)了低成本，低功耗，高性能的液位探頭，區(qū)分度高于 4dB。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例一種基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭的結(jié)構(gòu)示 意圖。
[0024] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例一種基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭的系統(tǒng)整 體框圖。
[0025] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例一種基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭的原理圖。
[0026] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中手指輕觸不同結(jié)構(gòu)時(shí)，所產(chǎn)生的光功率下降量不同圖。
[0027] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例一種基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭不同情況 下的信噪比圖。
[0028] [主要元件符號說明]
[0029] 1、固定套；
[0030] 2、無源光纖；
[0031] 3、有源光纖；
[0032] 4、耐高溫導(dǎo)線；
[0033] 5、宏彎耦合器；
[0034] 6、宏彎輻射。
[0035] 7、反向耦合光；
[0036] 8、正向稱合光；
[0037] 9、包層；
[0038] 10、周圍介質(zhì)。

【具體實(shí)施方式】
[0039] 為了使本發(fā)明的目的及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步 詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0040] 如圖1-2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供了了一種基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液 位探頭，包括
[0041] 有源光纖3,包括P0端，用于連接LED光源；P1端，用于連接光功率計(jì)；
[0042] 無源光纖2,包括P2端，用于連接光功率計(jì)；P3端用于連接光功率計(jì)；
[0043] 耐高溫導(dǎo)線4,用于固定光纖以減少錯(cuò)位引起的耦合功率變化，減少誤差；更可以 防止光纖因應(yīng)力引起的斷裂；
[0044] 所述有源光纖3和無源光纖2相互纏繞后整體彎曲形成宏彎耦合環(huán)，所述耐高溫 導(dǎo)線4緊密纏繞在所述宏彎耦合環(huán)上，所述有源光纖3、無源光纖2和耐高溫導(dǎo)線4通過塑 膠管后，使用固定套1灌注硅膠后固定，減輕了光纖受到外力應(yīng)力變化引起不必要的誤差。
[0045] 所述LED燈源用于為整個(gè)液位探頭提供光源能量。
[0046] 所述P1端是直通端，作為參考端口，P2端可參考P1端的功率變化，排除光源功率 變化的影響。
[0047] 所述P2端是正向耦合端，用于檢測液位。
[0048] 所述P3端是反向f禹合端。
[0049] 如圖3所示，所述有源光纖3和無源光纖2均采用三菱SK-40的塑料光纖，包層薄， 柔韌性好。
[0050] 液位探頭采用的是光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)，光纖宏彎引起模場的畸變而在光纖外部空 間內(nèi)形成輻射光場，由于該輻射光場能量大大弱于光纖內(nèi)部能量且與光源路徑分開，因此 稱為暗場。暗場光在臨近的同樣彎曲的薄包層光纖內(nèi)產(chǎn)生極化，其中小部分能量在鄰近的 光纖內(nèi)重新分布，沿光纖軸同時(shí)形成向正、反兩個(gè)方向傳播的導(dǎo)模，實(shí)現(xiàn)了兩根光纖之間的 相互耦合。本發(fā)明利用該耦合機(jī)制實(shí)現(xiàn)液位傳感器應(yīng)用。而無源光纖中包層模式的能量占 比更高，當(dāng)光纖彎曲的時(shí)候，便會產(chǎn)生"包層模全內(nèi)反射受抑"現(xiàn)象，使得無源光纖中的光發(fā) 生泄漏。由于泄漏的光能量受到外界介質(zhì)的折射率調(diào)制，其正向耦合端檢測到的功率隨著 折射率的變化而變化。利用暗場檢測來提取傳感信號，不易受到光源噪聲的影響，而LED光 源波動(dòng)大，一般的光纖液位傳感器采用差分及相關(guān)運(yùn)算來提高信噪比，但增加了復(fù)雜度、成 本的同時(shí)，也降低了響應(yīng)速度。本發(fā)明的液位探頭采用宏彎耦合結(jié)構(gòu)，利用"包層模受抑全 內(nèi)反射"效用以暗場檢測的方法實(shí)現(xiàn)液位的探測，實(shí)現(xiàn)了低成本，低功耗，高信噪比，高響應(yīng) 速度的液位探頭。
[0051] 實(shí)施例
[0052] CMFTIR效應(yīng)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)（手指觸碰）
[0053] 單根直光纖，一端接led光源，一端接光功率計(jì)。手指輕觸光纖，功率計(jì)測量所得 的功率沒有變化，表明在完整的直光纖內(nèi)幾乎觀測不到CMFTIR效應(yīng)。
[0054] 單根光纖構(gòu)成宏彎環(huán)結(jié)構(gòu)，一端接led光源，一端接光功率計(jì)。手指輕觸光纖彎曲 部分的頂端，功率計(jì)測量所得的歸一化功率下降5%左右，表明此時(shí)CMFTIR效應(yīng)有一定程 度增強(qiáng)。這是因?yàn)楣饫w宏彎引起光纖內(nèi)模場的變化，在彎曲光纖中產(chǎn)生相對更多的包層模 式，手指輕觸導(dǎo)致更多包層模輻射出去，從而引起光功率的下降。此時(shí)雖有CMFTIR效應(yīng)增 強(qiáng)，但是效果不明顯。
[0055] 兩根光纖制成雙絞宏彎耦合結(jié)構(gòu)（TMBCS)，手指輕觸TMBCS頂端，相較于直光纖和 單根宏彎情況下，無源光纖的正向耦合端輸出歸一化功率下降了 30% -40%，下降幅度大 大提高。這是由于利用宏彎暗場耦合，使得在TMBCS的無源光纖內(nèi)的包層模式的比例大大 高于有源光纖，從而進(jìn)一步增強(qiáng)CMFTIR效應(yīng)，增強(qiáng)的效果顯著。
[0056] 綜上所述，雙絞宏彎耦合結(jié)構(gòu)能夠大大增強(qiáng)CMFTIR效應(yīng)，顯著提高傳感器的靈敏 度，提高測量精度。
[0057] 暗場檢測大幅度提高信噪比以及測量精度，量程；
[0058] 由于激光器或LED光源存在溫度漂移，且光功率型傳感器易受光源功率波動(dòng)影 響。通常的傳感器設(shè)計(jì)需要采取溫度補(bǔ)償電路，結(jié)合參考光路差分及相關(guān)運(yùn)算等信號處理 手段。利用鎖相放大器實(shí)現(xiàn)相關(guān)運(yùn)算以提取微弱信號，增加系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的同時(shí)，也降 低了響應(yīng)速度。
[0059] 而本發(fā)明利用雙絞宏彎耦合結(jié)構(gòu)，通過宏彎耦合的方式將傳感信號轉(zhuǎn)移至暗場以 實(shí)現(xiàn)暗場信號檢測，由于暗場信號與光源路徑隔離，受光源波動(dòng)影響較小，具備天然的性噪 比優(yōu)勢。如圖5所示，在未經(jīng)過任何信號處理的條件下，直接通過功率計(jì)獲得的原始傳感信 號其信噪比在"初浴"時(shí)可達(dá)到7dB以上，探頭潮濕狀態(tài)下信噪比保持在4dB以上。
[0060] 綜上所述，本具體實(shí)施利用兩根光纖雙絞的方式，增大了暗場耦合功率及耦合結(jié) 構(gòu)的穩(wěn)定性即傳感器的一致性；利用宏彎耦合的方式將傳感信號由明場轉(zhuǎn)移至暗場，由于 暗場信號與光源路徑隔離，受光源波動(dòng)影響幾乎可以忽略不計(jì)，極大地提高了系統(tǒng)信噪比。 同時(shí)由于宏彎暗場f禹合，使得在TMBCS的無源光纖內(nèi)的包層模式的比例大大高于有源光 纖，從而進(jìn)一步增強(qiáng)CMFTIR效應(yīng)，且增強(qiáng)的效果顯著。使得傳感器直接受外界介質(zhì)折射率 變化的影響，提高傳感器的靈敏度。
[0061] 以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人 員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以作出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng) 視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1. 基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭，其特征在于，包括 有源光纖，包括P0端，用于連接LED光源；P1端，用于連接光功率計(jì)； 無源光纖，包括P2端，用于連接光功率計(jì)；P3端用于連接光功率計(jì)； 耐高溫導(dǎo)線，用于固定光纖以減少錯(cuò)位引起的耦合功率變化，減少誤差； 所述有源光纖和無源光纖相互纏繞后整體彎曲形成雙絞宏彎耦合環(huán)，所述耐高溫導(dǎo)線 緊密纏繞在所述宏彎耦合環(huán)上，所述有源光纖、無源光纖和耐高溫導(dǎo)線通過塑膠管后，使用 固定套灌注硅膠后固定，減輕了光纖受到外力應(yīng)力變化引起不必要的誤差。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭，其特征在于， 所述LED燈源用于為整個(gè)液位探頭提供光源能量。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭，其特征在于， 所述P1端是直通端，作為參考端口，P2端可參考P1端的功率變化，排除光源功率變化的影 響。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭，其特征在于， 所述P2端是正向耦合端，用于探測暗場信號實(shí)現(xiàn)液位檢測。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭，其特征在于， 所述P3端是反向耦合端。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于暗場檢測的光纖宏彎耦合結(jié)構(gòu)液位探頭，其特征在于， 所述有源光纖和無源光纖均采用包層薄，柔韌性好的塑料光纖。
【文檔編號】G01F23/292GK104215298SQ201410466321
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】劉文怡, 侯鈺龍, 蘇珊, 張會新, 劉俊, 熊繼軍, 甄成方, 張迦衛(wèi) 申請人:中北大學(xué)