（光学工程专业论文）高精度光纤液位传感器的研究.pdf

摘要 本文提出了一种新型的高精度光纤液位传感器，能够实现对苯、汽油、柴油 等石油化工材料的定点测量和连续测量。该传感器系统采用针式单光纤结构的传 感头，使得系统具有结构简单、高精度、高灵敏度、无漂移等优点，其液位测量 精度可达o 5 r a m ，最大光调制深度为2 1 d b 。该传感器可广泛应用于石油化工 系统的多种液体的液位控制和测量，特别适用于小型容器的液位精确计量。 论文从理论和实验上分别对基于受抑全内反射原理的单光纤传感头进行了 分析。论文提出并比较了两种制作单光纤传感头的方法：电弧拉制法和光纤研磨 法；利用光线追迹法建造了单光纤传感头的数学模型。理论和实验的结果表明， 顶角处于9 0 。左右的光纤尖具有最大的光调制深度。 本论文研究了影响传感器工作寿命的传感头污染问题。分析了光纤尖在水中 和在油中两种不同的污染情况。提出了传感头制作的改进方案，即采用溶胶一凝 胶法在光纤尖上镀一层t i 0 2 膜来提高光纤尖的抗污染能力。在水中的实验表明， 镀t i 0 2 膜后的光纤尖比镀膜前其抗污染能力有很大的提高。 关键词：光纤液位传感器、光调制深度、电弧拉制法、光纤研磨法、光纤追迹 法、溶胶一凝胶法、t i 0 2 a b s t r a c t t h i sp a p e rd e s c r i b e san o v e lf i b e r - o p t i cl e v e ls e n s o rd e s i g n e dt om e a s u r et h el e v e lo f b e n z e n e d i e s e lo i lo ro t h e rc h e m i c a ll i q u i d d i s c r e t e l yo rc o n t i n u o u s l y o w i n gt o a l l f i b e r - b a s e ds y s t e ma n dt h en e e d l et y p eo fs i n g l ef i b e rs e n s o rh e a d ，i th a sm a n y m e r i t ss u c ha s i m m u n i t y t o e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，s i m p l es t r u c t u r e ，h i 曲 m e a s u r e m e n tp r e c i s i o n ，h i 曲s e n s i t i v i t ya n dl o wd r i f t t h e e x p e r i m e n t r e s u l t s d e m o n s t r a t e dt h a tt h el e v e lm e a s u r e m e n t a c c u r a c yo f 0 5i n l nh a sb e e na c h i e v e di n a r a n g eo f 2 m a n dt h em a x i m u m o p t i c a lm o d u l a t i o nd e p t ho f t h es e n s o ri s2 1 d b 。s o i t c o u l db eu s e df o rl e v e lc o n t r o la n dm e a s u r e m e n to ff l a m m a b l ea n d e x p l o s i v eo i la n d o t h e rc h e m i c a ll i q u i d s ，s p e c i a l l yf o rt h ep r e c i s em e a s u r e m e n to f l i q u i dl e v e li ns m a l l t a n k s ， t h e s i n g l ef i b e rs e n s o rh e a dw a si n v e s t i g a t e de x p e r i m e n t a l l ya n d t h e o r e t i c a l l y t w o k i n d so fs e n s o rh e a df a b r i c a t i o nm e t h o d sw e r ed e m o n s t r a t e da n d c o m p a r e d ，w h i c h a r e t h ee l e c t r i c a la r cm e l t i n ga n dm e c h a n i c a lg r i n d i n gr e s p e c t i v e l y am a t h e m a t i cm o d e l o f f i b e r t i pr e f l e c t i o nw a se s t a b l i s h e db yt h em e t h o do f r a y - t r a c i n g ni sf o u n dt h a tt h e s e n s o r t i pw i t ha9 0 。c o n i c a lt i ph a st h em a x i m u mo p t i c a lm o d u l a t i o nd e p t h t h ec o n t a m i n a t i o nm e c h a n i s mo ft h es e n s o rh e a dh a sb e e ns t u d i e df o r i n c r e a s i n g t h eo p e r a t i n gl i f et i m eo ft h es e n s o rs y s t e m t w od i f f e r e n tw o r k i n gm e d i u m o i la n d w a t e r ，w e r et e s t e dr e s p e c t i v e l y an e wi m p r o v e dm e t h o do ff i b e rt i pf a b r i c a t i o nw a s p u tf o r w a r d ，w h i c hi sac o a t i n gt e c h n i q u eo fs o l - g e lt i 0 2f i l mo nt h es u r f a c eo ft h e f i b e rt i pf o ri m p r o v ei t s a n t i p o l l u t i o nc a p a c i t y t h ee x p e r i m e n tr e s u l ti nt h ew a t e r d e m o n s t r a t e dt h a tt h e w o r k i n gl i f e o ft h ec o a t e df i b e r t i p w a sm u c hb e t t e rt h a n u n c o a t e do n e k e y w o r d s ：l i q u i d 丘b e rs e n s o r ；o p t i c a lm o d u l a t i o nd e p t h ；e l e c t r i c a la r cm e l t i n ga n d d r a w i n g ；f i b e rg r i n d i n ga n dp o l i s h i n g ；r a y t r a c i n g ；s o l g e l ；t i 高精度光纤液位传感器的研究 第一章绪论 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而形成的。在光纤通信系统中，光纤被用 作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界二f 扰越 小越好。但是，在实际的光传播过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、 电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变 化【1 1 。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各 种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。 光电子和电子计算机技术的结合为这种新的测量方法开辟了一条新的途径，光纤传 感检测技术以光纤传感器为基础，将敏感的状态以信号形式取出，光信号不仅能被直接 感知，而且还可以进行光电转换，以便检测，又因光纤是低损耗的传输线，可以实现远 距离检测。光纤传感检测技术相对一些传统的测试技术具有显著的优越性，这是由光纤 传感器所具备的优点所决定的。与传统的传感器相比，光纤传感器具有灵敏度高、响应 速度快、抗电磁干扰、电绝缘性好、防燃防爆等优点，这都为光纤传感器的发展奠定了 良好的基础。 国际上对光纤传感器的研究是7 0 年代活跃起来的。美国是最早丌始研究光纤传感 器的国家之一。在世界上许多国家的实验室中研制的光纤传感器有几百种，还有相当数 量正处于研制中。光纤传感器在国防、军事、科研、工业、能源、医学、化学等方面得 到了应用并形成了产品。 1 2 光纤液位传感器的发展 目前使用的液位传感器分为两种：开关式和连续式1 2 1 。开关式传感器主要是用于获 得特殊位置的液位值。连续式传感器运用于测量一定范围内的液位值。常用的液位传感 器的工作原理为：( 1 ) 利用被测液体电导率大于空气的原理；( 2 ) 液位与液体压力的f 比关系：( 3 ) 声波从液面传到液体底部所需的时间。这些传感器分别归类为：电子式、 机械一电子式和声波式。声波式传感器非常复杂而且出于结构的原因主要运用于深水位 高精度光纤液位传感器的研究 和大型储水池的液位测量。电子式和机械一电子式在结构上非常简单，但它们的缺点在 于测量易燃易爆液体时的安全性不高。 在石油和化学工业中，需要对易燃易爆液体的液位经常进行测量。因此安全要求是 很必要的。由于光纤传感器绝缘性能好、防爆、酬腐蚀、耐水性好而且光纤可以做成非 常小巧的传感器，使得光纤液位传感器在这些领域发挥了巨大的作用。 利用受抑全内反射原理的光纤液位传感器，因其提供了有效的测量技术而备受关 注。其原理是：光源发出的光耦合进输入光纤，经输入光纤传到传感头，在传感头部位 被部分反射，反射光经输出光纤，然后由探测器检测。当传感头处于折射率较低的介质 时，例如空气，传感头和空气的界面处，全反射条件满足，大部分光被反射回输出光纤 的：芯层内。如果传感头处于折射率较高的介质时，例如液体，大部分光线，将因仝反射 条件不满足而泄漏。由于反射回的光强依赖于传感头周围介质折射率，液位信息就可以 通过检测反射回的光强得到。 这种系统用简单的电子线路就能够准确测量点液位。使用大量的这种光纤液位传感 器并安装在不同的水平位胃上，能够生产出实用的光纤传感器系统，用于高精度液位测 爵。 p l 出f i b e r 。 。， f 培11 s t a n d a r df i b e ro p t j cw a t e rl e v e l $ e b s o r 图t 1 典型的光纤液位传感器 s p e r m e r l 3 1 等提出了第一个基于传感头部折射率变化的液位传感器。他们较早的实验 研究了利用传感头周围介质折射率变化的光纤液位探测器。这种方法给出的实际上是一 种液体有或无的开关式信号，当传感器探头在空气中时，返回的是高电平“l ”信号； 当传感器探头在液体中时，返回的是低电平0 信号。其优点是灵敏度高，电子系统 高精度光纤液位传感器的研究 实现比较简单，最终的光电系统响应时间短，多个探头组合可实现多点准分布式液位测 量，因而各国学者列这种方法研究的最多。他们对不同的传感头结构进行了研究，抛光 的尖角形光纤尖、弯曲的光纤、光纤端部加入棱镜等等。图1 1 所示就是一个利用置于 输入输出光纤尾部的棱镜来测量液位值的典型的传感头。 c o l l i m a t o f i g1 2 a n e u t y p es o n s o rh e a d 图i ，2种新型的传感头 p r i s m c h e n g n i n gy a n 2 4 】提出了一种新型的棱镜型传感头，如图1 2 所示，通过光纤传播的 光线经过自聚焦透镜( g r i n ) 准直后进入棱镜，在棱镜界面处，一部分反射光通过自 聚焦透镜返回光纤，最终被p i n 接收。这种传感器采用了单光纤作为信号输入输出媒介，。 增强了系统的可靠性。y a n g 还对光纤液位传感技术中的分布式传感技术进行了研究， 利用光时域反射计( o t d r ) 对多个液位传感器进行了监测。 这种方法的主要问题是，这种离散的、利用棱镜的传感头在实用化方面存在缺陷， 以及由于菲涅耳反射带来的对反射回的有用信号的损失，和低耦合效率等。这利t 传感器 的主要缺点是光纤需要与棱镜连结起来。通常使用胶来粘接。这些粘接点存在着断裂的 可能性，特别是在清洗传感头的时候。由于这些原因，这种传感器在实际中不能很好的 测量例如油这种粘稠性的液体。 1 9 9 2 年，w a n g a n b o 5 l 将两根光纤焊接在一起做成传感头。所用的光纤是5 0 1 2 5 l _ t m 的梯度石英光纤，数值孔径为0 1 7 ，所用光源为o 2 5 w 的灯泡。对一系列的液体进行 了测景，以得到反射回光强和液体折射率的关系，结果表明，折射率在1 3 3 - - 1 6 3 5 之 间的液体，光强损耗介于2 0 - - 3 9 d b 之间。将一系列传感头放在不同位置，就可以进行 定点液位测量。这种传感头结构简单，没有用到复杂的光学元件。除了可以进行液位测 量之外，通过适当的加工，还可以进行折射率利温度的测量。 k 1 w a m o t o 【6 1 提出了一种测量液位的方法，这种液位传感器，利用了三根光纤。光 高精度光纤液位传感器的研究 线通过发射光纤入射到油面上，接收光纤用于接收从油面上反射回来的光。参考光纤沿 着与发射光纤和接受光纤同样长的光路传输从l e d 发射出来的光。参考光和信号光相 除消去了由于外力或者温度变化引起的光强的扰动。传感器测量范围为1 0 0 m m ，测量 精确度达到了l m m 。这种传感器在一定程度上实现了非接触式测量，但同时也存在着 很多缺点：( 1 ) 发射和接收光纤使用了自聚焦透镜，使传感头结构变得复杂；( 2 ) 使 用了大直径光纤，使系统兼容性下降；( 3 ) 测量范围过于狭小。 m b o r e c k i 7 1 提出了针尖形光纤传感头，用于测量油类液体，他研究了平面、斜面 以及、楔形三种光纤头。他的实验显示，楔形光纤传感头比较适于开关式传感器。 在石油和化工领域，经常需要对液位进行连续的测量，跟踪液位的变化。因此，实 现液位的连续测量也是光纤液位传感器发展的一个很重要的方向。 g b e t t a 8 等提出一种连续液位测量的光纤传感器，其原理是：理论上，多模阶跃型 裸光纤在空气中可认为是双包层结构( 折射率变化为高。低低) ，而进入折射率大于包层 的液体中时相当于w 型光纤( 折射率变化为高一低高) ；通过测量光纤中传输光的衰减 即可得到液位信息。这种方法需要将整根没有保护的光纤置入被测液体中，其实用性不 大。随后c b e t t a 等又提出的改进方案是将光纤在某些固定位置去掉被覆层，增加了传 感头的可靠性，分别实现了l m 测量范围2 5 m m 的精度 9 1 和1 m 测量范围4 m m 精度的光 纤传感器原型【1 0 l ，但其动态范围受到测量方法限制。 目前，光纤传感器正向着小型化和集成化的方向发展，基于受抑全内反射原玛! 的针 尖形单光纤液位传感器由于其集成化程度高、灵敏度高、测量精度高、传感头制作简单， 得到了。泛的重视。 1 3 本论文的工作 本论文提出了一种新型的高精度液位传感器。本传感器结合单光纤受抑全内反射液 位传感器的高灵敏度的特点和微机控制的饲服系统的精确定位和跟踪技术，提供了一种 新的高精度、无漂移、连续和直接测量液位的方法。该液位传感器可广泛应用于石油化 ： 系统的多种液体的液位控制和测量，特别适用于小型容器的液位精确计量。 本论文的工作主要包括一下几方面的内容： 1 对光纤尖的受抑全内反射进行了理论模型模拟，研究了光纤尖形状与回光强度 高精度光纤液位传感器的研究 的关系，建造了传感头的数学模型，从理论上得出了光纤尖的最佳角度和光调制深度。 2 研究了制作针尖形单光纤传感头的两种不同的方法：电弧拉制法和光纤研磨法； 研究了光纤尖的特性，进行了实验测试并得出了两种方法的优劣；总结出了制作针尖形 单光纤传感头的基本方法；分析了液体表面张力对传感器测量精度的影响，提出了减少 表面张力影响的方法；本论文还对光学系统中耦合器及s t 型光纤连接器对回光强度的 影响进行了研究。 3 研制了高精度光纤液位传感器的实验装置，利用l a b v i e w 编写了用于控制系统 的软件；考察了该传感器的测量精度。 4 对针尖形光纤传感头易受污染这一问题进行了研究，分别研究了水中与油中两 种不同的情况，提出了传感头制作的改进方案，提出了在光纤尖上镀t i 0 2 膜的技术， 有效的提高了光纤尖的寿命。 高精度光纤液位传感器的研究 2 1 引言 第二章单光纤传感器传感头的理论研究 在基于受抑全内反射原理的光纤液位传感器系统中，传感头起着十分关键的作用。 它在很大程度二影响着传感器的精度与寿命。传感头的理论研究，对于传感头的制作有 着很好的指导作用。 vd el e o n 1 】认为传感头必须体积较小，且和光纤一体化，采用一体化的光学结构是 很理想的，而且有可能用比较简单的方法来制作传感头。他提出了一些满足这些条件的 传感头，其中包括旋转椭圆；另一满足这些条件的理论模型是，由对数曲线的一部分旋 转形成的回反射器。如果选择适当，在空气中这种结构能够保证：在入射光纤数值孔径 内传播的所有光线，能够经过两次全反射到达接收光线的数值孔径内：一旦这种回反射 器的：莨而接触到液体，反射率就会降低，降低的程度依赖于液体的折射率和光学结构的 特性。这种结构对周围介质的折射率有很高的灵敏度。v d el e o n 是对传感头的微观结 构研究比较多的，他使用了光线追迹的方法，从理论上求得各种传感头的回光率。 j n i e w i s c h l 2 运用光线追迹方法分析了传感头处光线传播的过程，他认为传感头的形 状可由四次多项式描述： 厂( r ) = a r 4 + b r3 + c r2 + d r + e ( 2 1 ) 改变多项式的系数，即改变传感头的形状，用光线追迹的方法计算传感头在空气和 水中的反射率，直至得到传感头在空气和水中的最大反射率之差，就找到了最佳的形状。 他分析了三种形状的传感头： ，( r ) 2 一r 2 + 1 ( 2 2 ) 厂( r ) = 一2 r 3 + 2 ( 2 3 ) ( r ) = 一r + l ( 2 4 ) 计算的结果表明：( 2 3 ) 式和( 2 4 ) 式表示的传感头得出的在空气和水中的反射率 之差都大于0 5 ，他提出由于液滴效应的作用( 当传感头露出液面时，由于表面张力和 粘度的作用，将在传感头处形成液滴) ，直角形状( 2 4 ) 式虽然给出的在空气和水中的 高精度光纤液位传感器的研究 反射光强差值最大，但不是最适宜的形状。他认为( 2 3 ) 式表示的传感头是最佳的传 感头。但在实际中，三次方曲线的传感头很难制作。 本章对光线在光纤中的传播及光线在光纤尖的受抑全内反射进行了理论模型模拟， 从理论上得出了光纤尖的最佳角度，分析了具有较大回光率的各个角度的光调制深度。 2 2 传感头的理论分析 2 2 1 菲涅耳反射、折射及光强反射率 弋 p l 一j ? s 2 k k 2 p j x 1 1 ： z f i 9 2 1t h e o r t h o g o n a lc o o r d i n a t es y s t e ms e l e c t i o no f p 、j a n dk 图2l p 、sa n d k 正交坐标系的选择 两种电介质的折射率分别是n i 和n 2 ，它们由平面界面分开。平行光从介质1 一侧 入射，在界面上发生反射和折射【3 】。 如图2 1 所示，取界面的法线为z 轴，方向与入射光协调，从介质1 到介质2 。此 外取_ ) f 轴在入射面内，从而y 轴与入射面垂直，x ，y ，z 构成右手正交系。设入射角、 反射角和折射角分别为i ，i ：和i ：，并承认反射定律和折射定律成立，即 i ；= i l和n ls i n i l = n 2s i n i 2a 我们约定：j 正方向沿抄方向( 图中垂直纸面向外) ，p 的正方向由下式规定 p 。= k l ，“j ：= 女i ，p 2 x s 2 = k 2 ， ( 2 - 5 ) 即对于每束光来说，要求按p ，s ，k 的顺序组成右手正交系。有了这三个局部直角 高稽度光纤液位传感器的研究 坐标系，我们就可以把三光束的电矢量e l ，e l ，易分解成p 分量和s 分量，它们的 正负都是相对于各自的基矢方向而言的。 按照以上约定，由电磁场的边值关系可以导出，在界面两侧临界点的入射场、反射 场和折射场各分量满足以下关系： e ：! ! 竺坠二堡! 竺垒e 1 9 一n 2c o s i 】+ n 1c o s i 2 ” j f l 2cos黯iic o s l 2 + ” e 。，：型攀二坐罢e 。， 啊c o s f l + 1 2c o s l 2 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) e 2 ，：? 坚堡l _ e 。 ( 2 - 9 ) 7 tc o s + n 2c o s l 2 以上四等式便是菲涅耳反射折射公式。其中前两式是反射公式，后两式是折射公式。 当光入射到界面上时，光强反射率月为： r = e l 口+ e l ， e 1 ，2 + e h 2e i p 2 + 盯 设e l 。= e 则 r = 2 2 2 全反射 数值 2c o s l l 一 t c o s l 2 2c o sz l + lc o s l 2 2 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 当光线从光密媒质射向光疏媒质时，折射角i 2 大于反射角i l 。当入射角增大至某一 i 。= s i n 一1 ( 坠) n ( 2 1 2 ) 、 e ，唑屯 s s o o c c 2 2 一一”二+ h一h 堕c c 一肝 ，ji 十 2 、i， p e q一如 s s o 0c c 胛二+：zs s一 也一也 ，。l 、 吒一k 菪| | ； 也一心 一一+s s一 n 门 ，。l + u】一 高精度光纤液位传感器的研究 时，折射角i 2 = 9 0 。当i l i 。时，折射线消失，光线全部反射。这种现象成为全反射。 i 。称为全反射临界角7 1 。此时的光强反射率月为 通过全反射临界角时，光的强度变化情况如下：当入射角i - 由小到大趋近临界角i 。 时，折射光的强度逐渐减小，i i 达到或超过临界角i 。后，折射光的强度减到0 ，同时反 射光的强度达到了1 0 0 。图2 2 给出了光线从玻璃射向空气中时，光强反射率与入射 角的关系图。 宣 尝 8 矗 盏 h eg l a s s ( n = 1 5 0 ) t ot h ea i r ( n = 1 0 ) i l 一一 i 一l 一 l i 一l 一 i l l l _ 一 一l 一 一r j j 一 l l k ： l l 、h i 。= 4 1 8 f , o 9 0 。 f i 9 2 2 t h er e f l e c t i v l t yo f l i g h t f r o m t h eg l a s s t o t h e a i r 图2 2 光线从玻璃射向空气时，反射率与角度的关系 2 2 3 光纤内模的传播 根据光波导理论，相位传播常数b 是表征光纤传输的特性参量4 1 。它满足以下条件 k ；d k ? ( 2 1 5 ) 根据定义： “2 = d 2 ( 1 2 _ d 2 ) ( 2 1 6 ) w 2 = a 2 ( 1 32 一日) ( 2 1 7 ) 一 掣 鍪 高精度光纤液位传感器的研究 故有： “2 十w 2 ；a 2 ( 砰一；) ( 2 - 1 8 ) 所以“和w 的范围均为： o “d 蕊，o w 口弼 ( 2 1 9 ) 当”斗0 时，即p k 。，那就相当于模在光纤芯内传播；当w - - - ) 0 时，即p 斗k ：， 那就相当于模在光纤包层内传播，此时相应于“为最大，这是模的截止条件。 令兰= k ，c o s a ，p = k ls i n a 。在这里的口角，我们就称其为特征角，这个角实际上 “ 是光线和光纤内壁法线之间的夹角。从公式中也可以看出，n 角的大小是由传播常数p 和光纤参数确定，故而a 角就表示为模特性的参数，所以也称之为模的特征角。 由特征角的定义可得： c o s d ：羔：旦 ( 2 2 0 ) 蛐a k l 虿2 z c a 圳 a 1 当专。，“= - 孕小_ 二虿，把它代入上式可得： c o s a 。 ( 2 2 1 ) 即有：s i n d 。：垒，s i n a 。= n 2 ，这就是光纤芯内界面上的全反射条件，璐角就是 一 临界角。只要d 角的范围在和9 0 。之间的入射光线均能通过光纤传播a l j = h j l - ，光纤 芯和包层内壁的d 角要满足传输条件，并且还考虑到光纤内光波的横向谐振条件： c o s a 矿兰 ( 2 2 2 ) 啤酢0 式中a m 就称为模的特征角；m 是序数，可取正整数，a 是光纤的半径。显然： 玎。a 。s 9 0 。 ( 2 _ 2 3 ) s i n a 。s i n a 。 ( 2 2 4 ) 故有： 高精度光纤液位传感器的研究 化简即为 堕1 2 1 ”2 ：堡 l l 4 叩jjn t z 兰墼兰2 二! ：1 2 1 1 1 2 丑 ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 这里规定m 司能取的范凼，即田取的各个整数，有： o ，l ，2 ，3 ，塑蟹二型： 相对应的为：9 0 。，a 。 由卜- 述可知，序号们卅+ 1 的模对应的特征角和序号为m 的模所对应的特征角余弦 值相差为： c o 鲫。1q o s 吒2 毫 q 。2 7 ) 取入射光波长 = o 8 5p1 1 1 ，光纤纤芯直径2 a = 6 2 5um ，介质折射率n l = 1 5 ，则 ：c o s a ：坠一：0 0 0 4 5 3 3(228)-cos1 2 。0 8 4 m + im2 瓦五i 丽2 “一 从上式可以看出，当光纤直径比光波民大很多时，即2 a 旯时，两个模之间特征 角的余弦值相差很小，故而口角可以看作为连续的，在光纤内壁上只要入射角大于临界 角的地线均能传播。 2 2 4 光纤尖的模拟 在普通的光纤中，通常是用光的全反射原理来解释光的传播现象，只要在光纤芯和 包层界面上的入射角大于全反射临界角的入射光线都能够通过光纤而传递。 当光纤的芯径较大( 远大于波长) ，芯和包层的折射率相差较大情况下，虽然通过 光纤的光波含有各种电磁振动类型和方向的波形，但由于大量的各种波形的叠加，所以 其中单个波形的性质就不突出，而是一个综合的结果，所以采用射线理论处理是一个很 好的近似。 为了更好的理解光线在光纤中传播，我们引入子午光线的概念1 9 1 。在一根光纤中， 高精度光纤液位传感器的研究 通过光纤中心轴的任何平面都称为子午面，而位于子午面内的光线就称为子午光线。子 午面在光纤端面上的投影即为光纤端面上的直径。由于子午光线和光纤中心轴处于同 平面，所以处理子午光线的数学方法可以在同一平面内进行。 f i g 2 3t h et r a n s m i s s i o no f m e r i d i a n r a yi nc y l i n d e rf i b e r 图2 3 直圆柱形光纤中子午光线的传播 数学模型是基于光线追迹的原则建立的。这样做的好处是： 1 根据反射和折射定律，可以准确的计算出每一条光线的轨迹。并利用v i s u a lc + + 强大的绘图功能画出每一条光线的轨迹。 2 将每条光线看成是光的能量，可以通过计算光线的条数得出返回的光强和出射 的光强。 光纤失的数学模型选用的光纤为阶跃型光纤，其纤芯与包层的折射率差一般为1 左右。纤芯折射率为1 4 7 ，包层折射率为1 4 5 5 3 。 由于我们实验用的传感头主要为光纤研磨法所制，其光纤尖的形状为圆锥形，因此， 在模拟计算中，也采用圆锥形光纤尖。 为了简化计算，光纤数学模型做了几个假设： a 在光纤中传播的光线为子午光线。 斜光线的传播路径较长，在光纤较长的情况下，斜光线的损耗非常大。因此，光纤 内传播的光线中，绝大部分应为子午光线。 b 入射光线的分布为均匀分布。 从( 2 2 7 ) 式可以看出，当光纤直径比光波长大很多时，即2 a 兄时，两个模之 间特征角的余弦值相差很小，故而入射光线的角度可以看作为连续的。在光纤内壁 上只要入射角大于临界角的光线均能传播。 基于光线追迹的光纤尖数学模型的算法采用了以下步骤： 1 画出光线传播区域： 高精度光纤液位传感器的研究 “”一一+ 。：“i 。“。| “4 “4 4 “一“。| t “。、 太 f “ 一 一一。? 。，。一， 。 【 t 一 一口 弼鲥怒凌# 强潞襻辩簿浚艇捌楚淹叙鹾镶 l 辅，( d ) 教秘囊辘 f i g 2 4d i f f e r e n tr a yi nt h er e g i o no f f i b e rt i p 图2 4 在光纤尖处四种不同的光线 图2 4 给出了四种不同的光线传播路径。三种出射光线，一种反射光线。沿光纤传 播的光线其轨逊在光纤尖附近主要是这四种情况。 ( a ) 光线在界面处经过一次折射后出射； ( b ) 光线在界面处经过一次反射一次折射后出射； ( c ) 光线在界面处经过两次反射后回射到光纤内 包层模出射： ( d ) 光线在界面处经过两次反射后回射到光纤内， 但由于不满足全反射条件变成了 满足全反射条件成为了传播模。 高精度光纤液位传感_ ； 的研究 f i g 27 i g h tt r a n s m i t t e di nt h e r i g h tf i b e rt i pf i nt h ea i r ) 图27 光线在9 0 。角光纤尖内的传播( 空气中) f i g 2 8l i g h tt r a n s m i t t e di nt h er i g h tf i b e rt i p ( i nt h ew a t e r ) 图2 8 光线在9 0 。角光纤尖内的传播( 水中) 图2 7 与图2 8 为锥角9 0 。的光纤尖的模拟模型。光纤尖周围介质分别为空气和水。 从图可以看出当光纤尖处于水中时，绝大部分光线都会出射；而在空气中时，一部分光 线会被反射回去，形成反射光。 在这里，我们引入回光率这个概念。回光率定义为光纤中反射光强与入射总光强之 比。它的大小反映了光纤尖在某一介质中的回光能力的强弱。 依据这种数值模型，代入不同的光纤尖角度，计算得出各个角度的不同回光率。得 出了最佳的光纤尖角度。 高精度光纤液位传感器的研究 00 1 0 00 0 8 00 0 6 占0 0 0 4 00 0 2 00 0 0 6 08 01 0 01 2 01 4 00 a n g l e o ff i b e rt i p ( 5 0 16 0 ) 8 59 09 51 0 01 0 5 a n g l e o f f i b e rt i p ( s 0 1 0 5 ) f i g2 9t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e f l e c t i v i t ya n dt h ea n g l eo f f i b e rt i p ( i nt h ea i r ) 周2 9 图2 9 光纤尖角度与回光率的关系图( 空气中) 6 08 01 0 01 2 01 4 01 6 0 a n g l eo f f i b e rt i p ( 5 0 1 6 0 ) 。1 。 0 0 0 0 8 1 1 o0 0 0 6 j 0 0 0 0 4 1 0 0 0 0 2 jjj i i ：_ 0 0 0 0 0 仨i 兰兰：；= ；= a n g l eo f f i b e rt i p ( 8 0 10 5 ) f i g 21 0r e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e f l e e t i v i t ya n dt h ea n g l eo f f i b e rt i p ( i nt h ew a t e r ) 图2 1 0 光纤尖角度与回光率的关系图( 水中) 图2 9 为光纤尖处于空气( n = 1 0 ) 中时回光率与光纤尖角度的关系图。从图中可 以看出，较高回光率的光纤尖其锥角主要集中在9 0 。附近，最大回光率的光纤尖角度为 9 3 。在实际的光纤尖制作中，采用光纤研磨法制作传感头时，我们发现，光纤尖角度 为9 0 。左右时，其回光率往往要比其他角度的回光率要高。 对周围介质折射率敏感型光纤液位传感器的性能主要取决于传感头在气相介质和 液相介质两种状态下的返回光强之比，其光调制深度定义为： ， m = 一1 0 1 0 9 卫 ( 2 2 8 ) g 式中，丘是传感头在液相介质时的返回光强，坫是传感头在气相介质时的返回光强， 光调制深度m 是一个与传感头周围特定介质有关的重要参数，也是表征传感头性能的 5 4 3 2 1n。铲口。即g。 叫 占戛当蛊 高精度光纤液位传感器的研究 重要指标口l 。光调制深度的大小在很大程度上影响着光纤液位传感器的抗干扰性、信噪 比和工作寿命。 图2 1 0 为光纤尖处于水( n = 1 3 ) 中时回光率与光纤尖角度的关系图。从图中可以 看出，当光纤尖处于水中时，其回光率显著降低。我们可以从理论上得出光纤尖的光调 制深度m 。 当光纤尖为9 0 。时，周围介质为水( n = 1 3 ) 其光调制深度为： m ：一l o l o g 生：1 0 l o g 业。3 6 6 d b i 。4 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 8 68 89 09 29 49 69 8 a n g l eo ff i b e rt i d f i g2 1 l o p t i c a l m o d u l a t i o nd e p t h o f d i f f e r e n t f i b e r t i pa n g l e i n t h e w a t e r 图2 1 1 各种不同角度的光调制深度 从图2 9 可以看出，8 6 。到9 7 。之间的光纤尖其回光率较大。图2 1 1 从理论上给出 了这段角度的光调制深度。可以看出，光调制深度集中在3 8 d b 左右，最大值为4 3 4 d b 。 理论值与实验值有一定偏差，在下一章给予了讨论。 2 3 本章小结 本章主要从理论上研究了单光纤液位传感器的传感头形状对回光率的影响：建立了 基于对周围介质折射率敏感的单光纤液位传感器其传感头的光学模型；描述了光线在多 模光纤内及光纤尖内外的传播情况。本论文主要研究了圆锥形光纤尖的传感头，对其几 何形状与光学反射特性之间的关系进行了研究，得出了结论：较高回光率的光纤尖其锥 s臣。口co；j口oe而u；ao 高精度光纤液位传感器的研究 角主要集中在9 0 。附近，最大回光率的角度为9 3 。；从理论上计算得到了9 0 。锥角附 近各个角度的光纤尖的光调制深度m ，其值集中在3 8 d b 左右，最大值为4 3 4 d b 。 高精度光纤液位传感器的研究 3 1 电弧拉制法 第三章传感头的制作 电弧拉制法的原理是通过热源加热，用电弧将光纤熔融后加力拉断，使光纤端面成 圆锥形。这种方法简单易行，受环境影响小，但制作的技术难度较大，容易出现随机涨 落。实验中使用z w t 一3 型光纤程控熔接机，该仪器结构分为三部分；( 1 ) 三维调节平 台：用于调节光纤位置；( 2 ) 显微镜系统：用来监视光纤拉伸情况；( 3 ) 电极：用来产 生高温电弧。由于对光纤进行的是熔拉而不是熔按，因此不能实现程控，只能用手动操 作，因而会产生很多随机因素，因此要制备高质量的光纤尖需要多动手积累经验。 在熔拉过程中，拉丝条件( 拉速、温度、拉丝张力) 对最终光纤折射率分布有着蘑 大影响。慢速冷却可以获得较高密度，这意味着在此同时弹性模量和折射率也有较高数 值。 。栽 e le c t r o d e n dd i r e c t i o n f i g31t h es k e t c hm a po ft h ef a c t u r eo fs e n s o rh e a d 图3 1 传感头的制作 z i 9 3 2t h es k e t c hm a po f i n s p e c td u r i n gt h ep r o c e s s i n go f t h es e n s o fh e a df a c t u r e 图3 2 传感头制作的监测过程 一 万 戛聪 习 高精度光纤液位传感器的研究 在实验中使用的光纤是6 2 5 1 m a 1 2 5 9 m 的多模光纤，光纤尖的制各过程为： ( 1 ) 调节光纤熔接机的平台，使两个平台上放置光纤的凹线在同一水平直线上。 ( 2 ) 将光纤外层的一段塑料保护层全部去掉，用酒精除去一段长度的涂敷层，然 后用棉花清洁光纤，最后把处理过的光纤放置在光纤熔接机的平台上并固定好。 ( 3 ) 调整电极位置和间距，然后用较大的电流( 约1 5 5 m a ) 给光纤间断的加热， 同时沿光纤轴线方向作微小拉伸( 如图31 所示) ，在此过程中，要一直用显微镜对拉伸 处进行观察，当两段光纤即将断开时，停止加热，提起保留端，让光纤在重力作用下自 然断裂，接下来用小电流( 约1 3 m a ) 对光纤尖进行退火处理，以消除光纤尖处不均匀 应力的影响，使光纤尖变得圆滑。在此过程中，一直用p i n 探测器和锁相放大器监测反 射回来的信号，以得到最大的反射信号( 如图3 2 所示) 。在拉伸过程中要注意利用光纤 冷却时由表面张力引起的自身收缩。 由于工艺原因，电弧拉制法很难制备顶角为9 0 0 的圆锥形端面的光纤尖，但可以制 备反射率较大的光纤尖，经实验证明，用电弧拉制法制备的光纤尖在油中其光调制深度 可以达到1 0 d b 以上，可以满足实验的一定要求。 3 2 光纤研磨法 光纤研磨法的原理是采用机械研磨的方法，使光纤端面磨成各种角度的圆锥形。这 种方法的优点是制作技术难度低，受环境影响较小。实验中使用的是u l t r a p o l1 2 0 0 型光纤研磨机。 f i g3 3 u l t r a p o l1 2 0 0s e r i e sp o l i s h i n gb a s e s 图3 3u l t r a p o l1 2 0 0 系列光纤研磨机 高精度光纤液位传感器的研究 在实验中使用的光纤是6 2 5 肛m 1 2 5 “m 的多模光纤，光纤尖的制备过程为： ( 1 ) 将研磨颗粒真径为5 1 t i n 的金刚砂磨片冲洗后置于磨盘上。 ( 2 ) 用光纤切刀将光纤切出一个平整的端面。去除光纤外层的一段塑料保护层， 裸纤留出大约2 5 m m ，用棉花蘸酒精清洁光纤。 ( 3 ) 光纤从研磨机后端插入，进入固定的光纤导槽。光纤导槽夹持着两个陶瓷插 针，使得光纤的裸纤部位能够通过。拧紧旋锤，使它能够夹紧光纤，从而带动光纤旋转。 ( 4 ) 设置好研磨角度，调节光纤高度，使得光纤接触磨盘表面并略微弯曲。 ( 5 ) 设置好时间，打开水阀，开始研磨。研磨中需要换两次磨片。分别为研磨颗 粒直径为1 p m 的金刚砂磨片和l i m a 的a 1 2 0 3 磨片。 ( 6 ) 研磨完毕，将光纤取出。 研磨完成之后，可以使用显微镜对光纤尖的好坏进行初步的判断。在灯光照射下， 用显微镜观察光纤尖。回光率高的光纤尖往往表面晶莹透亮，而回光率低的光纤尖表面 粗糙，模糊不清。从这点可以看出，表面光洁度也是影响光纤尖回光率的一个重要因素。 光纤研磨方法实现了程控方式研磨光纤尖，无需人为操作，减少了很多不确定因素。 这种方法制作出的光纤失为圆锥形，而且顶角可以人为控制。经实验证明，用光纤研磨 法制备的光纤尖在油中其光调制深度可达2 1 d b 以上。 3 3 两种方法的比较 6 0v a = b t 5u v = 4 6 0 黼 v 。l ，= 12 2 鬻v w a t e r = 0 5 励 f i g3 4 r e t r o r e f l e c t i v el i g h tp o w e rf r o mt h ef i b e rt i pt h a tm a d ef r o md i f f e r e n tf a b r i c a t i o nm e t h o d s ( 1 ) f i b e rt i 口i m m e r s