一种多齿型结构的塑料光纤液位传感器及其制备方法与流程

本发明属于光纤传感技术领域，具体涉及一种多齿型结构的塑料光纤液位传感器。

背景技术：

液位测量广泛应用于生产生活中的诸多领域，从简单的水箱、油箱液位高度的测量，到易燃易爆的大型储油罐液位的实时监测，以及江河湖泊的水位监测等等。与传统的电学液位传感技术相比，光纤液位传感技术具有抗电磁干扰、响应速度快、可远程操作、耐腐蚀、安全性高等优点，其可以应用于一些危险的环境当中，得到了人们的广泛研究。目前绝大部分的光纤液位传感器都是在石英光纤上实现的。如申请(专利)号CN201310206911.5“保偏光纤布拉格光栅液位传感器”是把液位变化量转换为布拉格光栅的扭转量来进行液位测量的，其所采用的光纤布拉格光栅的制备工艺复杂，成本较高；如在申请号201010518132.5“光子晶体光纤液位传感器及其形成的传感系统”中，利用单模光纤、光子晶体光纤和反射膜所构成的光纤迈克尔逊干涉仪来实现液位传感，其制备仍然较复杂。此外，上述光纤液位传感器均需使用光谱仪进行测量，不仅不利于传感器的集成化，而且测试成本较高。

与石英光纤相比较，塑料光纤具有价格低廉、柔韧性好、可见光操作，并且易于光纤结构的修饰和改造等优点，十分有利于液位传感功能器件的实现。此外，商用塑料光纤的芯径较大，其与光源的耦合对准非常容易，是实现结构简单、价格低廉液位传感探头的理想光纤。申请号CN200610109312.1“模式泄漏式光纤液位传感器”就提出了一种泄露式的塑料光纤液位传感器，但其未给出光纤液位传感器件的制备方法。

技术实现要素：

本发明提供一种结构简单、制备方便易生产、成本低廉的多齿型结构塑料光纤液位传感器及其制备方法。

一种多齿型结构的塑料光纤液位传感器，其由光源、多齿型结构塑料光纤探头、光电检测装置以及显示单元组成，该多齿型结构的塑料光纤液位传感探头是采用压模成型的方法在塑料光纤上制备出的。传感探头的具体制备步骤如下：

1)将塑料光纤放置于钢制的具有多齿型结构的模具上面，使用夹具对塑料光纤施加压力，在压力的作用下，在塑料光纤上会形成沿中心轴线分布的多齿型结构。

2)然后利用热定型的方法将没有多齿型结构的塑料光纤部分进行弯曲，形成液位传感光路的回路。这个过程需要将塑料光纤绕在一个加热至75～95℃的圆柱形钢柱上，之后在光纤的两端施加2～7N的拉力，为避免弯曲损耗，光纤的弯曲半径需大于5倍的光纤直径。可以通过使用不同直径的圆柱形钢柱来改变塑料光纤探头的弯曲半径。

3)最后需要对传感器进行封装，以增加其机械强度。这个过程首先需要将光纤固定于一个具有两个圆形小孔的聚合物材料之中，并使用环氧树脂胶将其粘牢。所使用的聚合物材料厚度为2～5mm，聚合物上小孔的直径与光纤直径相同，两小孔间距为10～20mm。便于液体流通，在聚合物圆板上还开有直径为2～4mm的圆形小孔。然后需要将固定好光纤探头的聚合物圆板嵌入到不锈钢的圆筒(制有相应的凹槽，用于固定聚合物圆板)之中。不锈钢圆筒带有直径约为3～5mm的孔状结构，便于被测液体流入其中，与光纤传感探头相接触。

所述的塑料光纤为多模商用塑料光纤，光纤的外径为250～1500μm，纤芯直径范围为240～1480μm，纤芯折射率为1.49，包层折射率为1.41。

所述的塑料光纤多齿型结构的深度为100～500μm，齿间间距为1～20mm，多齿型结构的长度为1～20cm。

所述的塑料光纤探头的弯曲半径为5～10mm。

所述传感器的光源可以是中心发射波长为650nm的LED，或是发射波长为650nm的半导体激光器，所述的光电检测装置是光功率计。

本发明是利用多齿型结构的塑料光纤探头在不同的液面高度下所引起的透射光强的不同来实现传感的。具有多齿型结构的塑料光纤会导致部分传输光在齿型结构的一侧耦合到包层，甚至辐射到光纤以外，而在齿型结构的另一侧，部分光又会重新耦合回光纤，这个过程会产生明显的传输损耗。当光纤传感探头置于空气中时，光耦合回光纤的效率较低，导致其输出端的光强较弱，而当光纤探头的齿型结构被待测溶液淹没时，由于待测溶液的折射率高于空气的折射率，会引起更多的光耦合回光纤，导致传输损耗减小，从而使输出端的光强增加。所以，当被测溶液每淹没或者显露出一个齿型结构时，光纤传感探头输出端的光强就会发生明显的变化。因此，可以通过监测传感器输出光强的变化来获得待测溶液的液位变化。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1)本发明的塑料光纤液位传感探头的制作工艺简单，不需要复杂的制备工艺，成本低廉，便于商业化批量生产。

2)本发明的液位传感器采用LED或半导体激光器作为光源，其价格便宜；采用光功率计作为探测器，其成本较低，并且便于集成。

3)本发明的液位传感探头采用不锈钢进行封装，具有机械强度高，安装与使用方便等优点。

附图说明

图1是本发明的塑料光纤液位传感器的整体示意图；其中1为集成了光源、探测器与显示单元的装置，2为封装的塑料光纤传感探头。

图2是本发明的多齿型结构塑料光纤的制作过程示意图；

图3是本发明制备的多齿型结构塑料光纤的照片；

图4是本发明的传感器在不同液位下的响应曲线；

图5是本发明的传感器的时间响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明，但本发明的实施和保护范围不限于此，对本发明作实质相同的等同替换均属于本发明的保护范围。

实施例1：以测量折射率为1.39的甘油水溶液为例。

参见图1，本发明的多齿型结构塑料光纤液位传感器，由中心发射波长为650nm的LED光源3、多齿型结构的塑料光纤传感探头4和光功率计5组成。在工作时，光源3发出的光经过光纤到达传感探头4，当容器6中的被测溶液7浸没具有多齿型结构的塑料光纤传感探头4时，光信号与被测溶液产生了相互作用，被调制后的光信号经光纤传输到光功率计5，被显示出来。由于被测溶液的液位变化会导致透射光强发生变化，通过标定光强与被测溶液液位变化的响应曲线，就可以得到它们之间的关系曲线，利用这个关系曲线，通过监测输出光强就可以计算出被测溶液的液位高度。图中8为用于封装的带有孔状结构的不锈钢圆筒，9为用于固定光纤探头的聚合物材料(本实施例中所采用的材料为ABS树脂)。

参见图2，本实施例所采用的塑料光纤为江西大圣有限公司生产的多模商用塑料光纤，光纤的外径为1000±2μm，芯径为980±2μm。利用模压成型的方法可以在塑料光纤上制备出多齿型结构。具体的制备方法为：将塑料光纤垂直放置于具有多齿型结构的钢制模具上面，然后利用夹具对塑料光纤施加压力，在压力的作用下，在塑料光纤上会形成多齿型结构，如图3所示。通过调节夹具所施加的压力大小，可以改变多齿型结构的深度。通过使用具有不同齿间间距的模具，可以改变光纤上的齿间间距。优选地，多齿型结构的深度为200μm，齿间间距为1mm，多齿结构的长度为2cm。

参见图4，为本发明在测量不同液位高度时所得到的光透射率。透射率T由下式计算得到，

T＝Pl/Pa

式中，Pl是当被测溶液浸没多齿型结构光纤探头时的输出光强，Pa是多齿型结构光纤探头未被液体浸没时的光强。可以看出，随着液位高度的增加，透射率增大。传感器的灵敏度S可以由下式计算得到，

S＝ΔT/ΔL

式中，ΔT是传感器透射率的变化量，ΔL是被测溶液液位的变化量。可以得到，该液位传感器的灵敏度为0.0445/mm。该传感器的分辨率为1mm，其取决于齿间间距的大小。

参见图5，为所制备的液位传感器的时间响应曲线。可以看出，该传感器具有较好的响应速度，其响应时间为0.69s。另外，也可以看出该传感器具有较好的重复性。