CN109974814B

CN109974814B - 基于多模干涉低温度响应迈克尔逊液位传感器及测量方法

Info

Publication number: CN109974814B
Application number: CN201910292656.8A
Authority: CN
Inventors: 冯文林; 冯德玖; 杨晓占; 苏萍; 刘敏
Original assignee: Chongqing University of Technology
Current assignee: Chongqing University of Technology
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2021-05-04
Anticipated expiration: 2039-04-12
Also published as: CN109974814A

Abstract

本发明公开了一种新型基于模间干涉原理的迈克尔逊光纤液位传感器；传感器由传光单模光纤SMF1、无芯光纤NCF和传感单模光纤SMF2熔接而成。输入光在SMF1‑NCF界面激发高阶模式；在NCF‑SMF2界面，一部分光耦合进SMF2纤芯，一部分耦合进SMF2包层。两部分光经过银镜的反射重新进入NCF形成模间干涉，最后由SMF1‑NCF界面耦合进SMF1。仿真及实验证实，SMF2包层的模式能量分布与NCF中的模式能量分布相似，这一特性导致传感器两个传感区域部分的液位灵敏度高度一致。传感器结构简单紧凑，成本低廉，操作灵活，具有较高应用前景。

Description

基于多模干涉低温度响应迈克尔逊液位传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及液位传感器技术领域，特别涉及一种基于多模干涉低温度响应的迈克尔逊液位传感器。

背景技术

在工农业生产生活中，液位的监测具有重要的意义。在石油、化工等易燃易爆的环境下，电容式、电阻式、磁致伸缩式、超声波式传感器都存在着各种缺陷，不能满足测量需求。光纤传感器拥有抗电磁干扰能力强、无工作电流、灵敏度高、能在高温腐蚀环境中工作等优点。光纤传感器被广泛用于温度、振动、压力、电流、气体、液位等领域的测量。在测量易燃、易爆及腐蚀性液体时，光纤液位传感器受到了广泛关注。目前光纤液位传感器发展出很多种类，如离散点式型、光纤光栅型、光功率调制型、机械结构辅助型等。这些传感器存在着测量范围单一、线性度不高、稳定性较差或结构复杂的缺点。

光纤迈克尔逊干涉传感器相比于马赫-曾德尔传感器和萨格拉克型传感器，它的结构更加紧凑，可以对狭小空间进行探测，相比于法布里-珀罗传感器，它的制造程序更加简单，加工难度更小。这些特点使得迈克尔逊光纤传感器受到了广泛关注和研究。XiaoLiang等采用椭圆双模光纤作为耦合器和高阶模式滤除器构成一个迈克尔逊传光纤液位传感器，传感器灵敏度小于48.93pm/mm。Shao Min等将细芯光纤直接与单模光纤熔接得到了一种结构简单的迈克尔逊光纤液位传感器，它的灵敏度为-129pm/mm且温度串扰较高(38pm/℃)。这些结构灵敏度不高，温度串扰的问题也没有得到好的解决。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于多模干涉低温度响应的迈克尔逊液位传感器，该传感器结构简单紧凑，成本低廉，操作灵活，具有较高应用前景。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的基于多模干涉低温度响应迈克尔逊液位传感器，包括第一单模光纤、无芯光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤和无芯光纤一端连接，所述无芯光纤的另一端和第二单模光纤连接；所述第二单模光纤的另一端面镀上设置有反射膜。

进一步，所述反射膜为银膜、金膜、镍膜或铝膜。

进一步，所述第二单模光纤的包层的模式能量分布与无芯光纤中的模式能量分布相同或相似。

进一步，所述第一单模光纤与无芯光纤对芯连接；所述第二单模光纤与无芯光纤对芯连接。

进一步，所述第一单模光纤和无芯光纤的连接采用光纤熔接机进行熔接完成；所述无芯光纤和第二单模光纤的连接采用光纤熔接机进行熔接完成。

进一步，所述无芯光纤的长度范围为14.8-15.2mm。

进一步，所述第二单模光纤的长度为28-32mm。

进一步，所述无芯光纤长度与第二单模光纤长度比0.3-0.6。

本发明还提供了一种利用迈克尔逊液位传感器进行液位测量方法，包括以下步骤：

将迈克尔逊液位传感器与光纤环形器连接；

环形器连接光源与光谱仪；

将迈克尔逊液位传感器垂直设置于待测容器中；

获取迈克尔逊液位传感器在待测容器中的光谱图；

获取光谱图中波谷值；

根据波谷值获取检测容器中液位值。

进一步，所述波谷值按照以下公式计算：

其中，λ'_c为检测波谷最低处波长值，N为正整数，L为NCF与SMF2长度和，L_air为传感器传感部分在空气中的长度，L_liquid为传感器浸没于水中的长度

分别为光纤在空气部分与在液体部分某两个高阶模式的有效折射率。

本发明的有益效果在于：

本发明提供的新型基于模间干涉原理的迈克尔逊光纤液位传感器，将一段无芯光纤(NCF)熔接在两段单模光纤中间。前端单模(SMF1)为输入光与输出光的传导光纤，后端单模光纤(SMF2)端面镀银膜。当光从SMF1进入NCF时，激发高阶模式，在NCF-SMF2界面耦合进SMF2中，一部分光耦合进SMF2纤芯，一部分耦合进SMF2包层，纤芯模与包层模被银膜反射再次经过两处无芯-单模界面完成两次耦合后形成模间干涉输出，即两部分光经过银镜的反射重新进入NCF形成模间干涉，最后由SMF1-NCF界面耦合进SMF1；通过仿真与实验，对NCF及SMF2长度进行探究并得到了NCF及SMF2的最佳长度分别为14.8-15.2mm，30mm。NCF长度在14.8-15.2mm范围内，NCF与SMF2在液位传感实验中有十分相似的传感特性，在15-90℃范围内，当NCF长度与SMF2长度比L_ncf:L_smf2≈0.5时，传感器表现出对温度不敏感的特性。在0-44mm液位范围内，在水、5％NaCl、10％NaCl、15％NaCl水溶液中液位灵敏度分别为0.21616、0.23242、0.25341、0.27687nm/mm，折射率灵敏度为2223.5658pm/mm/RIU。传感器干涉条纹清晰，结构简单，液位灵敏度高，线性拟合度好，温度灵敏度低，在易燃易爆领域有一定的应用前景。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为传感器结构示意图。

图2为液位和温度试验装置图。

图3为不同长度SMF2光谱图。

图4为液位测量试验效果示意图。

图5为传感器温度灵敏度测试效果示意图。

图中：1为第一单模光纤，2为第二单模光纤，3为无芯光纤，4为反射膜；21为光源，22为光纤环形器，23为光谱仪，24为玻璃片，25为温度计，26为液位实验，27为温度实验，28为隔热层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，图1为传感器结构示意图；本实施例提供的一种新型基于模间干涉原理的迈克尔逊光纤液位传感器；基本原理如下：

本传感器由一段单模光纤(SMF1)熔接一段无芯光纤(NCF)再熔接一段单模光纤(SMF2)组成，SMF2右端面镀上银膜，增加反射率。本实施例提供的单模光纤(SMF1)为第一单模光纤，单模光纤(SMF2)为第二单模光纤，无芯光纤(NCF)为无芯光纤。

当光由SMF1进入NCF时，由于模场直径失配，在SMF1与NCF的界面产生模式激发，多种高阶模式LP_lm进入NCF中传播，当单模光纤与无芯光纤对芯连接时，只激发线性圆偏振模LP_0m(m为正整数)。在NCF与SMF2界面上，无芯光纤中的光一部分进入SMF2的纤芯中传播，形成纤芯模式，一部分进入SMF2包层中传播，形成包层模式，两种模式的光在SMF2右端面被银膜反射再次进过SMF2的纤芯与包层模耦合进无芯光纤中从而产生干涉，基本原理具体如下：

当光由SMF1进入NCF时，在边界处，初始光场可看做一系列圆偏振模的叠加：

其中，E(r,0)为SMF1与NCF界面的分界面的初始光场。φ_m(r)为第m阶LP_0m模式。r为无芯光纤半径，C_m为各阶高阶模的激励系数，它可以被表示为：

无芯光纤中，传播距离z处横截面处光场为：

其中，β_m是第m阶LP_0m模式的传播常数。光纤中各个高阶模式的传播常数β_m不同，这将导致不同模式的光在传播过程中产生相位差ΔΦ。光经过银膜的反射两次通过NCF及SMF2，共传播了Z＝2L(L为NCF和SMF2长度之和)距离。所以在SMF1-NCF界面处形成干涉条件的光程差可表示为：

其中，N为正整数，

和

为不同模式有效折射率。由此，可以得到干涉相长(N为偶数)和干涉相消(N为奇数)时的波长：

当外界折射率环境改变时，光纤中各个传输模式的纵向传播常数和有效折射率发生不同改变，从而引起模式间光程差的改变，由(5)式可知，λ_c产生移动。外界折射率环境与λ_c是唯一对应的。

当传感器被用来测量液位时，一部分传感器置于空气之中，一部分传感器置于被测液体中。传感器同时受到了空气和液体两种折射率环境的调制，调制后的波长λ'_c可表示为：

光纤中高阶模式之间有效折射率差值随外部环境折射率增大而增大；当传感器逐渐浸入液体中时，λ'_c将向长波段移动。此理论适用于无芯光纤传感部分，本实施例的传感器的传感部分由NCF和SMF2组成，在后面的仿真和实验中，证实单模光纤部分(SMF2)与无芯光纤在液位及折射率测量中表现出十分近似的特性。因此，此理论也可以作为本实验中的近似理论。

本实施例还提供了仿真实验过程，具体如下：

仿真实验采用光束传播法(BPM)，仿真中心波长为1550nm，背景折射率n为1。在一些研究当中，短长度的NCF被用作单纯的模式激发器和耦合器，本实施例设计了一个NCF长度为3mm的传感器组(A组)、单独NCF组(B组，L_ncf＝45mm)和实验组(C组，L_ncf＝14.8-15.2mm)进行对照仿真或实验。在A、B、C组中，SMF1的长度都为2.5mm，SMF2长度均为30mm。仿真参数如表1所示。

表1仿真参数

仿真结果表明，A传感器在NCF-SMF2界面处(Z＝3mm，所有距离Z皆以SMF1-NCF界面为起点)能量大部分靠近纤芯，进入SMF2包层能量较少，SMF2包层中能量分布规律性较差。在实验探索过程中发现A传感器在测量液位时，灵敏度低，折射率或液位的改变使得输出光谱呈现不规律变化，不能用于液位和折射率测量。C传感器在NCF和SMF2中高阶模式与B组有非常相似的分布。C传感器在NCF-SMF2界面附近(Z＝14.8-15.2mm)横截面模场(XZ)的分布结果显示，光场在此处的大部分能量集中于光纤***，这使得更多的能量耦合进SMF2包层中，呈现出相似的包层模式能量分布。因此，本实施例采用C传感器进行实验。

本实施例的提供的实验在室温(20℃)下进行，采用C传感器进行实验，传感器液位及温度测量装置如图2所示。传感器各部分的熔接用光纤熔接机完成，采用银镜反应对SMF2端面镀反射膜。激光光源发出的光经过光纤环形器到达传感探针，传感探针反射回的光经过环形器到达光谱仪(OSA)。传感器平行固定于刻度尺上，传感器末端与刻度尺零刻度线重合，传感器与刻度尺之间通过载玻片隔离以防止光纤与刻度尺接触，影响光谱结果。将刻度尺固定于铁架台上，使其垂直向下置于烧杯之中。

如图2所示，图2为液位和温度试验装置图，在仿真中，优化确定了NCF的长度应该选择14.8-15.2mm范围，实际操作中，由于加工误差，NCF长度也在这个范围内。对于SMF2的长度对照了30mm与50mm在空气中的实验光谱图(NCF长度约为15mm)。

如图3所示，图3为不同长度SMF2光谱图，相比于30mm长度，50mm长度带来了更小的自由光谱区和更小的波谷对比度，这都将影响传感器的应用范围。因此我们选取30mm长度的SMF2作为传感部件，C传感器光谱有三个主要波谷，这里选择dip2(波谷2)作为监测波谷。

如图4所示，图4为液位测量试验效果示意图，图4中的a表示C传感器dip2波谷随液位变化；图4中的b表示C传感器在折射率分别为1.3333、1.3424、1.351、1.3609溶液中的液位灵敏度；图4中的c表示C传感器的液位/折射率灵敏度；图4中的d表示C传感器在空气中0-75min稳定性测试，在液位测量试验中，配置了水、5％NaCl、10％NaCl和15％NaCl水溶液，它们对应的折射率分别是1.3333、1.3424、1.3510、1.3609。将溶液缓慢加入烧杯中，以溶液表面刚好接触传感器顶端为零点，每两毫米记录一次光谱数据，测量范围为0-44mm。一种溶液测量完毕后，将传感器和烧杯用去离子水清洗干净，烘干再测量下一组溶液。实验结果分别如图4中的a可以看出，传感器特征波谷呈现出红移。如图4中的b可知传感器液位灵敏度分别为0.21616、0.23242、0.25341、0.27687nm/mm。从图4中的b可知折射率灵敏度为2223.5658pm/mm/RIU，线性拟合度R²为0.99327。传感器灵敏度高，在传感器的0-15mm(NCF)和15-44mm(SMF2)，传感器表现出高的线性拟合度(R²＞0.99)，结合前面的仿真可证明这个结构中NCF与SMF2的液位传感器性能是一致的。

传感器在稳定环境下，传感器的重复性也是评价传感器性能标准之一。将C传感器置于空气中，保持室内温度恒定，工作台平稳无振动，每五分钟记录一次数据，测量区间为0-75min。实验结果如图4中的d所示，传感器最大频谱漂移约为10.61pm。传感器产生漂移的原因可能是来自于光源与光谱仪内部波动的影响。

在温度特性测量试验中，将A、C传感器和温度计分别置于有隔热层的烧杯中，隔热层的作用是减缓热水温度的下降速度，减轻热水降温过程中水的对流强度，使传感器能在较为稳定的液体环境中工作。将沸水加入烧杯之中，直至完全浸没传感器。以90℃为起点，每5℃记录一次光谱数据，测量区间为90℃-15℃。

测量结果如图5所示。图5为传感器温度灵敏度测试效果示意图，其中，分别为A、C传感器温度灵敏度测试效果示意图，由图中可以看出，A传感器温度灵敏度较高，为57.57pm/℃，波谷值最大变化幅度约为4.45nm。它可用于温度传感器，但不适于折射率测量。C传感器在15-90℃温度范围内，波谷值最大变化量仅为0.1nm，波谷频谱漂移呈现很低的线性度，因此相对于传感器的液位灵敏度(＞200pm/mm，如图4中的c所示)，在测量区间内，C传感器对温度不敏感。C传感器对温度不敏感的原因可能是当温度变化时，NCF与SMF2对光纤内部模式的调制效果相反。C传感器波谷值呈现波动的原因可能是在热水降温过程中，液体内部有较强的对流，水的对流扰动光纤和光源及光谱仪本身的波动共同影响实验结果，且这些因素相对于A传感器较高温度灵敏度而言影响不大。

对于B类型传感器的液位和温度试验，现有技术中已经有研究，B传感器温度灵敏度为＜38.7pm/℃，它用于液位测量时仍然需要进行温度补偿，这提高了解调难度和***成本，因此C传感器相对于B传感器具有优势。

综上所述，本实施例提供的迈克尔逊光纤液位传感器中无芯光纤NCF与第二单模光纤SMF2的最佳长度分别约为15±0.2mm、30mm。NCF长度为15±0.2mm时，传感部分的单模光纤(SMF2)与NCF表现出一致的液位灵敏度，使得最终数据线性拟合度较高。这种特性源自于特定长度范围NCF能够将更多的能量传输进单模光纤包层中，使得单模光纤包层的模式分布与NCF十分相似，这种现象可以对光纤模式耦合器的参数选择提供一定的参考。传感器折射率灵敏度较高，为2223.5658pm/mm/RIU，RIU表示折射率单位，同时，当NCF长度与SMF2长度比L_ncf:L_smf2≈0.5时，传感器温度灵敏度很低。这种特性可以简化目前为了消除温度影响较为普遍的光纤光栅双参数测量法传感器结构，降低***成本。传感器结构简单，成本低廉，在加工容易，拥有较高的液位/折射率灵敏度以及相对低的温度灵敏度。其在易燃易爆、有毒的石油化工领域有潜在的应用前景。

实施例2

本实施例利用基于多模干涉低温度响应的迈克尔逊液位传感器对液位进行检测，具体步骤如下：

将一段单模光纤(SMF1)一端与无芯光纤(NCF)的一端熔接，无芯光纤另一端与另一单模光纤(SMF2)熔接，在SMF2另一端镀上金属反射层(银、金、镍、铝等)。SMF1为传光光纤，当NCF长度与SMF2长度比为L_ncf:L_smf2≈0.5，此比例能保证传感器的温度串扰低。

对传感器传输光场进行仿真，根据仿真结果显示，NCF中光场分布呈现周期性变化，NCF长度选取在内部光场强度周期性分布远离光纤轴心处，这使得更多的能量耦合进SMF2包层中，传感器输出光谱更加稳定，SMF2与NCF在液位测量中表现出高度一致性。

将传感器与光纤环形器连接，环形器连接光源与光谱仪；

将传感器垂直置于待测容器中，根据传感器光谱图中某一干涉波谷的最低处波长值来检测容器中液位变化。当液位变化时，干涉波谷的波长值呈现线性变化。

如图4中的a那样，波谷最低处横坐标的变化与容器中液体高度呈线性关系，液体高度变化，波谷值也发生变化，两者为一一对应的，传感器被不同高度液体浸没时，传输光谱会发生改变，通过传输光谱与容器中液体液位高度一一对应的关系来检测液位。

检测波谷值按照以下公式计算：

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.基于多模干涉低温度响应迈克尔逊液位传感器，其特征在于：包括第一单模光纤、无芯光纤和第二单模光纤；所述第一单模光纤和无芯光纤一端连接，所述无芯光纤的另一端和第二单模光纤连接；所述第二单模光纤的另一端面镀上设置有反射膜；

所述无芯光纤NCF长度与第二单模光纤SMF2长度比满足以下条件：L_ncf:L_smf2≈0.5；

所述第一单模光纤与无芯光纤对芯连接；所述第二单模光纤与无芯光纤对芯连接；

所述第一单模光纤和无芯光纤的连接采用光纤熔接机进行熔接完成；所述无芯光纤和第二单模光纤的连接采用光纤熔接机进行熔接完成；

所述无芯光纤的长度范围为14.8-15.2mm；

所述第二单模光纤的长度为28-32mm。

2.如权利要求1所述的基于多模干涉低温度响应迈克尔逊液位传感器，其特征在于：所述反射膜为银膜、金膜、镍膜或铝膜。

3.如权利要求1所述的基于多模干涉低温度响应迈克尔逊液位传感器，其特征在于：所述第二单模光纤的包层的模式能量分布与无芯光纤中的模式能量分布相同或相似。

4.利用如权利要求1至3中任一项所述的迈克尔逊液位传感器进行液位测量方法，其特征在于：包括以下步骤：