专利名称：基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感装置，属于 光纤光栅传感的技术领域。
背景技术：
液位传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业控制环 境，涉及水利水电、石油、化工、船舶、管道等众多行业。目前液位传感器按照探头的工作原 理主要分为机械、电子和光纤三种类型。机械型液位传感器主要包括浮筒式、气泡式、压差式和膜片式。浮筒式液位传感 器的不足之处是液体污染物的积聚容易阻碍传动机械臂运动，从而造成较大的液位测量误 差；对于气泡式和压差式液位传感器，其共同问题是检测方式十分复杂；膜片式液位传感 器虽设备简单，但其测量范围非常有限。电子型液位传感器一种是利用空气和液体作为电容器两极板间的电介质，通过 电容检测获得液位信息的电容式液位计，其结构简单，但对电缆中的干扰和寄生电容很敏 感，精度较差；另一种是利用液位高度影响放射线检测器输出从而获得液位信息的放射线 液位计，但放射线对人体有害，需要加入严密的保护措施，使用非常不便；此外还有受温度 影响较大的超声液位计、仅适用于导电性液体的电极式液位计等。光纤型液位传感器与上述传统的机械和电子方法相比，光纤型液位传感器具有 尺寸小、抗腐蚀、抗电磁干扰等优点，更适于在易燃易爆、有毒有害、强电磁干扰等危险恶劣 环境中应用。另外由于光纤不仅是敏感元件，同时作为低损耗传输线，因而可以实现对待测 液位的远距离遥感。目前常用的光纤型液位传感器主要有 强度反射型液位传感器利用位于液体上方一对端面切割平坦并安装微透镜的 光纤分别发射和接收信号，通过对比液体表面反射光强度的差别来显示液位高度的变化， 该传感探头容易受污染影响，测量精度和测量范围较差。 连通器型光纤液位传感器其工作原理是利用连通器将液位变化转变为特制光 纤如汞包层光纤包层长度的变化，虽可有效改善测量精度和测量范围，但使用特制包层结 构的光纤，不仅成本提高，还将加大与传输用普通光纤的连接困难。 法布里-珀罗型光纤液位传感器其工作原理是利用不同液位高度对法布 里-珀罗腔产生压强的不同来改变法布里-珀罗腔的长度，从而使干涉光条纹发生改变。这 种传感器结构简单，灵敏度高，但其干涉检测方式易受温度、振动等环境因素影响，长期稳 定性恶化。 光纤光栅型液位传感器一种是长周期光栅型，其谐振是基于具有扩展消逝特 性的包层模间的耦合，谐振波长对液体变化敏感，不必特殊处理就可实现传感功能；另一种 是布拉格光栅型，其谐振效应产生于束缚纤芯基模间的耦合，通过侧面研磨，包层腐蚀、镀 热电金属膜等手段，将基模限制场引出形成扩展消逝场同样可对液体变化产生感应。光纤 光栅型液位传感器通常利用光栅谐振波长在液位变化时发生移动的特性来实现液位监测，例如中国实用新型专利专利号01265843. X和200320117647. X利用液体压力变化引起弹性 膜片形变，从而导致粘贴于膜片上的光纤光栅谐振波长移动来获知液位信息。但是，长周期 光栅和布拉格光栅具有温度、弯曲等交叉敏感性，当周围环境参量变化时光栅谐振波长也 将随之移动，从而使液位检测产生较大误差；而且光源和检测器的波长漂移也会严重影响 液位检测精度。另外，现有的光纤光栅型液位传感器都是将光纤光栅直接放置于液体中，由 于液体污染物和水分子的侵入，光纤光栅性能很快恶化，需要频繁更换传感头，导致液位监 测的中断和成本大大增加。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有光纤光栅液位传感器在周 围环境变化时 导致的液位检测误差，在光源、光检测器波长漂移时产生的液位检测精度降低，以及直接将 光纤光栅置于待测液体中，受污染物和水分子影响产生的性能恶化、传感头更换频繁、成本 增加等问题，提供一种结构简单、成本低廉、对液位变化感知灵敏度高的光纤光栅液位传感
直O本发明的技术方案是构造一种基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位 传感装置，其组成部件包括宽带光源、光谱分析仪、2X1耦合器和传感主体。宽带光源、光 谱分析仪分别与2X1耦合器的两个分叉端口连接，2X1耦合器的一字端口连接传感主体。传感主体的构成及其连接为锥形啁啾光纤光栅的一端与2X1耦合器的一字端 口连接并安装在固定夹具上，锥形啁啾光纤光栅的另一端安装在底部装有滚珠的滑行夹具 上，两夹具平行且安装在隔振平台上的直导轨上。滑行夹具与非弹性绳的一端连接，非弹性绳的另一端连接在放置于待测液体箱中 的浮标上，非弹性绳的中部支撑在固定于隔振平台上的定滑轮上。滑行夹具底部安装滚珠 并能沿隔振平台上的直导轨自由移动。本发明的工作原理是基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感装 置，充分利用了轴向应变对锥形光栅各谐振波长影响不同的特性，巧妙利用定滑轮将液位 对浮标纵向拉力的变化转化为作用于光栅轴向应变的变化，从而使液位与光栅反射谱带宽 一一对应，实现利用带宽检测液位变化的新型传感。当液位上升或下降时，作用于浮标上的 拉力发生变化，定滑轮将该拉力转化为沿锥形啁啾光纤光栅的轴向应力，由于锥形光纤各 部分横截面不同，应变随光纤锥度减小而增加，啁啾光栅锥度小处的短谐振波长比锥度大 处的长谐振波长在应变作用下移动更快，从而导致光栅反射光谱展宽或变窄。通过测量光 栅反射光谱带宽的变化，就可实现对液位的传感监测。本发明的有益效果是这种基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感 装置，由于在光源、检测器波长漂移以及温度等环境变化时，锥形啁啾光纤光栅的长谐振波 长和短谐振波长向同一方向的移动量相等，采用表征长谐振波长与短谐振波长差值的反射 光谱带宽作为监测量，有效克服了环境因素对现有光纤光栅液位传感器产生的交叉干扰， 提高了稳定性和测量精度；另外由于传感光纤光栅不与待测液体直接接触，液体污染物和 水分子不会使光纤光栅性能产生恶化，避免了频繁更换光栅传感头从而加大系统维护成本 的问题，是一种结构简单，性价比更高的光纤光栅液位传感装置。


图1为基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感装置结构示意图。图2为液位上升时，利用本发明传感装置监测到的锥形啁啾光纤光栅反射谱曲 线。图3为液位下降时，利用本发明传感装置监测到的锥形啁啾光纤光栅反射谱曲
线。图4为液位变化与锥形啁啾光纤光栅反射谱带宽的关系图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。实施例一如图1，一种基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感装置的各器件 之间的连接宽带光源1、光谱分析仪2分别连接2X1耦合器3的两个分叉端口，2X 1耦合器 3的一字端口连接锥形啁啾光纤光栅4的一端；宽带光源1采用掺铒光纤放大器，光谱分析 仪2采用AND06317，锥形啁啾光纤光栅4制作在火焰熔融拉锥光纤上。火焰熔融拉锥光纤参数火焰移动速度2. 5mm/s,拉锥长度=70mm ；光纤锥度直 径从125 μ m变为52 μ m，锥形啁啾光纤光栅4的参数为相位掩膜版中心周期537nm ；光栅写入长度= 30mm,反射谱范围为1553. 5 1557nm ；锥形啁啾光纤光栅4与2X 1耦合器3 —字端口连接的一端固定在夹具5上，锥形 啁啾光纤光栅4的另一端安装在滑行夹具6上，两夹具间距70mm，平行安装在隔振平台7上 的直导轨12上；非弹性绳10 —端连接在滑行夹具6上，非弹性绳10另一端连接在浮标8上，非弹 性绳10的中部支撑在固定于隔振平台7的定滑轮9上；浮标的参数为端面圆半径=5mm ； 高度=50mm。浮标8放置于待测液体箱11中，液体初始高度定为液位“0”点。图2为液位“0”点实线，液位上升IOmm点线和液位上升20mm虚线时，利用本发明 传感装置监测到的锥形啁啾光纤光栅反射谱曲线，可见当液位升高时，锥形啁啾光纤光栅 的反射谱带宽增加。图3为液位“0”点实线，液位下降IOmm点线和液位下降30mm虚线时，利用本发明 传感装置监测到的锥形啁啾光纤光栅反射谱曲线，可见当液位降低时，锥形啁啾光纤光栅 的反射谱带宽减小。图4为液位变化与锥形啁啾光纤光栅反射谱带宽的关系图，可见利用本发明所述 的光纤光栅液位传感装置，可获得液位变化与反射谱带宽之间一一对应的线性关系。该传感装置带宽对液位敏感度=50pm/mm,测量范围为[_30mm，+20mm]。实施例二如图1，一种基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感装置的各器件 之间的连接
宽带光源1、光谱分析仪2分别连接2X1耦合器3的两个分叉端口，2X 1耦合器 3的一字端口连接锥形啁啾光纤光栅4的一端；宽带光源1采用LED，光谱分析仪2采用 AND06319，锥形啁啾光纤光栅4制作在氢氟酸腐蚀锥形光纤上。氢氟酸腐蚀锥形光纤的参数为氢氟酸腐蚀速度=1 U m/min ；光纤从氢氟酸每隔 5min 提升 5mm ；锥形啁啾光纤光栅的参数为相位掩膜版中心周期534nm;光纤锥度直径从 125 u m变为45 u m,长度=800mm,反射谱范围为1548nm 1552nm ；锥形啁啾光纤光栅4与2X 1耦合器3 —字端口连接的一端固定在夹具5上，另一 端安装在滑行夹具6上，两夹具间距1000mm，平行安装在隔振平台7上的直导轨12上；非弹性绳10的一端与滑行夹具6连接，非弹性绳10的另一端连接在浮标8上，非 弹性绳10的中部支撑在固定于隔振平台7的定滑轮9上，浮标的参数为长=50mm，宽= 50mm,高=1000mm ；浮标8放置于待测液体箱11中，液体初始高度定为液位“0”点。该传感装置工作原理同实施例一，测量范围=[-400mm, +400mm]。
权利要求
一种基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感装置，包括宽带光源(1)、光谱分析仪(2)、2×1耦合器(3)和传感主体；宽带光源(1)、光谱分析仪(2)分别与2×1耦合器(3)的两个分叉端口连接，2×1耦合器的一字端口连接传感主体；其特征在于，传感主体的构成及其连接锥形啁啾光纤光栅(4)的一端与2×1耦合器(3)的一字端口连接并安装在夹具(5)上，锥形啁啾光纤光栅(4)的另一端安装在滑行夹具(6)上；夹具(5)固定在隔振平台(7)上的直导轨(12)上，滑行夹具(6)底部安装滚珠并沿隔振平台(7)上的直导轨(12)自由移动；非弹性绳(10)一端连接在滑行夹具(6)上，非弹性绳(10)另一端连接在浮标(8)上，非弹性绳(10)的中部支撑在固定于隔振平台(7)的定滑轮(9)上；浮标(8)放置于待测液体箱(11)中。
2.根据权利要求1所述的一种基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感 装置，其特征是所述的宽带光源(1)为掺铒光纤放大器或LED或其它任何发射波长位于光 纤低损耗窗口的宽带光源。
3.根据权利要求1所述的一种基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感 装置，其特征是所述的锥形啁啾光栅(4)所使用的光纤为火焰熔融锥、氢氟酸腐蚀锥、侧 面研磨锥以及其它各种轴向具有锥形结构的光纤。
全文摘要
一种基于反射光谱带宽检测的锥形啁啾光纤光栅液位传感装置，属于光纤光栅传感领域。该传感装置的宽带光源(1)、光谱分析仪(2)分别与2×1耦合器(3)的两个分叉端口连接。锥形啁啾光纤光栅(4)的一端与2×1耦合器的一字端口连接并固定在夹具(5)上，其另一端安装在滑行夹具(6)上；夹具固定于隔振平台(7)上的直导轨(12)上，滑行夹具底部安装滚珠并能沿隔振平台上的直导轨自由移动。非弹性绳(10)一端安装在滑行夹具上，非弹性绳另一端安装在放置于待测液体箱(11)中的浮标(8)上，非弹性绳的中部支撑在固定于隔振平台的定滑轮(9)上。该传感装置结构简单、成本低廉、对液位变化感知灵敏度高。
文档编号G01D5/353GK101832808SQ20101014904
公开日2010年9月15日 申请日期2010年4月15日 优先权日2010年4月15日
发明者宁提纲, 盛晓娟, 董小伟, 裴丽, 赵瑞峰 申请人:北京交通大学