基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头制造技术

本发明专利技术公开了一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头。本发明专利技术首次提出基于“包层模受抑全内反射(CMFTIR)效应”的液位传感原理，并成功应用。通过宏弯的方式，改变光纤内模场分布，增加了光纤中包层模式能量的占比，增强了CMFTIR效应；同时由于宏弯辐射效应，实现了两根光纤间的宏弯耦合；通过宏弯耦合的方式将传感信号转移至暗场，耦合过程增加了调制深度，同时在无源光纤内获得更高的包层模式能量占比，也进一步增强了CMFTIR效应；同时保证了耦合结构的稳定性和传感器的一致性，通过探测暗场信号有效提高信噪比，实现了低成本，低功耗，高性能的液位探头，区分度高于4dB。

【技术实现步骤摘要】
基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头
本专利技术涉及一种液位探头，具体涉及一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头。
技术介绍
在石油、化学化工生产领域，液体化工品的液位自动化检测是实现安全作业的重要保证；在飞机，轮船等运行过程中燃油液位的监测同样具有广泛的需求。目前，传统的液位检测手段主要有：机械浮子式、电容式，超声波式等。其中，机械浮子类电子类在自动化和精度上存在缺陷；电容式传感器由于引入电信号，在易燃易爆环境下使用存在一定安全隐患，且大量的信号连接线路非常容易受到电磁干扰；超声波液位传感器往往存在盲区，气泡，油-水界面反射等问题。基于光纤的液位传感器由于非电测量，抗腐蚀，免疫电磁干扰，在石油领域被广泛采用。现有的光纤液位传感器主要有尖端反射式和压强敏感式两类。其中尖端反射式主要有三种加工方法：直接对光纤端面抛光研磨出反射斜面，通过电弧拉伸制作反射斜面或者利用棱镜制作反射斜面，其加工难度高，加工一致性差。且其尖端易受污染，导致区分度变差，同时由于其敏感结构为光纤尖端，因此气体凝结而成的水滴会导致其发生误判。更关键的是该类型传感器鲁棒性差，极易损坏。压强敏感式液位传感器，主要包括，光纤光栅式，法布里珀罗式等，但由于需要光谱仪等复杂昂贵的探测仪器，其高昂的制作和信号探测成本使其很难在石油化工领域被大规模应用。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供了基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，解决了传统液位测量方法上稳定性差，精度低，鲁棒性差的问题，实现了低能耗、低成本的安全环保液位检测系统的特殊探头。本专利技术实现了基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，利用光纤宏弯效应的子效应--CMFTIR效应，实现光纤外界介质折射率对液位探头正向耦合端输出功率的调制作用。本专利技术对于液体液位进行深入研究，具有广阔的现实意义和应用价值。潜在应用领域为：军事、航空、安全、环境、医疗、化学工业等领域。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，包括有源光纤，包括P0端，用于连接LED光源；P1端，用于连接光功率计；无源光纤，包括P2端，用于连接光功率计；P3端用于连接光功率计；耐高温导线，用于固定光纤以减少错位引起的耦合功率变化，减少误差；更可以防止光纤因应力引起的断裂；所述有源光纤和无源光纤相互缠绕后整体弯曲形成双绞宏弯耦合环，所述耐高温导线紧密缠绕在所述宏弯耦合环上，所述有源光纤、无源光纤和耐高温导线通过塑胶管后，使用固定套灌注硅胶后固定，减轻了光纤受到外力应力变化引起不必要的误差。其中，所述LED光源用于为整个液位探头提供光源能量。其中，所述P1端是直通端，作为参考端口，P2端可参考P1端的功率变化，排除光源功率变化的影响。其中，所述P2端是正向耦合端，用于探测暗场信号实现液位检测。其中，所述P3端是反向耦合端。其中，所述有源光纤和无源光纤均采用包层薄，柔韧性好的塑料光纤。其中，本专利技术原创性的提出利用光纤“宏弯效应”实现两根裸光纤之间的暗场耦合，将其命名为“宏弯耦合”，且对暗场耦合原理给予解释，并首次给出了暗场耦合效率的定义；原创性的提出并阐释了“包层模受抑全内反射(CMFTIR)”液位检测原理，首次发现宏弯耦合系统可显著提高CMFTIR效应；首次提出TMBCS(双绞宏弯耦合结构)，有效增强了“宏弯暗场耦合效率”；首次利用宏弯耦合结构实现光纤内的暗场信号检测，获得了很好的信噪比。结构上：相较于以前的光纤液位探头，首次利用两根裸光纤相互缠绕，制作了TMBCS宏弯耦合结构。原理上，首次成功实现POF光纤宏弯暗场耦合，首次阐释了暗场耦合原理以及耦合系统对CMFTIR效应的增强效应，并且阐释了利用CMFTITR效应实现液位检测的原理。材料上，使用的是POF(塑料光纤，PlasticOpticalFiber)。封装上，在其应力敏感点上进行封胶，减少应力对液位探头的影响，保证稳固性。本专利技术具有以下有益效果：本专利技术首次提出基于“包层模受抑全内反射(CMFTIR)效应”的液位传感原理，并成功应用。通过宏弯的方式，改变光纤内模场分布，增加了光纤中包层模式能量的占比，增强了CMFTIR效应；同时由于宏弯辐射效应，实现了两根光纤间的宏弯耦合；通过宏弯耦合的方式将传感信号转移至暗场，耦合过程增加了调制深度，同时在无源光纤内获得更高的包层模式能量占比，也进一步增强了CMFTIR效应；通过双绞的方式提高了暗场耦合功率，增加了暗场信号的强度，同时保证了耦合结构的稳定性和传感器的一致性，通过探测暗场信号有效提高信噪比，解决了“光纤功率型传感器易受光源波动影响，传感信号极易淹没于光源噪声”的技术难题，同时制作实现了低成本，低功耗，高性能的液位探头，区分度高于4dB。附图说明图1为本专利技术实施例一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头的结构示意图。图2为本专利技术实施例一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头的系统整体框图。图3为本专利技术实施例一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头的原理图。图4为本专利技术实施例中手指轻触不同结构时，所产生的光功率下降量不同图。图5为本专利技术实施例一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头不同情况下的信噪比图。[主要元件符号说明]1、固定套；2、无源光纤；3、有源光纤；4、耐高温导线；5、宏弯耦合器；6、宏弯辐射。7、反向耦合光；8、正向耦合光；9、包层；10、周围介质。具体实施方式为了使本专利技术的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。如图1-2所示，本专利技术实施例提供了了一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，包括有源光纤3，包括P0端，用于连接LED光源；P1端，用于连接光功率计；无源光纤2，包括P2端，用于连接光功率计；P3端用于连接光功率计；耐高温导线4，用于固定光纤以减少错位引起的耦合功率变化，减少误差；更可以防止光纤因应力引起的断裂；所述有源光纤3和无源光纤2相互缠绕后整体弯曲形成宏弯耦合环，所述耐高温导线4紧密缠绕在所述宏弯耦合环上，所述有源光纤3、无源光纤2和耐高温导线4通过塑胶管后，使用固定套1灌注硅胶后固定，减轻了光纤受到外力应力变化引起不必要的误差。所述LED光源用于为整个液位探头提供光源能量。所述P1端是直通端，作为参考端口，P2端可参考P1端的功率变化，排除光源功率变化的影响。所述P2端是正向耦合端，用于检测液位。所述P3端是反向耦合端。如图3所示，所述有源光纤3和无源光纤2均采用三菱SK-40的塑料光纤，包层薄，柔韧性好。液位探头采用的是光纤宏弯耦合结构，光纤宏弯引起模场的畸变而在光纤外部空间内形成辐射光场，由于该辐射光场能量大大弱于光纤内部能量且与光源路径分开，因此称为暗场。暗场光在临近的同样弯曲的薄包层光纤内产生极化，其中小部分能量在邻近的光纤内重新分布，沿光纤轴同时形成向正、反两个方向传播的导模，实现了两根光纤之间的相互耦合。本专利技术利用该耦合机制实现液位传感器应用。而无源光纤中包层模式的能量占比更高，当光纤弯曲的时候，便会产生“包层模全内反射受抑”现象，使得无源光纤中的光发生泄漏。由于泄漏的光能量受到外界介质的折射率调制，其正向耦合端检测到的功率随本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，其特征在于，包括有源光纤，包括P0端，用于连接LED光源；P1端，用于连接光功率计；无源光纤，包括P2端，用于连接光功率计；P3端用于连接光功率计；耐高温导线，用于固定光纤以减少错位引起的耦合功率变化，减少误差；所述有源光纤和无源光纤相互缠绕后整体弯曲形成双绞宏弯耦合环，所述耐高温导线紧密缠绕在所述宏弯耦合环上，所述有源光纤、无源光纤和耐高温导线通过塑胶管后，使用固定套灌注硅胶后固定，减轻了光纤受到外力应力变化引起不必要的误差。

【技术特征摘要】
1.基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，其特征在于，包括有源光纤，包括P0端，用于连接LED光源；P1端，用于连接光功率计；无源光纤，包括P2端，用于连接光功率计；P3端用于连接光功率计；耐高温导线，用于固定光纤以减少错位引起的耦合功率变化，减少误差；所述有源光纤和无源光纤相互缠绕后整体弯曲形成双绞宏弯耦合环，所述耐高温导线紧密缠绕在所述宏弯耦合环上，所述有源光纤、无源光纤和耐高温导线通过塑胶管后，使用固定套灌注硅胶后固定，减轻了光纤受到外力应力变化引起不必要的误差。2.根据权利要求1所述的基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，其特征在于，所述LED...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘文怡，侯钰龙，苏珊，张会新，刘俊，熊继军，甄成方，张迦卫，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：山西;14