[发明专利]基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头

说明书

技术领域

本发明涉及一种液位探头，具体涉及一种基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头。

背景技术

在石油、化学化工生产领域，液体化工品的液位自动化检测是实现安全作业的重要保证；在飞机，轮船等运行过程中燃油液位的监测同样具有广泛的需求。目前，传统的液位检测手段主要有：机械浮子式、电容式，超声波式等。其中，机械浮子类电子类在自动化和精度上存在缺陷；电容式传感器由于引入电信号，在易燃易爆环境下使用存在一定安全隐患，且大量的信号连接线路非常容易受到电磁干扰；超声波液位传感器往往存在盲区，气泡，油-水界面反射等问题。基于光纤的液位传感器由于非电测量，抗腐蚀，免疫电磁干扰，在石油领域被广泛采用。现有的光纤液位传感器主要有尖端反射式和压强敏感式两类。其中尖端反射式主要有三种加工方法：直接对光纤端面抛光研磨出反射斜面，通过电弧拉伸制作反射斜面或者利用棱镜制作反射斜面，其加工难度高，加工一致性差。且其尖端易受污染，导致区分度变差，同时由于其敏感结构为光纤尖端，因此气体凝结而成的水滴会导致其发生误判。更关键的是该类型传感器鲁棒性差，极易损坏。压强敏感式液位传感器，主要包括，光纤光栅式，法布里珀罗式等，但由于需要光谱仪等复杂昂贵的探测仪器，其高昂的制作和信号探测成本使其很难在石油化工领域被大规模应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，解决了传统液位测量方法上稳定性差，精度低，鲁棒性差的问题，实现了低能耗、低成本的安全环保液位检测系统的特殊探头。本发明实现了基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，利用光纤宏弯效应的子效应--CMFTIR效应，实现光纤外界介质折射率对液位探头正向耦合端输出功率的调制作用。

本发明对于液体液位进行深入研究，具有广阔的现实意义和应用价值。潜在应用领域为：军事、航空、安全、环境、医疗、化学工业等领域。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

基于暗场检测的光纤宏弯耦合结构液位探头，包括

有源光纤，包括P0端，用于连接LED光源；P1端，用于连接光功率计；

无源光纤，包括P2端，用于连接光功率计；P3端用于连接光功率计；

耐高温导线，用于固定光纤以减少错位引起的耦合功率变化，减少误差；更可以防止光纤因应力引起的断裂；

所述有源光纤和无源光纤相互缠绕后整体弯曲形成双绞宏弯耦合环，所述耐高温导线紧密缠绕在所述宏弯耦合环上，所述有源光纤、无源光纤和耐高温导线通过塑胶管后，使用固定套灌注硅胶后固定，减轻了光纤受到外力应力变化引起不必要的误差。

其中，所述LED光源用于为整个液位探头提供光源能量。

其中，所述P1端是直通端，作为参考端口，P2端可参考P1端的功率变化，排除光源功率变化的影响。

其中，所述P2端是正向耦合端，用于探测暗场信号实现液位检测。

其中，所述P3端是反向耦合端。

其中，所述有源光纤和无源光纤均采用包层薄，柔韧性好的塑料光纤。

其中，本发明原创性的提出利用光纤“宏弯效应”实现两根裸光纤之间的暗场耦合，将其命名为“宏弯耦合”，且对暗场耦合原理给予解释，并首次给出了暗场耦合效率的定义；原创性的提出并阐释了“包层模受抑全内反射(CMFTIR)”液位检测原理，首次发现宏弯耦合系统可显著提高CMFTIR效应；首次提出TMBCS(双绞宏弯耦合结构)，有效增强了“宏弯暗场耦合效率”；首次利用宏弯耦合结构实现光纤内的暗场信号检测，获得了很好的信噪比。

结构上：相较于以前的光纤液位探头，首次利用两根裸光纤相互缠绕，制作了TMBCS宏弯耦合结构。

原理上，首次成功实现POF光纤宏弯暗场耦合，首次阐释了暗场耦合原理以及耦合系统对CMFTIR效应的增强效应，并且阐释了利用CMFTITR效应实现液位检测的原理。

材料上，使用的是POF(塑料光纤，Plastic Optical Fiber)。

封装上，在其应力敏感点上进行封胶，减少应力对液位探头的影响，保证稳固性。

本发明具有以下有益效果：