功率型长周期光纤光栅液位计的制作方法

1.本实用新型主要涉及液位传感器领域和光通信无源器件领域，特别是涉及一种功率型长周期光纤光栅液位计。


背景技术：

2.自高锟在20世纪60年代提出光纤通信的设想后，经过数十年的发展，光纤已经成为现代通信、实验、传感器设计的基础，并极大地改变了人类的生产生活方式。因为光纤的诸多优点(例如灵敏度高、抗电磁干扰能力强、尺寸小、重量轻等)，光纤光栅传感器被用于许多种物理量的测量，例如液位、风速、温度等，且它在各种恶劣环境下均可正常使用，因此在工业界和科学界都有广泛应用。
3.液位传感器是用来测量液体深度的测量仪器，它在石油化工、钢铁工业以及人们的日常生活中有着重要作用。与机械式、电容式、超声波式、磁致伸缩式等液位传感器相比，光纤光栅液位计的主要优势在于其强大的环境适应性，例如耐高温、抗电磁干扰等，并且具有尺寸小、重量轻、灵敏度高等其它优点。
4.光纤液位传感器主要有长周期光纤光栅传感器、布拉格光纤光栅传感器等。主要测量方法有功率法和相位法：相位法是利用光纤光栅谐振参数随液位而变的原理测量液位数据的，需要进行很复杂的相位解调；而功率法则是直接测量光纤光栅中的功率大小而获得对应的液位数据，结构原理都十分简单。比如已报道的fbg实现液位测量的方法，需要复杂的解调技术以及较高的成本，限制了它的实际使用。
5.一般见到的化学液剂或者易燃易爆物品的折射率都比较大，通常会大于光纤的包层折射率，现有的光纤光栅液位传感器一般只能用于低折射率液体(例如水)液位的测量。因此设计一种能用于高折射率液体液位测量的、低成本的光纤光栅传感器有利于获取日常生活中汽油、柴油危险液体的液位数据，方便生产生活，具有极大的应用前景与价值。


技术实现要素：

6.为了克服光纤光栅液位传感器在高折射率液体中的不足，本实用新型提供了一种测量方便、结构简单的基于单模长周期光纤光栅(lpfg)的功率型液位计，其中单模光纤可以有助于光从光纤向外界介质的泄露，而光纤尾部的涂覆层被剥去并在端面镀上银膜。
7.本实用新型通过以下技术方案解决问题：
8.一种功率型长周期光纤光栅液位计，包括光源ase激光、隔离器、环行器、功率计和高折射率液体，ase激光光源经过隔离器位于环行器的输入端，液位传感器位于环行器的输出端，所述液位传感器包括单模光纤、涂覆层、输入lpfg、光纤反射器，输入lpfg位于单模光纤的纤芯内，光纤反射器位于单模光纤的端面上，涂覆层位于光纤包层的外表面；功率仪位于环行器的反射端，ase激光的光谱波长与输入lpfg谐振波长匹配。
9.进一步，所述液位计还包括尺子，所述尺子放置于光纤尾端的上方，用于测量光纤浸入液体的液位深度。
10.所述长周期光纤光栅的尾纤涂覆层部分用丙酮除去，并在断面处利用银镜反应镀上银膜。所述ase光源中发出光并依次进入隔离器与环行器，之后进入长周期光纤光栅中。所述光纤光栅后端无涂覆层尾纤部分浸入液体，形成泄漏模式，且当液位增加时，高阶模式由于具有较大衰减常数而依次完全泄漏。所述端面镀银使得纤芯和包层中的光在该端面反射，并沿着原路反向传播，最终进入osa进行光谱分析。
11.本实用新型的技术构思为：入射光在单模光纤中传输，经过lpfg，纤芯中满足lpfg滤波条件的光耦合进入包层中去；去除涂覆层的尾纤浸入高折射率液体中，这样光在包层与高折射率液体中形成导模
‑
泄露模，光可以从包层中泄漏出来，环境媒介的变化引起光纤传输过程中泄露模的损耗变化，且泄漏损耗功率的变化与液位存在一定的关系。当光纤浸入液体中到达一定的长度时(称之为特征长度)，包层的能量全部泄露出去，这时候液位即使继续升高，包层中也不会泄露出去更多的能量，损耗功率达到饱和不再发生变化。通过在光纤尾端添加反射镀层，使纤芯与包层中的光信号反射，再一次经由lpfg，包层中的光信号耦合回纤芯中。通过测量总光信号的功率损耗可进行液位传感测量。
12.本实用新型有益效果主要表现在1)与目前sms结构通过测量透射功率确定高ri液体液位不同，本实用新型通过监测反射功率的变化来测量液位，结构更简单，制作更容易，更利于封装和实际应用。2)目前大多光纤光栅液位传感器的应用对象一般是水、氯化钠溶液等低折射率液体，本实用新型对于高折射率液体特性传感方面具有很好的应用价值，比如作为液位报警器应用到汽油、柴油等高折射率易燃易爆品中。3)本实用新型提出了一种新型光纤光栅传感器结构，采用单模长周期光纤光栅，光栅尾纤除去涂覆层并镀银膜，结构简单、操作容易、可重复性强且价格便宜。4)本实用新型所提出的用于液位的传感器是功率型传感器；之前的相移型传感器由于光谱仪体积庞大、携带困难，并且对测得的数据还要分析转换，降低了数据的实时性；而本实用新型提出的功率型传感器，在技术发展成熟之后可以用光功率计来代替光谱分析仪，测得数据直接从功率计上读取即可，且功率计小巧，价钱便宜，携带方便，使用简单，对数据具有实时性等优点。
附图说明
13.图1是功率型长周期光纤光栅液位计的原理图。
14.图2为功率型长周期光纤光栅液位计的传感结构示意图。
具体实施方式
15.下面结合附图对本实用新型作出进一步说明。
16.参照图1和图2，一种功率型长周期光纤光栅液位计，属于一种具体应用场景，包括光源ase激光108、隔离器109、环行器110、功率计111和高折射率液体113，ase激光108光源经过隔离器109位于环行器110的输入端，液位传感器位于环行器110的输出端，所述液位传感器包括单模光纤101、涂覆层104、输入lpfg105、光纤反射器106，输入lpfg105位于单模光纤101的纤芯102内，光纤反射器106位于单模光纤101的端面上，涂覆层104位于光纤包层103的外表面；功率仪111位于环行器110的反射端，ase激光108的光谱波长与输入lpfg105谐振波长匹配，尺子112放置于光纤尾端的上方，用于测量光纤101浸入高折射率液体113的液位深度。
17.涂覆层104是采用高折射率材料涂覆的，光纤反射器106是通过在单模光纤101端面进行镀高反膜形成的，高反膜材料为金属或介质，涂覆材料为折射率大于光纤包层的高折射率树脂，涂覆材料包括但不限于四官能聚氨酯丙烯酸酯。输入lpfg105的制作方法包括但不限于紫外光(uv)、co2脉冲激光写入、电弧写入、飞秒激光脉冲写入以及机械法等方法。输入lpfg105的谐振波长与光源108匹配。
18.参照图1和图2，整个器件的工作过程和原理如下：首先，光源108经过隔离器109通过环行器110到达光纤传感器部分，通过单模光纤101输入纤芯102中将输入光输入lpfg105，由于输入lpfg105的传输特性呈现带阻效果，如果光源波长选择正确则纤芯中的所有模式都将被耦合入内包层模式中，谐振波长λ
m
满足相位匹配条件其中λ、n
co
和分别指光栅周期、纤芯的有效折射率和内包层模的有效折射率。内包层模式随后进入传输光纤101的包层中，由于光纤位于高折射率液体的作用下出现模式泄露的现象，此时包层模式会被消耗，消耗的程度视光纤浸入高折射率液体的程度而定。随后剩余能量继续前进至光纤反射器106处，在该处进行反射，返回输出光纤101的包层103中继续传输，并再次进行一次损耗。剩余能量之后会进入输入光纤101，当这部分能量进入lpfg105时会被再度耦合入纤芯102内，随后即可通过环行器110反射端进入功率仪111中进行检测。由于大部分的损耗存在于功率上，通过测量功率的变化即可得到实际光纤进入液体的液位深度。