一種傾斜光纖光柵液位變化測量儀的製作方法
2023-11-30 18:46:56 1
專利名稱：一種傾斜光纖光柵液位變化測量儀的製作方法
技術領域：
本發明屬於光纖液位變化測量儀中的傳感技術，特別是一種傾斜光纖光柵液位變
化測量儀。
背景技術：
光纖光柵是一種新型的光子器件，它是在光纖中建立起的一種空間周期性的折射 率分布，可以改變和控制光在光纖中的傳播行為。傾斜光纖光柵是一種光柵柵面相對於光 纖軸有一定傾斜角度的短周期光纖光柵。傾斜光纖光柵是利用特殊的寫制方法，在光纖的 纖芯內寫入與光纖軸向成一定夾角的光柵，可以將特定波長範圍的光從光纖纖芯耦合到光 纖包層中。在單模光纖中，柵面的傾斜使前向傳輸的纖芯模與後向傳輸的包層模之間的耦 合得以加強，而前向傳輸的纖芯模與後向傳輸的纖芯模之間的耦合被減弱，所以有兩種耦 合；並且反向傳輸的包層模衰減的很快，在反射譜中不能觀測到。因此，在透射譜中有纖芯 模和大量的包層模存在，其中，纖芯模對溫度、應變等物理量非常敏感，而包層模則對環境 的折射率非常敏感。 傾斜光纖光柵液位傳感器的原理是基於包層模對外界折射率的敏感特性以及浸 入長度對包層模耦合的影響情況實現的。由於傾斜光纖光柵對不同折射率的液體有不同的 敏感特性，反應在包層模上是不同階的包層模的情況不同。同時由於浸入液體的光柵長度 對所有包層模耦合強度整體的影響不同，即隨著光柵浸入深度的增加而增加，因此，可以根 據包層模耦合強度的變化與光柵浸入深度的變化關係，測量並計算出被測液位的變化。
在現有的光纖液位測量技術中，對於各種環境下液位的感測是採用腐蝕後的布喇 格光柵和長周期光纖光柵作為傳感元件去實現的，前者降低了光柵本身的機械強度，後者 有著內在的溫度交叉敏感效應，在極易受到外界溫度影響的環境裡，降低了它的廣泛應用 性。因此，一定程度上限制了其應用範圍。而傾斜光纖光柵避免了二者的缺點又同時具有 二者的優點。目前尚未有採用傾斜光纖光柵傳感器對各種液體的液位等信號感測及分析的 方案。
發明內容
本發明的目的是針對上述存在問題，提供一種機械強度高、溫度交叉敏感效應小、 測量精度高、重複性好、可以實現液位連續與直接測量且製作工藝簡單、成本低廉的採用傾 斜光纖光柵傳感器的光纖液位變化測量儀。
本發明的技術方案 —種傾斜光纖光柵液位變化測量儀，包括光源、兩個光分路器a、b、傾斜光纖光柵、 光譜分析儀、兩個光電探測器a、 b和連接用單模光纖；光源通過單模光纖與光分路器a連 接，光分路器a —端作為參考臂通過單模光纖與光電探測器a相連，另一端通過單模光纖分 別與傾斜光纖光柵和光分路器b串聯連接，光分路器b—端與光譜分析儀相連，另一端與光 電探測器b相連；傾斜光纖光柵位於被測容器的液面處、不能水平放置且傾斜光纖光柵的
3上端一定伸出被測容器的液面。 所述光源採用掃描雷射器或寬帶光源，其波段能覆蓋傾斜光纖光柵的波段。
所述傾斜光纖光柵是利用相位掩模側面輻射技術、在寫制過程中將模板傾斜並通 過準分子雷射紫外寫入載氫的單模光纖中製得，該傾斜光纖光柵的周期均勻，其柵區長度 為1CM-3CM，柵面傾斜角度為l-8度，傾斜光纖光柵的表面不需要進行任何結構處理。
本發明的測試原理 處於空氣中的傾斜光纖光柵中有兩種不同的耦合存在纖芯模的耦合、纖芯模與 包層模之間的耦合，包層模的耦合不僅與纖芯模的有效折射率有關，還與包層模的有效折 射率有關，而包層模的有效折射率又受到外界環境的影響，反應在透射譜上是在不同的折 射率溶液中有不同的耦合情況。同時浸入液體的光柵長度也影響到了包層模耦合強度的 變化，由於傾斜光纖光柵一部分置於溶液中，一部分在空氣中，所以這兩部分各有不同的耦 合，即前者是纖芯模與輻射模的耦合，後者是纖芯模與包層模的耦合，隨著浸入液體中長 度的增加，由纖芯模與包層模的耦合逐漸的轉變為纖芯模與輻射模的耦合而輻射掉，因此 其耦合強度在逐漸的降低。根據能量守恆，T，= l-T透射。對於具有不同折射率液體的液 位檢測，其耦合強度的減小趨勢是一樣的。只是由於不同液體的折射率不同，反應在透射光 譜的不同階包層模諧振波長所受的影響不一樣。當處於折射率小的溶液中僅僅為高階包層 模受影響，而隨著折射率的增大直至接近於包層折射率時，逐漸的低階包層模也受影響。因 此該傳感器不僅可以實現對同一種液體的液位進行連續的檢測，還可以實現對不同液面的 間隔或者躍變進行辨別。由於在不同液位情況下，對包層模耦合的影響不同，從而傾斜光纖 光柵透射功率的變化與液位的該變量將具有一定的函數關係。因此，通過計算其透射功率 的變化實現對液位的測量。 對於具有一定折射率的液體，由於浸入液體中長度的增加不僅會導致包層模耦合
強度減小，而且包層模的諧振峰也會向短波方向漂移。在以包層模諧振峰波長的漂移為參
量時，包層模諧振波長的漂移和液位的改變量具有一定的函數關係，因此，可以通過諧振波
長的變化來實現對液位的測量。液位的變化引起的波長漂移量比溫度引起的波長漂移量大
的多，但是為了能夠準確地獲得相應的液位變化值，需要對溫度進行補償。由於在對傾斜光
纖光柵的研究中我們發現纖芯模與包層模具有相似的溫度敏感性，我們可以通過檢測傾斜
光纖光柵的透射譜中包層模與纖芯模之間的間隔隨液位變化的大小，從而確定液位這個傳
感參量。這樣設計的光纖光柵液位傳感器具有不受環境溫度影響的優點。 本發明的有益效果是該光纖液位變化測量儀採用傾斜光纖光柵傳感器為傳感元
件，其集傳統光纖光柵的優點與新型傾斜光纖光柵的本徵特性於一體，具有成本低廉、製作
工藝簡單、可以實現液位連續並直接測量、精度高和重複性好的光纖液位傳感器等優點；此 外耐高溫、耐腐蝕和光纖光柵型傳感器測量精度高、小型化、抗幹擾，易復用等特點於一身， 適合在各種折射率液體環境下進行直接連續的測量。
圖1是該液位變化測量儀的結構示意圖。 圖中l.光源 2-I、2-II.光分路器a、b 3.傾斜光纖光柵 4.被測容器 5.光譜分析儀 6-I、6-II.光電探測器a、b 7.單模光纖具體實施方式
實施例 —種傾斜光纖光柵液位變化測量儀，包括光源1、兩個光分路器a、 b 2-I、2-II、傾 斜光纖光柵3、光譜分析儀5、兩個光電探測器a、b6-I、6-I1和連接用單模光纖7 ;光源1通 過單模光纖7與光分路器a2-I連接，光分路器a2-I —端作為參考臂通過單模光纖7與光 電探測器a6-I相連，另一端通過單模光纖7分別與傾斜光纖光柵3和光分路器b2-II串聯 連接，光分路器b2-II —端與光譜分析儀5相連，另一端與光電探測器b6-II相連；傾斜光 纖光柵3位於被測容器4的液面處、不能水平放置且傾斜光纖光柵3的上端一定伸出被測 容器4的液面。該實施例中，光源1採用工作波段為1530-1570nm的寬帶光源；光分路器 a、 b 2-I、2-II採用型號為2*2的光耦合器，天津市金飛博光通訊技術有限公司生產；光譜 分析儀的型號為AV6361，中國電子部41所生產；光電探測器的型號為zolix，北京卓立漢光 儀器有限公司生產。傾斜光纖光柵3是利用相位掩模側面輻射技術、在寫制過程中將模板 傾斜並通過準分子雷射紫外寫入載氫的單模光纖中製得，該傾斜光纖光柵3的周期均勻， 其柵區長度為2CM，柵面傾斜角度為5度，傾斜光纖光柵3的透射譜中包層模諧振峰的範圍 為1530nm-1559nm，纖芯模的諧振峰為1561. 5nm ;單模光纖7採用1550nm波段的單模光纖。 採用折射率為1. 389的汽油作為被測容器4中能夠改變液位的液體，將傾斜光纖光柵3垂 直置於能夠自由改變液位升降的被測容器4，浸沒長度從零開始，然後慢慢注入液體以連續 改變液位，用光譜儀檢測透射譜的變化以及用光電探測器計算透射功率的變化。
權利要求
一種傾斜光纖光柵液位變化測量儀，其特徵在於包括光源、兩個光分路器a、b、傾斜光纖光柵、光譜分析儀、兩個光電探測器a、b和連接用單模光纖；光源通過單模光纖與光分路器a連接，光分路器a一端作為參考臂通過單模光纖與光電探測器a相連，另一端通過單模光纖分別與傾斜光纖光柵和光分路器b串聯連接，光分路器b一端與光譜分析儀相連，另一端與光電探測器b相連；傾斜光纖光柵位於被測容器的液面處、不能水平放置且傾斜光纖光柵的上端一定伸出被測容器的液面。
2. 根據權利要求1所述傾斜光纖光柵液位變化測量儀，其特徵在於所述光源採用掃描雷射器或寬帶光源，其波段能覆蓋傾斜光纖光柵的波段。
3. 根據權利要求1所述傾斜光纖光柵液位變化測量儀，其特徵在於所述傾斜光纖光柵是利用相位掩模側面輻射技術、在寫制過程中將模板傾斜並通過準分子雷射紫外寫入載氫的單模光纖中製得，該傾斜光纖光柵的周期均勻，其柵區長度為1CM-3CM，柵面傾斜角度為1-8度，傾斜光纖光柵的表面不需要進行任何結構處理。
全文摘要
一種傾斜光纖光柵液位變化測量儀，包括光源、光分路器、傾斜光纖光柵、光譜分析儀、光電探測器和連接用單模光纖；所述傾斜光纖光柵是利用相位掩模側面輻射技術、在寫制過程中將模板傾斜並通過準分子雷射紫外寫入載氫的單模光纖中製得；傾斜光纖光柵位於被測容器的液面處且傾斜光纖光柵的上端一定伸出被測容器的液面。本發明的優點是該光纖液位變化測量儀採用傾斜光纖光柵傳感器為傳感元件，其集傳統光纖光柵的優點與傾斜光纖光柵的本徵特性於一體，具有成本低廉、製作工藝簡單、精度高和重複性好等優點；此外耐高溫、耐腐蝕、測量精度高、抗幹擾，易復用，適合在各種折射率液體環境下進行直接連續的測量。
文檔編號G01F23/284GK101718571SQ20091022896
公開日2010年6月2日 申請日期2009年12月4日 優先權日2009年12月4日
發明者劉健, 劉波, 張紅敏, 蓋琪, 苗銀萍, 魏臻 申請人:天津理工大學