專利名稱：基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感裝置，屬于 光纖光柵傳感的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
液位傳感器是工業(yè)實(shí)踐中最為常用的一種傳感器，其廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)控制環(huán) 境，涉及水利水電、石油、化工、船舶、管道等眾多行業(yè)。目前液位傳感器按照探頭的工作原 理主要分為機(jī)械、電子和光纖三種類型。機(jī)械型液位傳感器主要包括浮筒式、氣泡式、壓差式和膜片式。浮筒式液位傳感 器的不足之處是液體污染物的積聚容易阻礙傳動(dòng)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，從而造成較大的液位測(cè)量誤 差；對(duì)于氣泡式和壓差式液位傳感器，其共同問題是檢測(cè)方式十分復(fù)雜；膜片式液位傳感 器雖設(shè)備簡(jiǎn)單，但其測(cè)量范圍非常有限。電子型液位傳感器一種是利用空氣和液體作為電容器兩極板間的電介質(zhì)，通過 電容檢測(cè)獲得液位信息的電容式液位計(jì)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)電纜中的干擾和寄生電容很敏 感，精度較差；另一種是利用液位高度影響放射線檢測(cè)器輸出從而獲得液位信息的放射線 液位計(jì)，但放射線對(duì)人體有害，需要加入嚴(yán)密的保護(hù)措施，使用非常不便；此外還有受溫度 影響較大的超聲液位計(jì)、僅適用于導(dǎo)電性液體的電極式液位計(jì)等。光纖型液位傳感器與上述傳統(tǒng)的機(jī)械和電子方法相比，光纖型液位傳感器具有 尺寸小、抗腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，更適于在易燃易爆、有毒有害、強(qiáng)電磁干擾等危險(xiǎn)惡劣 環(huán)境中應(yīng)用。另外由于光纖不僅是敏感元件，同時(shí)作為低損耗傳輸線，因而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè) 液位的遠(yuǎn)距離遙感。目前常用的光纖型液位傳感器主要有 強(qiáng)度反射型液位傳感器利用位于液體上方一對(duì)端面切割平坦并安裝微透鏡的 光纖分別發(fā)射和接收信號(hào)，通過對(duì)比液體表面反射光強(qiáng)度的差別來顯示液位高度的變化， 該傳感探頭容易受污染影響，測(cè)量精度和測(cè)量范圍較差。 連通器型光纖液位傳感器其工作原理是利用連通器將液位變化轉(zhuǎn)變?yōu)樘刂乒?纖如汞包層光纖包層長度的變化，雖可有效改善測(cè)量精度和測(cè)量范圍，但使用特制包層結(jié) 構(gòu)的光纖，不僅成本提高，還將加大與傳輸用普通光纖的連接困難。 法布里-珀羅型光纖液位傳感器其工作原理是利用不同液位高度對(duì)法布 里-珀羅腔產(chǎn)生壓強(qiáng)的不同來改變法布里-珀羅腔的長度，從而使干涉光條紋發(fā)生改變。這 種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，但其干涉檢測(cè)方式易受溫度、振動(dòng)等環(huán)境因素影響，長期穩(wěn) 定性惡化。 光纖光柵型液位傳感器一種是長周期光柵型，其諧振是基于具有擴(kuò)展消逝特 性的包層模間的耦合，諧振波長對(duì)液體變化敏感，不必特殊處理就可實(shí)現(xiàn)傳感功能；另一種 是布拉格光柵型，其諧振效應(yīng)產(chǎn)生于束縛纖芯基模間的耦合，通過側(cè)面研磨，包層腐蝕、鍍 熱電金屬膜等手段，將基模限制場(chǎng)引出形成擴(kuò)展消逝場(chǎng)同樣可對(duì)液體變化產(chǎn)生感應(yīng)。光纖 光柵型液位傳感器通常利用光柵諧振波長在液位變化時(shí)發(fā)生移動(dòng)的特性來實(shí)現(xiàn)液位監(jiān)測(cè)，例如中國實(shí)用新型專利專利號(hào)01265843. X和200320117647. X利用液體壓力變化引起彈性 膜片形變，從而導(dǎo)致粘貼于膜片上的光纖光柵諧振波長移動(dòng)來獲知液位信息。但是，長周期 光柵和布拉格光柵具有溫度、彎曲等交叉敏感性，當(dāng)周圍環(huán)境參量變化時(shí)光柵諧振波長也 將隨之移動(dòng)，從而使液位檢測(cè)產(chǎn)生較大誤差；而且光源和檢測(cè)器的波長漂移也會(huì)嚴(yán)重影響 液位檢測(cè)精度。另外，現(xiàn)有的光纖光柵型液位傳感器都是將光纖光柵直接放置于液體中，由 于液體污染物和水分子的侵入，光纖光柵性能很快惡化，需要頻繁更換傳感頭，導(dǎo)致液位監(jiān) 測(cè)的中斷和成本大大增加。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有光纖光柵液位傳感器在周 圍環(huán)境變化時(shí) 導(dǎo)致的液位檢測(cè)誤差，在光源、光檢測(cè)器波長漂移時(shí)產(chǎn)生的液位檢測(cè)精度降低，以及直接將 光纖光柵置于待測(cè)液體中，受污染物和水分子影響產(chǎn)生的性能惡化、傳感頭更換頻繁、成本 增加等問題，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、對(duì)液位變化感知靈敏度高的光纖光柵液位傳感
直O(jiān)本發(fā)明的技術(shù)方案是構(gòu)造一種基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位 傳感裝置，其組成部件包括寬帶光源、光譜分析儀、2X1耦合器和傳感主體。寬帶光源、光 譜分析儀分別與2X1耦合器的兩個(gè)分叉端口連接，2X1耦合器的一字端口連接傳感主體。傳感主體的構(gòu)成及其連接為錐形啁啾光纖光柵的一端與2X1耦合器的一字端 口連接并安裝在固定夾具上，錐形啁啾光纖光柵的另一端安裝在底部裝有滾珠的滑行夾具 上，兩夾具平行且安裝在隔振平臺(tái)上的直導(dǎo)軌上?；袏A具與非彈性繩的一端連接，非彈性繩的另一端連接在放置于待測(cè)液體箱中 的浮標(biāo)上，非彈性繩的中部支撐在固定于隔振平臺(tái)上的定滑輪上?；袏A具底部安裝滾珠 并能沿隔振平臺(tái)上的直導(dǎo)軌自由移動(dòng)。本發(fā)明的工作原理是基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感裝 置，充分利用了軸向應(yīng)變對(duì)錐形光柵各諧振波長影響不同的特性，巧妙利用定滑輪將液位 對(duì)浮標(biāo)縱向拉力的變化轉(zhuǎn)化為作用于光柵軸向應(yīng)變的變化，從而使液位與光柵反射譜帶寬 一一對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)利用帶寬檢測(cè)液位變化的新型傳感。當(dāng)液位上升或下降時(shí)，作用于浮標(biāo)上的 拉力發(fā)生變化，定滑輪將該拉力轉(zhuǎn)化為沿錐形啁啾光纖光柵的軸向應(yīng)力，由于錐形光纖各 部分橫截面不同，應(yīng)變隨光纖錐度減小而增加，啁啾光柵錐度小處的短諧振波長比錐度大 處的長諧振波長在應(yīng)變作用下移動(dòng)更快，從而導(dǎo)致光柵反射光譜展寬或變窄。通過測(cè)量光 柵反射光譜帶寬的變化，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)液位的傳感監(jiān)測(cè)。本發(fā)明的有益效果是這種基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感 裝置，由于在光源、檢測(cè)器波長漂移以及溫度等環(huán)境變化時(shí)，錐形啁啾光纖光柵的長諧振波 長和短諧振波長向同一方向的移動(dòng)量相等，采用表征長諧振波長與短諧振波長差值的反射 光譜帶寬作為監(jiān)測(cè)量，有效克服了環(huán)境因素對(duì)現(xiàn)有光纖光柵液位傳感器產(chǎn)生的交叉干擾， 提高了穩(wěn)定性和測(cè)量精度；另外由于傳感光纖光柵不與待測(cè)液體直接接觸，液體污染物和 水分子不會(huì)使光纖光柵性能產(chǎn)生惡化，避免了頻繁更換光柵傳感頭從而加大系統(tǒng)維護(hù)成本 的問題，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性價(jià)比更高的光纖光柵液位傳感裝置。


圖1為基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為液位上升時(shí)，利用本發(fā)明傳感裝置監(jiān)測(cè)到的錐形啁啾光纖光柵反射譜曲 線。圖3為液位下降時(shí)，利用本發(fā)明傳感裝置監(jiān)測(cè)到的錐形啁啾光纖光柵反射譜曲
線。圖4為液位變化與錐形啁啾光纖光柵反射譜帶寬的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。實(shí)施例一如圖1，一種基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感裝置的各器件 之間的連接寬帶光源1、光譜分析儀2分別連接2X1耦合器3的兩個(gè)分叉端口，2X 1耦合器 3的一字端口連接錐形啁啾光纖光柵4的一端；寬帶光源1采用摻鉺光纖放大器，光譜分析 儀2采用AND06317，錐形啁啾光纖光柵4制作在火焰熔融拉錐光纖上。火焰熔融拉錐光纖參數(shù)火焰移動(dòng)速度2. 5mm/s,拉錐長度=70mm ；光纖錐度直 徑從125 μ m變?yōu)?2 μ m，錐形啁啾光纖光柵4的參數(shù)為相位掩膜版中心周期537nm ；光柵寫入長度= 30mm,反射譜范圍為1553. 5 1557nm ；錐形啁啾光纖光柵4與2X 1耦合器3 —字端口連接的一端固定在夾具5上，錐形 啁啾光纖光柵4的另一端安裝在滑行夾具6上，兩夾具間距70mm，平行安裝在隔振平臺(tái)7上 的直導(dǎo)軌12上；非彈性繩10 —端連接在滑行夾具6上，非彈性繩10另一端連接在浮標(biāo)8上，非彈 性繩10的中部支撐在固定于隔振平臺(tái)7的定滑輪9上；浮標(biāo)的參數(shù)為端面圓半徑=5mm ； 高度=50mm。浮標(biāo)8放置于待測(cè)液體箱11中，液體初始高度定為液位“0”點(diǎn)。圖2為液位“0”點(diǎn)實(shí)線，液位上升IOmm點(diǎn)線和液位上升20mm虛線時(shí)，利用本發(fā)明 傳感裝置監(jiān)測(cè)到的錐形啁啾光纖光柵反射譜曲線，可見當(dāng)液位升高時(shí)，錐形啁啾光纖光柵 的反射譜帶寬增加。圖3為液位“0”點(diǎn)實(shí)線，液位下降IOmm點(diǎn)線和液位下降30mm虛線時(shí)，利用本發(fā)明 傳感裝置監(jiān)測(cè)到的錐形啁啾光纖光柵反射譜曲線，可見當(dāng)液位降低時(shí)，錐形啁啾光纖光柵 的反射譜帶寬減小。圖4為液位變化與錐形啁啾光纖光柵反射譜帶寬的關(guān)系圖，可見利用本發(fā)明所述 的光纖光柵液位傳感裝置，可獲得液位變化與反射譜帶寬之間一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系。該傳感裝置帶寬對(duì)液位敏感度=50pm/mm,測(cè)量范圍為[_30mm，+20mm]。實(shí)施例二如圖1，一種基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感裝置的各器件 之間的連接
寬帶光源1、光譜分析儀2分別連接2X1耦合器3的兩個(gè)分叉端口，2X 1耦合器 3的一字端口連接錐形啁啾光纖光柵4的一端；寬帶光源1采用LED，光譜分析儀2采用 AND06319，錐形啁啾光纖光柵4制作在氫氟酸腐蝕錐形光纖上。氫氟酸腐蝕錐形光纖的參數(shù)為氫氟酸腐蝕速度=1 U m/min ；光纖從氫氟酸每隔 5min 提升 5mm ；錐形啁啾光纖光柵的參數(shù)為相位掩膜版中心周期534nm;光纖錐度直徑從 125 u m變?yōu)?5 u m,長度=800mm,反射譜范圍為1548nm 1552nm ；錐形啁啾光纖光柵4與2X 1耦合器3 —字端口連接的一端固定在夾具5上，另一 端安裝在滑行夾具6上，兩夾具間距1000mm，平行安裝在隔振平臺(tái)7上的直導(dǎo)軌12上；非彈性繩10的一端與滑行夾具6連接，非彈性繩10的另一端連接在浮標(biāo)8上，非 彈性繩10的中部支撐在固定于隔振平臺(tái)7的定滑輪9上，浮標(biāo)的參數(shù)為長=50mm，寬= 50mm,高=1000mm ；浮標(biāo)8放置于待測(cè)液體箱11中，液體初始高度定為液位“0”點(diǎn)。該傳感裝置工作原理同實(shí)施例一，測(cè)量范圍=[-400mm, +400mm]。
權(quán)利要求
一種基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感裝置，包括寬帶光源(1)、光譜分析儀(2)、2×1耦合器(3)和傳感主體；寬帶光源(1)、光譜分析儀(2)分別與2×1耦合器(3)的兩個(gè)分叉端口連接，2×1耦合器的一字端口連接傳感主體；其特征在于，傳感主體的構(gòu)成及其連接錐形啁啾光纖光柵(4)的一端與2×1耦合器(3)的一字端口連接并安裝在夾具(5)上，錐形啁啾光纖光柵(4)的另一端安裝在滑行夾具(6)上；夾具(5)固定在隔振平臺(tái)(7)上的直導(dǎo)軌(12)上，滑行夾具(6)底部安裝滾珠并沿隔振平臺(tái)(7)上的直導(dǎo)軌(12)自由移動(dòng)；非彈性繩(10)一端連接在滑行夾具(6)上，非彈性繩(10)另一端連接在浮標(biāo)(8)上，非彈性繩(10)的中部支撐在固定于隔振平臺(tái)(7)的定滑輪(9)上；浮標(biāo)(8)放置于待測(cè)液體箱(11)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感 裝置，其特征是所述的寬帶光源(1)為摻鉺光纖放大器或LED或其它任何發(fā)射波長位于光 纖低損耗窗口的寬帶光源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感 裝置，其特征是所述的錐形啁啾光柵(4)所使用的光纖為火焰熔融錐、氫氟酸腐蝕錐、側(cè) 面研磨錐以及其它各種軸向具有錐形結(jié)構(gòu)的光纖。
全文摘要
一種基于反射光譜帶寬檢測(cè)的錐形啁啾光纖光柵液位傳感裝置，屬于光纖光柵傳感領(lǐng)域。該傳感裝置的寬帶光源(1)、光譜分析儀(2)分別與2×1耦合器(3)的兩個(gè)分叉端口連接。錐形啁啾光纖光柵(4)的一端與2×1耦合器的一字端口連接并固定在夾具(5)上，其另一端安裝在滑行夾具(6)上；夾具固定于隔振平臺(tái)(7)上的直導(dǎo)軌(12)上，滑行夾具底部安裝滾珠并能沿隔振平臺(tái)上的直導(dǎo)軌自由移動(dòng)。非彈性繩(10)一端安裝在滑行夾具上，非彈性繩另一端安裝在放置于待測(cè)液體箱(11)中的浮標(biāo)(8)上，非彈性繩的中部支撐在固定于隔振平臺(tái)的定滑輪(9)上。該傳感裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、對(duì)液位變化感知靈敏度高。
文檔編號(hào)G01D5/353GK101832808SQ20101014904
公開日2010年9月15日 申請(qǐng)日期2010年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月15日
發(fā)明者寧提綱, 盛曉娟, 董小偉, 裴麗, 趙瑞峰 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)