基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法，获取单模光纤、无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ，清除单模光纤和无芯光纤表面的涂覆层；将单模光纤Ⅰ的两端分别与无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ熔接在一起；获取宽谱光源装置和光谱仪，用另外的单模光纤将两根无芯光纤的两端与宽谱光源装置和光谱仪连接；将无芯光纤Ⅰ作为液位测量光纤，置于容器内；通过向容器内依次加入不同液位高度的液体，记录光谱仪在不同液位高度下透射峰强度值，并通过线性拟合得到相应计算公式后，通过相应数据得到待测液位高度。本发明专利技术通过结构简单，成本低廉的传感器对液位进行检测，不仅测量准确性高，另外还有着良好的抗光源光功率波动的性能，抗干扰能力强。

Detection method of intensity modulated liquid level sensor based on cascaded two coreless optical fibers

The invention discloses an intensity modulated liquid level sensor detection method based on the cascade of double coreless optical fibers, which obtains single-mode optical fiber, coreless optical fiber I and coreless optical fiber II, clears the coating layer on the surface of single-mode optical fiber and coreless optical fiber; fuses the two ends of single-mode optical fiber I with the coreless optical fiber I and the coreless optical fiber II respectively; obtains a wide spectrum light source device and spectrometer, and uses another single The mode fiber connects the two ends of the two coreless optical fibers with the wide spectrum light source device and the spectrometer; the coreless optical fiber I is used as the liquid level measuring optical fiber and placed in the container; by successively adding the liquid with different liquid levels into the container, record the transmission peak intensity value of the spectrometer at different liquid levels, and get the corresponding calculation formula through linear fitting, and then get the liquid to be measured through the corresponding data Bit height. The liquid level is detected by the sensor with simple structure and low cost, which not only has high measurement accuracy, but also has good anti light power fluctuation performance of the light source and strong anti-interference ability.

【技术实现步骤摘要】
基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法
本专利技术涉及一种液位传感领域，具体涉及一种基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法。
技术介绍
在石油化工领域，光纤液位传感器因为有着良好的抗腐蚀性，高灵敏度，无工作电流及防雷击而受到广泛的关注与研究。光纤液位传感器按光信号调制类型可分为相位调制型及强度调制型。相位调制型光纤液位传感器是通过测量传感器输出光谱波峰、波谷移动来获取液位信息。然而，相位解调装置是复杂昂贵的，这不利于传感器的大规模应用。而强度调制型传感器最大的优点是解调成本低。强度调制型液位传感器有：点式型、耦合型、微槽离散型、马赫曾德尔型、迈克尔逊型等。其中，点式与微槽离散型液位传感器不能连续测量，光纤表面刻槽会降低传感器的鲁棒性，这限制了它们的应用。耦合型传感器由于其结构的特殊性，在小范围内的传感器液位响应值线性度较低，不利于其在精确测量中的应用，且环境温度变化对传感器的影响没有得到较好的解决。
技术实现思路
针对上述现有技术的不足，本专利技术所要解决的技术问题是：如何提供一种成本低廉，检测效果好，受外界影响小的基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法。为了解决上述技术问题，本专利技术采用了如下的技术方案：一种基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法，包括以下步骤：(1)获取单模光纤Ⅰ、无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ，单模光纤Ⅰ的长度大于35mm，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ的长度均为N倍于(56.5mm～60mm)，N为大于1的整数，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ均清除其表面涂覆层；(2)将单模光纤Ⅰ的两端分别与无芯光纤Ⅰ的一端和无芯光纤Ⅱ的一端熔接在一起；(3)获取宽谱光源装置和光谱仪，宽谱光源装置的输出端通过单模光纤Ⅱ与无芯光纤Ⅰ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接连接，无芯光纤Ⅱ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接有单模光纤Ⅲ与光谱仪的输入端连接；(4)将无芯光纤Ⅰ作为液位测量光纤，置于容器内，使其呈竖直状态固定在容器内，并且使无芯光纤Ⅰ与单模光纤Ⅰ熔接的一端作为基准端与容器零液位对齐；(5)向容器内依次加入不同液位高度的液体，记录光谱仪在不同液位高度下透射峰强度值，并通过线性拟合得到y＝a+bx，即x＝(y-a)/b,其中y为光谱仪输出透射峰强度值，a为零液位下光谱仪输出透射峰强度值，b为灵敏度系数，x为液位值；(6)将测量光纤安装在待检测液体容置容器中，并测量获得光谱仪输出透射峰强度值，代入公式x＝(y-a)/b得到液位高度值。综上所述，本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过结构简单，成本低廉的传感器对液位进行检测，不仅测量准确性高，另外还有着良好的抗光源光功率波动的性能，抗干扰能力强。附图说明为了使专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术作进一步的详细描述，其中：图1为本专利技术实施例中液位测试示意图；图2为本专利技术实施例中传感臂在水中液位0mm、5mm、10mm、15mm和20mm测量输出光谱图；图3为本专利技术实施例中传感臂在水中液位25mm、30mm、35mm和40mm测量输出光谱图；图4为本专利技术实施例中传感臂在水中液位45mm和50mm测量输出光谱图；图5为本专利技术实施例中传感臂在水、5％NaCl和10％NaCl水溶液中液位测量相对值图；图6为本专利技术实施例中传感臂在10％、30％、50％、70％、90％及100％光功率下相对强度值变化图；图7为本专利技术实施例中传感臂在25-80℃下输出值变化图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步的详细说明。本具体实施方式中的基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法，包括以下步骤：(1)获取单模光纤Ⅰ、无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ，单模光纤Ⅰ的长度大于35mm，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ的长度均为N倍于(56.5mm～60mm)，N为大于1的整数，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ均清除其表面涂覆层；(2)将单模光纤Ⅰ的两端分别与无芯光纤Ⅰ的一端和无芯光纤Ⅱ的一端熔接在一起；(3)获取宽谱光源装置和光谱仪，宽谱光源装置的输出端通过单模光纤Ⅱ与无芯光纤Ⅰ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接连接，无芯光纤Ⅱ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接有单模光纤Ⅲ与光谱仪的输入端连接；另外，在具体实施的时候，还可以用光电探测器代替光谱仪。(4)将无芯光纤Ⅰ作为液位测量光纤，置于容器内，使其呈竖直状态固定在容器内，并且使无芯光纤Ⅰ与单模光纤Ⅰ熔接的一端作为基准端与容器零液位对齐；(5)向容器内依次加入不同液位高度的液体，记录光谱仪在不同液位高度下透射峰强度值，并通过线性拟合得到y＝a+bx，即x＝(y-a)/b,其中y为光谱仪输出透射峰强度值，a为零液位下光谱仪输出透射峰强度值，b为灵敏度系数，x为液位值；(6)将测量光纤安装在待检测液体容置容器中，并测量获得光谱仪输出透射峰强度值，代入公式x＝(y-a)/b得到液位高度值。光由单模光纤进入无芯光纤中，激发一系列高阶模式，由于单模光纤与无芯光纤对芯熔接，只激发一阶线性偏振模LP0m，传播一定距离后，无芯光纤中的光场分布呈现出与输入场相同的自映像。自映像距离可近似表示为：其中，q为自映像数，a为无芯光纤直径，nco为无芯光纤折射率，λ为自由空间光波长，V为无芯光纤的归一化频率，V由下式给出，其中，ncl为无芯光纤包层(外部环境)折射率。在无芯光纤长度一定的情况下，只有特定波长λ可以有效耦合进单模光纤纤芯中，光波长偏离λ的光会产生损耗。这使得无芯光纤具有带通滤波效应。两无芯光纤级联时，无芯光纤Ⅰ的输入场为单模光纤引入的宽谱光源光场，无芯光纤Ⅰ的输出场为对输入场的带通滤波；无芯光纤Ⅱ的输入场为无芯光纤Ⅰ输出场，无芯光纤Ⅱ输出场可表示为无芯光纤Ⅰ与无芯光纤Ⅱ对光源输入场的两次带通滤波，最终输出光强I可表示为：I＝∫L(λ)N1(λ-Δλ)N2(λ)dλ(3)其中，L(λ)为光源功率谱密度函数，Δλ为液位值变化时，无芯光纤Ⅰ透射峰波长变化量。N1(λ)与N2(λ)分别为无芯光纤Ⅰ与无芯光纤Ⅱ在空气中的滤波器函数。通过光束传播法(BPM)模拟了无芯光纤的自映像距离，仿真所使用参数：自由空间波长1550nm，无芯光纤折射率为1.444，无芯光纤直径为125μm，无芯光纤长度为62mm。由模拟结果可知，在1500nm、1550nm及1600nm光波长下，无芯光纤的第一自映像距离分别为60.621mm、58.676mm和56.693mm，光波长每增加约25.46nm，自映像距离缩短1mm。如图1所示，光由宽带光源发出，在耦合器处分为能量比为10％：90％的两束光，90％的光进入传感臂，10％的光进入参考臂，最后两束光分别进入光谱仪。传感臂由导光单模光纤、无芯光纤Ⅰ(长约58.8mm)和无芯光纤Ⅱ(长约58.3mm)组成，无芯光纤Ⅰ与无芯光纤Ⅱ之间的单模光纤应当足够长以消除包层模式。参考臂由导光单模光纤与无芯光纤Ⅲ(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法，其特征在于：包括以下步骤：/n（1）获取单模光纤Ⅰ、无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ，单模光纤Ⅰ的长度大于35mm，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ的长度均为N倍于（56.5mm～60mm），N为大于1的整数，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ均清除其表面涂覆层；/n（2）将单模光纤Ⅰ的两端分别与无芯光纤Ⅰ的一端和无芯光纤Ⅱ的一端熔接在一起；/n（3）获取宽谱光源装置和光谱仪，宽谱光源装置的输出端通过单模光纤Ⅱ与无芯光纤Ⅰ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接连接，无芯光纤Ⅱ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接有单模光纤Ⅲ与光谱仪的输入端连接；/n（4）将无芯光纤Ⅰ作为液位测量光纤，置于容器内，使其呈竖直状态固定在容器内，并且使无芯光纤Ⅰ与单模光纤Ⅰ熔接的一端作为基准端与容器零液位对齐；/n（5）向容器内依次加入不同液位高度的液体，记录光谱仪在不同液位高度下透射峰强度值，并通过线性拟合得到y=a+bx，即x=(y-a)/b,其中y为光谱仪输出透射峰强度值，a为零液位下光谱仪输出透射峰强度值，b为灵敏度系数，x为液位值；/n（6）将测量光纤安装在待检测液体容置容器中，并测量获得光谱仪输出透射峰强度值，代入公式x=(y-a)/b得到液位高度值。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于双无芯光纤级联的强度调制型液位传感检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）获取单模光纤Ⅰ、无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ，单模光纤Ⅰ的长度大于35mm，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ的长度均为N倍于（56.5mm～60mm），N为大于1的整数，无芯光纤Ⅰ和无芯光纤Ⅱ均清除其表面涂覆层；
（2）将单模光纤Ⅰ的两端分别与无芯光纤Ⅰ的一端和无芯光纤Ⅱ的一端熔接在一起；
（3）获取宽谱光源装置和光谱仪，宽谱光源装置的输出端通过单模光纤Ⅱ与无芯光纤Ⅰ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接连接，无芯光纤Ⅱ远离单模光纤Ⅰ的一端熔接有单模光纤Ⅲ...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯文林，杨晓占，冯德玖，李邦兴，
申请(专利权)人：重庆理工大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50