CN101718571A - 一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪 - Google Patents

Abstract

一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪，包括光源、光分路器、倾斜光纤光栅、光谱分析仪、光电探测器和连接用单模光纤；所述倾斜光纤光栅是利用相位掩模侧面辐射技术、在写制过程中将模板倾斜并通过准分子激光紫外写入载氢的单模光纤中制得；倾斜光纤光栅位于被测容器的液面处且倾斜光纤光栅的上端一定伸出被测容器的液面。本发明的优点是：该光纤液位变化测量仪采用倾斜光纤光栅传感器为传感元件，其集传统光纤光栅的优点与倾斜光纤光栅的本征特性于一体，具有成本低廉、制作工艺简单、精度高和重复性好等优点；此外耐高温、耐腐蚀、测量精度高、抗干扰，易复用，适合在各种折射率液体环境下进行直接连续的测量。

Description

一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪

技术领域

本发明属于光纤液位变化测量仪中的传感技术，特别是一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪。

背景技术

光纤光栅是一种新型的光子器件，它是在光纤中建立起的一种空间周期性的折射率分布，可以改变和控制光在光纤中的传播行为。倾斜光纤光栅是一种光栅栅面相对于光纤轴有一定倾斜角度的短周期光纤光栅。倾斜光纤光栅是利用特殊的写制方法，在光纤的纤芯内写入与光纤轴向成一定夹角的光栅，可以将特定波长范围的光从光纤纤芯耦合到光纤包层中。在单模光纤中，栅面的倾斜使前向传输的纤芯模与后向传输的包层模之间的耦合得以加强，而前向传输的纤芯模与后向传输的纤芯模之间的耦合被减弱，所以有两种耦合；并且反向传输的包层模衰减的很快，在反射谱中不能观测到。因此，在透射谱中有纤芯模和大量的包层模存在，其中，纤芯模对温度、应变等物理量非常敏感，而包层模则对环境的折射率非常敏感。

倾斜光纤光栅液位传感器的原理是基于包层模对外界折射率的敏感特性以及浸入长度对包层模耦合的影响情况实现的。由于倾斜光纤光栅对不同折射率的液体有不同的敏感特性，反应在包层模上是不同阶的包层模的情况不同。同时由于浸入液体的光栅长度对所有包层模耦合强度整体的影响不同，即随着光栅浸入深度的增加而增加，因此，可以根据包层模耦合强度的变化与光栅浸入深度的变化关系，测量并计算出被测液位的变化。

在现有的光纤液位测量技术中，对于各种环境下液位的感测是采用腐蚀后的布喇格光栅和长周期光纤光栅作为传感元件去实现的，前者降低了光栅本身的机械强度，后者有着内在的温度交叉敏感效应，在极易受到外界温度影响的环境里，降低了它的广泛应用性。因此，一定程度上限制了其应用范围。而倾斜光纤光栅避免了二者的缺点又同时具有二者的优点。目前尚未有采用倾斜光纤光栅传感器对各种液体的液位等信号感测及分析的方案。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在问题，提供一种机械强度高、温度交叉敏感效应小、测量精度高、重复性好、可以实现液位连续与直接测量且制作工艺简单、成本低廉的采用倾斜光纤光栅传感器的光纤液位变化测量仪。

本发明的技术方案：

一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪，包括光源、两个光分路器a、b、倾斜光纤光栅、光谱分析仪、两个光电探测器a、b和连接用单模光纤；光源通过单模光纤与光分路器a连接，光分路器a一端作为参考臂通过单模光纤与光电探测器a相连，另一端通过单模光纤分别与倾斜光纤光栅和光分路器b串联连接，光分路器b一端与光谱分析仪相连，另一端与光电探测器b相连；倾斜光纤光栅位于被测容器的液面处、不能水平放置且倾斜光纤光栅的上端一定伸出被测容器的液面。

所述光源采用扫描激光器或宽带光源，其波段能覆盖倾斜光纤光栅的波段。

所述倾斜光纤光栅是利用相位掩模侧面辐射技术、在写制过程中将模板倾斜并通过准分子激光紫外写入载氢的单模光纤中制得，该倾斜光纤光栅的周期均匀，其栅区长度为1CM-3CM，栅面倾斜角度为1-8度，倾斜光纤光栅的表面不需要进行任何结构处理。

本发明的测试原理：

处于空气中的倾斜光纤光栅中有两种不同的耦合存在：纤芯模的耦合、纤芯模与包层模之间的耦合，包层模的耦合不仅与纤芯模的有效折射率有关，还与包层模的有效折射率有关，而包层模的有效折射率又受到外界环境的影响，反应在透射谱上是：在不同的折射率溶液中有不同的耦合情况。同时浸入液体的光栅长度也影响到了包层模耦合强度的变化，由于倾斜光纤光栅一部分置于溶液中，一部分在空气中，所以这两部分各有不同的耦合，即：前者是纤芯模与辐射模的耦合，后者是纤芯模与包层模的耦合，随着浸入液体中长度的增加，由纤芯模与包层模的耦合逐渐的转变为纤芯模与辐射模的耦合而辐射掉，因此其耦合强度在逐渐的降低。根据能量守恒，T_辐射＝1-T_透射。对于具有不同折射率液体的液位检测，其耦合强度的减小趋势是一样的。只是由于不同液体的折射率不同，反应在透射光谱的不同阶包层模谐振波长所受的影响不一样。当处于折射率小的溶液中仅仅为高阶包层模受影响，而随着折射率的增大直至接近于包层折射率时，逐渐的低阶包层模也受影响。因此该传感器不仅可以实现对同一种液体的液位进行连续的检测，还可以实现对不同液面的间隔或者跃变进行辨别。由于在不同液位情况下，对包层模耦合的影响不同，从而倾斜光纤光栅透射功率的变化与液位的该变量将具有一定的函数关系。因此，通过计算其透射功率的变化实现对液位的测量。

对于具有一定折射率的液体，由于浸入液体中长度的增加不仅会导致包层模耦合强度减小，而且包层模的谐振峰也会向短波方向漂移。在以包层模谐振峰波长的漂移为参量时，包层模谐振波长的漂移和液位的改变量具有一定的函数关系，因此，可以通过谐振波长的变化来实现对液位的测量。液位的变化引起的波长漂移量比温度引起的波长漂移量大的多，但是为了能够准确地获得相应的液位变化值，需要对温度进行补偿。由于在对倾斜光纤光栅的研究中我们发现纤芯模与包层模具有相似的温度敏感性，我们可以通过检测倾斜光纤光栅的透射谱中包层模与纤芯模之间的间隔随液位变化的大小，从而确定液位这个传感参量。这样设计的光纤光栅液位传感器具有不受环境温度影响的优点。

本发明的有益效果是：该光纤液位变化测量仪采用倾斜光纤光栅传感器为传感元件，其集传统光纤光栅的优点与新型倾斜光纤光栅的本征特性于一体，具有成本低廉、制作工艺简单、可以实现液位连续并直接测量、精度高和重复性好的光纤液位传感器等优点；此外耐高温、耐腐蚀和光纤光栅型传感器测量精度高、小型化、抗干扰，易复用等特点于一身，适合在各种折射率液体环境下进行直接连续的测量。

附图说明

图1是该液位变化测量仪的结构示意图。

图中：1.光源    2-I、2-II.光分路器a、b    3.倾斜光纤光栅    4.被测容器5.光谱分析仪    6-I、6-II.光电探测器a、b    7.单模光纤

具体实施方式

实施例：

一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪，包括光源1、两个光分路器a、b 2-I、2-II、倾斜光纤光栅3、光谱分析仪5、两个光电探测器a、b6-I、6-II和连接用单模光纤7；光源1通过单模光纤7与光分路器a2-I连接，光分路器a2-I一端作为参考臂通过单模光纤7与光电探测器a6-I相连，另一端通过单模光纤7分别与倾斜光纤光栅3和光分路器b2-II串联连接，光分路器b2-II一端与光谱分析仪5相连，另一端与光电探测器b6-II相连；倾斜光纤光栅3位于被测容器4的液面处、不能水平放置且倾斜光纤光栅3的上端一定伸出被测容器4的液面。该实施例中，光源1采用工作波段为1530-1570nm的宽带光源；光分路器a、b 2-I、2-II采用型号为2*2的光耦合器，天津市金飞博光通讯技术有限公司生产；光谱分析仪的型号为AV6361，中国电子部41所生产；光电探测器的型号为zolix，北京卓立汉光仪器有限公司生产。倾斜光纤光栅3是利用相位掩模侧面辐射技术、在写制过程中将模板倾斜并通过准分子激光紫外写入载氢的单模光纤中制得，该倾斜光纤光栅3的周期均匀，其栅区长度为2CM，栅面倾斜角度为5度，倾斜光纤光栅3的透射谱中包层模谐振峰的范围为1530nm-1559nm，纤芯模的谐振峰为1561.5nm；单模光纤7采用1550nm波段的单模光纤。采用折射率为1.389的汽油作为被测容器4中能够改变液位的液体，将倾斜光纤光栅3垂直置于能够自由改变液位升降的被测容器4，浸没长度从零开始，然后慢慢注入液体以连续改变液位，用光谱仪检测透射谱的变化以及用光电探测器计算透射功率的变化。

Claims (3)

1.一种倾斜光纤光栅液位变化测量仪，其特征在于：包括光源、两个光分路器a、b、倾斜光纤光栅、光谱分析仪、两个光电探测器a、b和连接用单模光纤；光源通过单模光纤与光分路器a连接，光分路器a一端作为参考臂通过单模光纤与光电探测器a相连，另一端通过单模光纤分别与倾斜光纤光栅和光分路器b串联连接，光分路器b一端与光谱分析仪相连，另一端与光电探测器b相连；倾斜光纤光栅位于被测容器的液面处、不能水平放置且倾斜光纤光栅的上端一定伸出被测容器的液面。

2.根据权利要求1所述倾斜光纤光栅液位变化测量仪，其特征在于：所述光源采用扫描激光器或宽带光源，其波段能覆盖倾斜光纤光栅的波段。

3.根据权利要求1所述倾斜光纤光栅液位变化测量仪，其特征在于：所述倾斜光纤光栅是利用相位掩模侧面辐射技术、在写制过程中将模板倾斜并通过准分子激光紫外写入载氢的单模光纤中制得，该倾斜光纤光栅的周期均匀，其栅区长度为1CM-3CM，栅面倾斜角度为1-8度，倾斜光纤光栅的表面不需要进行任何结构处理。

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