专利名称：光纤迈克尔逊干涉液位传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于传感器技术领域，具体涉及到液位传感器。·
背景技术：
液位传感器是用来检测液体高度的测量仪器，在许多方面有着重要的应用，如燃料存储系统，水位监测和一些化学反应过程监测等。目前，基于光纤传感原理的液位传感器大多是马赫曾德干涉式结构、光纤布拉格光栅式结构、光纤长周期光栅式结构和多模干涉式结构，光纤长周期光栅和马赫曾德干涉式液位传感器通常为透射式结构，实用化程度较低，且光纤长周期光栅式液位传感器的制作过程复杂、成本高，光纤布拉格光栅式湿度传感器虽然稳定性较好，但是用于液位测量时需对光纤布拉格光栅进行腐蚀(降低了传感器的机械强度)或利用较为复杂的机械应变结构，基于无芯光纤的多模干涉结构简单，但光损耗较大。因此，均难以满足应用的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服上述液位传感器的缺点，提供一种设计合理、结构简单、灵敏度高、实用性强的光纤迈克尔逊干涉液位传感器。解决上述技术问题所采用的技术方案是在框架左端面上设置有导光单模光纤，导光单模光纤的尾端设置有多模光纤，多模光纤的尾端设置有尾端安装在框架上的传感单模光纤，传感单模光纤的尾端设置有高反膜。本发明的导光单模光纤的纤芯直径为8 10 μ m。多模光纤的纤芯直径为50 μ m或62. 5 μ m或105 μ m,多模光纤的长度为I 3mm。传感单模光纤的纤芯直径为8 10 μ m,传感单模光纤3的长度至少为1cm。高反膜的厚度为I. 5 3 μ m。本发明的导光单模光纤I的纤芯的直径最佳为9 μ m。多模光纤2的纤芯直径最佳为105 μ m,多模光纤2的长度最佳为2_。传感单模光纤3的纤芯直径最佳为9 μ m,传感单模光纤3的长度至少为lcm。高反膜的厚度最佳为2 μ m。本发明的传感单模光纤的纤芯的直径与导光单模光纤的纤芯直径相同。由于本发明采用导光单模光纤的尾端熔接多模光纤，多模光纤的尾端熔接传感单模光纤，传感单模光纤的尾端镀高反膜构成光纤迈克尔逊干涉液位传感器。实施例I的光纤迈克尔逊干涉液位传感器对水和不同质量浓度的甘油水溶液的液位进行了测试，测试结果表明本发明可用于测试水的液位变化，测试不同浓度的甘油水溶液，随着甘油水溶液的质量浓度增加，光纤迈克尔逊干涉液位传感器的灵敏度提高。本发明也可用于测试其他液体的液位。
图I为本发明的实施例I结构示意图。图2是本发明实施例I测试水的液位与干涉波长的线性关系图。
图3是本发明实施例2测试水和不同浓度甘油水溶液的液位与干涉波长的线性关系图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。实施例I在图I中，本实施例的光纤迈克尔逊干涉液位传感器是由导光导光单模光纤I、多模光纤2、传感单模光纤3、高 反膜4、框架5联接构成。在框架5左端面的中心孔上用502胶粘接有导光单模光纤1，502胶为市场上销售的商品，由台州市万能胶业有限公司生产，本实施例导光单模光纤I的纤芯直径为9 μ m。在导光单模光纤I尾端熔接有多模光纤2，多模光纤2的纤芯直径为105 μ m,多模光纤2的长度为2mm，多模光纤2尾端熔接有传感单模光纤3。传感单模光纤3的纤芯直径为9 μ m，传感单模光纤3的长度为3cm，传感单模光纤3尾端面上真空蒸镀有高反膜4，也可采用磁控溅射镀高反膜4，高反膜的厚度为2 μ m，高反膜4用于光反射，传感单模光纤3尾端安装在框架5右端面的中心孔上，构成光纤迈克尔逊干涉液位传感器。使用时，将框架5的左端固定，框架5的右端垂直浸入在液体中，使得高反膜4浸入液体中，当液位上升时，光纤迈克尔逊干涉液位传感器的干涉波长发生漂移，根据漂移量，确定液位变化。实施例2在本实施例中,在框架5左端面的中心孔上用502胶粘接有导光单模光纤I，导光单模光纤I尾端熔接有多模光纤2，多模光纤2尾端熔接有传感单模光纤3，传感单模光纤3的纤芯直径为9 μ m,传感单模光纤3的长度为4cm，传感单模光纤3尾端面上真空蒸镀有高反膜4。导光单模光纤I的纤芯几何尺寸、多模光纤2的长度、高反膜4的厚度与实施例I相同，构成光纤迈克尔逊干涉液位传感器。采用本实施例的光纤迈克尔逊干涉液位传感器对水，对质量百分数为24. 13%、49. 74%的甘油水溶液的液位进行了测试，测试结果见图3，在图3中，直线a为水的液位与干涉波长的线性关系，对应的拟合关系为Y1 = -O. 0498x+1528. 2直线b为质量百分数为24. 13%的甘油水溶液的线性关系，对应的拟合关系为J2 = -O. 0687x+1528. 2直线c为质量百分数为49. 74%的甘油水溶液的线性关系，对应的拟合关系为y3 = -O. 0887x+1528. 2由图3可见，甘油水溶液的质量浓度越高，光纤迈克尔逊干涉液位传感器的灵敏度越高。实施例3在本实施例中,在框架5左端面的中心孔上用502胶粘接有导光单模光纤I，导光单模光纤I的纤芯直径为8 μ m，在导光单模光纤I尾端熔接有多模光纤2，多模光纤2的纤芯直径为105 μ m，多模光纤2的长度为1_，多模光纤2尾端熔接有传感单模光纤3，传感单模光纤3的纤芯直径为8 μ m,传感单模光纤3的长度为1cm，传感单模光纤3尾端面上真空蒸镀有高反膜4，高反膜的厚度为I. 5 μ m，传感单模光纤3尾端安装在框架5右端面的中心孔上，构成本实施例的光纤迈克尔逊干涉液位传感器。实施例4在本实施例中，在框架5左端面的中心孔上用502胶粘接有导光单模光纤1，导光单模光纤I的纤芯直径为10 μ m，在导光单模光纤I尾端熔接有多模光纤2，多模光纤2的纤芯直径为105 μ m，多模光纤2的长度为3_，多模光纤2尾端熔接有传感单模光纤3，传感单模光纤3的纤芯直径为10 μ m,传感单模光纤3的长度为10cm，传感单模光纤3尾端面上真空蒸镀有高反膜4，高反膜的厚度为3 μ m，传感单模光纤3尾端安装在框架5右端面的中心孔上，构成本实施例的光纤迈克尔逊干涉液位传感器。实施例5在以上的实施例I 4中，在框架5左端面的中心孔上用502胶粘接有导光单模光纤1，导光单模光纤I尾端熔接有多模光纤2，多模光纤2的纤芯直径为50 μ m，多模光纤2尾端熔接有传感单模光纤3，传感单模光纤3尾端面上真空蒸镀有高反膜4。导光单模光 纤I的纤芯几何尺寸、多模光纤2的长度、传感单模光纤3的纤芯几何尺寸以及长度、高反膜4的厚度与相应的实施例相同,构成光纤迈克尔逊干涉液位传感器。实施例6在以上的实施例I 4中，在框架5左端面的中心孔上用502胶粘接有导光单模光纤1，导光单模光纤I尾端熔接有多模光纤2，直径为62. 5 μ m，多模光纤2尾端熔接有传感单模光纤3，传感单模光纤3尾端面上真空蒸镀有高反膜4。导光单模光纤I的纤芯几何尺寸、多模光纤2的长度、传感单模光纤3的纤芯几何尺寸以及长度、高反膜4的厚度与相应的实施例相同，构成光纤迈克尔逊干涉液位传感器。本发明的工作原理如下通常情况下，光纤限制了光在纤芯传输，不能感触到外界折射率的变化，本发明采用多模光纤2和单模光纤纤芯的失配将纤芯模部分耦合到光纤包层，在纤芯和包层传输的光经高反膜4反射回来，再经多模光纤2耦合进导光单模光纤1，由于在光纤纤芯和包层传输的光会有一定的相位差，最终导致迈克尔逊干涉光谱的形成。当外界环境折射率改变时，会引起相位差的改变，导致干涉谱波长的漂移。因此当传感器的传感单膜光纤3的一段浸入水中时，浸入水中的传感单膜光纤3的包层有效折射率改变，而传感单膜光纤3的纤芯模的折射率保持不变，因此整体相位差改变，引起干涉波长漂移。采用光谱仪解调干涉波长偏移量确定所测液体液位的高度。干涉波长与液位上升的关系为
—,4池n'iL-LJ…Am =---+------i 丄 J
(2m + 1)π (2m + 1)π式中λ m为干涉波长，Δ/ :为传感单膜光纤3未浸入水中纤芯的折射率与未浸入水中包层折射率差，传感单膜光纤3浸入水中纤芯的折射率与浸入水中包层折射率差，Ln为传感器单膜光纤3浸入水中的长度，m为包层膜的阶数。上式表明，随着Ln的增大，
减小，随着液位的上升，干涉波长漂移。为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例I光纤迈克尔逊干涉液位传感器进行实验室研究试验，试验情况如下实验仪器光谱分析仪，型号为AQ6370B，由日本安捷伦公司生产。I、测试水的液位
采用实例I的光纤迈克尔逊干涉液位传感器对水的液位变化进行了测试，在测量过程中，水位每上升1mm，测量一次该液位传感器反射谱的波长，测试水位上升O 28mm的情况，测试结果见表1，用Excel软件进行拟合，表I中数据的拟合见图2，对应的拟合关cm系为y = -O. 0269x+1570. 8釆用光谱分析仪测量传感器反射波长随水位上升的变化，检验传感器的液位灵敏度、线性度、重复性能。实验结果见表I。表I本发明的干涉波长随水位上升变化情况
权利要求
1.一种光纤迈克尔逊干涉液位传感器，其特征在于在框架(5)左端面上设置有导光单模光纤(I)，导光单模光纤(I)的尾端设置有多模光纤(2 )，多模光纤(2 )的尾端设置有尾端安装在框架(5)上的传感单模光纤(3)，传感单模光纤(3)的尾端设置有高反膜(4)。
2.根据权利要求I所述的光纤迈克尔逊干涉液位传感器，其特征在于所述的导光单模光纤(O的纤芯直径为8 10 μ m ;所述的多模光纤(2)的纤芯直径为50 μ m或62. 5 μ m或105 μ m,多模光纤(2)的长度为I 3mm ;所述的传感单模光纤(3)的纤芯直径为8 10 μ m，传感单模光纤(3)的长度至少为Icm ;所述的高反膜(4)的厚度为I. 5 3μπι。
3.根据权利要求2所述的光纤迈克尔逊干涉液位传感器，其特征在于所述的导光单模光纤(I)的纤芯的直径为9 μ m ;所述的多模光纤(2)的纤芯直径为105 μ m,多模光纤(2)的长度为2mm ;所述的传感单模光纤(3)的纤芯直径为9 μ m，传感单模光纤(3)的长度至少为Icm;所述的高反膜(4)的厚度为2 μ m。
4.根据权利要求2或3所述的光纤迈克尔逊干涉液位传感器，其特征在于所述的传感单模光纤(3)的纤芯的直径与导光单模光纤(I)的纤芯直径相同。
全文摘要
一种光纤迈克尔逊干涉液位传感器，在框架左端面上设置有导光单模光纤，导光单模光纤的尾端设置有多模光纤，多模光纤的尾端设置有尾端安装在框架上的传感单模光纤，传感单模光纤的尾端设置有高反膜。所制备的光纤迈克尔逊干涉液位传感器对水和不同质量浓度的甘油水溶液的液位进行了测试，测试结果表明本发明可用于测试水的液位变化，测试不同浓度的甘油水溶液，随着甘油水溶液的质量浓度增加，光纤迈克尔逊干涉液位传感器的灵敏度提高。本发明也可用于测试其他液体的液位。
文档编号G01F23/22GK102928045SQ201210488369
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月26日 优先权日2012年11月26日
发明者乔学光, 荣强周, 杜彦英, 冯定一, 忽满利, 冯忠耀 申请人:西北大学