[发明专利]一种基于端面反射耦合的光纤连续液位传感器

说明书

本发明公开了一种基于端面反射耦合的光纤连续液位传感器，是一种全光纤传感器，可用于恶劣环境下液位的连续测量；传感器探头部分包括发射光纤束和接收光纤束，两光纤束包裹在外壳内，光纤与光纤之间通过胶粘剂黏合，光纤束的探测端面为楔形，楔形端面的设计使得发射光纤束与接收光纤束实现侧面耦合，并提高了传感器的灵敏度，还能降低液滴黏附；本发明通过控制光纤楔形端面斜剖角度和入射光束角，使得在空气中的光纤端面的出射光发生全内反射，在液体中的光纤端面的出射光发生菲涅尔反射，液位不同时，反射光的总功率不同，从而实现液位测量。本发明一体化结构设计，无可动部件，灵敏度高，安全性好，可靠性高。

技术领域

本发明属于光电传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于端面反射耦合的光纤连续液位传感器，用于对液体高度进行测量。

背景技术

目前使用的连续液位传感器以电容式液位传感器为主。该类型的传感器结构简单，响应速度快，但容易受到温度、环境等因素的影响，需定期进行标定，如果燃油中有水的存在会造成传感器虚指甚至短路。超声波液位传感器原理简单，结构小巧，但声波速度易受温度的影响，并且液面的晃动会影响超声波的反射。磁滞伸缩液位传感器可靠性高，安全性能好，但有可动部件，不适合在恶劣条件下使用。光纤液位传感器体积小、重量轻、对电绝缘、抗电磁干扰能力强、抗腐蚀性强，非常符合燃油液位测量的要求。

目前，光纤连续液位传感器可以分为两类，压力式光纤液位传感器和泄露式光纤液位传感器，其中压力式光纤液位传感器主要有光纤F-P(Fabry-Parot)腔液位传感器以及光纤布拉格光栅(FBG)液位传感器。压力式液位传感器是通过液体的静压强来进行液位测量，容易受地理位置、附加加速度的影响，测量精度和使用场合受限。泄露式光纤液位传感器是利用光纤的传输损耗来进行液位测量，通常采用塑料光纤，塑料光纤受温度影响大，同时由于泄露光强调制量过小，容易受光源波动的影响。

CN201610303327.5公开了一种基于散射原理的光纤连续液位传感器，其楔形端面的角度设置缺乏理论依据，需要试验确定，并且通过试验证实其散射光强非常弱，接收光纤很难检测到光强，其可行性存在疑问。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明提供一种结构简单、成本低、安全性能好，且具有高精度、高灵敏度、良好的稳定性等优点的光纤连续液位传感器。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于端面反射耦合的光纤液位传感器，包括发射光纤束和接收光纤束；所述光纤束均包裹在外壳内，光纤束与光纤束之间采用胶粘剂黏合；发射光纤束和接收光纤束的一端斜剖成楔形端面，作为传感器探头；发射光纤束的另一端作为光源入射端，接收光纤束的另一端作为反射光探测端，光源入射端和发射光探测端均从外壳引出；楔形端面与待测液面垂直。

进一步地，所述发射光纤束和接收光纤束均由同种型号的光纤集合而成，每根光纤包括纤芯和包层。

进一步地，所述发射光纤束的入射光束角α_m为其中，n_o为单根光纤纤芯折射率，θ_l为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角，θ_a为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角。

进一步地，所述楔形端面的斜剖角度为和以实现最大光强调制量；其中，α_m为入射光束角，n_o为单根光纤纤芯折射率，θ_a为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角，θ_l为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角。

进一步地，所述接收光纤束和发射光纤束光纤的分布形式可为平行分布或者随机分布。

进一步地，所述光纤束由高反射率的金属外壳包裹。

进一步地，胶粘剂的折射率大于光纤包层的折射率。