光子晶体光纤液位传感器及其形成的传感系统\n技术领域\n[0001] 本发明属于液位测量，具体涉及光子晶体光纤液位传感器及其组成的系统。\n背景技术\n[0002] 在工业生产中经常需要对液位进行测量，传统的检测方法有人工法、浮子法、电学法等，但这些方法在自动化、精密度、安全性等方面存在固有缺陷。光纤传感器本质安全、精密度高的特点，正好克服了传统方法的缺陷。在众多的光纤液位传感器中，以光强度调制型的为主，有泄露模式的[1]、基于全内反射的[2]-[5]、液面反射式等。但这些光纤液位传感器也有明显不足，有的受所测液体的理化性质严重限制、有的量程小、有的精度不高、有的可靠性不够干涉型的光纤传感器具有更高的精度，而光纤法布里－珀罗(F-P)腔干涉仪结构简单，近年来也得到了广泛研究。另外近来还出现了一些基于光纤光栅的液位传感器[6],[7]。\n[0003] 申请（专利）号CN200420102303.6“光纤法布里-泊罗腔液位传感器”中利用被测液位变化对腔长的影响进行传感。但是制作工艺复杂，不适合批量生产。\n[0004] 近年来，光纤干涉传感被研究用来监测温度、压力、气体密度或折射率。在单模光纤中实现干涉的一种办法是利用长周期光栅[8]，另一种办法是将光从单孔光纤耦合到多孔光纤[9]，还有一种办法利用了光纤拉锥[10，11]。2008年，Rajan Jha提出用于绝对折射率测量的光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪，他将大模场光子晶体光纤（LMA-8 Crystal Fiber）（图1a）和单模光纤（SMF-28）熔接，并将光子晶体光纤末端用光纤切割刀切割作为反射镜面，干涉条纹会随外部折射率的增加发生红移，熔接后形成的塌陷区长度约300μm，引入损耗5-9dB，损耗大小与塌陷区长度以及熔接参数有关，塌陷区长度越短损耗越小[12]。\n[0005] 现有的光纤液位测量技术中，对于各种环境下液位感测是采用腐蚀后的光纤光栅或者拉锥光纤或者光纤错位熔接，不仅降低了光纤本身的机械强度，而且还存在温度交叉敏感效应，限制了它们的使用。利用光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪来测量液位，可以解决以上问题。需要参与干涉的纤芯模和包层模的模场强度比在液位为零时大于等于1,这样随着液位的增加,干涉条纹对比度才会单调减小，同时为了得到尽可能大的测量范围，熔接时引入的损耗应约为3dB。本专利使用SC-4.0（图1b）和单模光纤（SMF-28）熔接, SC-4.0有小孔的包层部分较小，熔接后的塌陷区较短，等于65μm，熔接过程引入的损耗为3dB。为了增强干涉信号，又为了防止镀膜时银进入包层小孔，预先用光纤熔接机对末端放电，使空气孔闭合后，在光子晶体光纤末端镀上50nm的银膜用来增强反射率。\n[0006] 1、 Giovanni Betta,Antonio Pietrosanto, and Antonio Scaglione, "A Digital Liquid Level Transducer Based on Optical Fiber, "IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, 45(2), 551-555(1996).\n[0007] 2、 Pabitra Nath, Pranayee Datta, and Kanak Ch Sarma, "All fiber-optic sensor for liquid level measurement," MICROWAVE AND OPTICAL TECHNOLOGY LETTERS, \n50(7), 1982-1984(2008).\n[0008] 3、 Pekka Raatikainen, Ivan Kassamakov, Roumen Kakanakov an Mauri Luukkala, "Fiber-optic liquid-level sensor," sensors and actuators A, 58 \n93-97(1997).\n[0009] 4、 F. P??erez-Oc??on , M. Rubino, J.M. Abril, P. Casanova, J.A. Mart????nez, " Fiber-optic liquid-level continuous gauge," sensors and actuators A,125,124-132(2006).\n[0010] 5、 Chengning Yang, Shiping Chen, Guoguang Yang, "Fiber optical liquid level sensor under cryogenic environment," sensors and actuators A, 94, \n69-75(2001).\n[0011] 6、 Binfeng Yun, Na Chen, and Yiping Cui, "Highly Sensitive Liquid-Level Sensor Based on Etched Fiber Bragg Grating," IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 19(21), 1747-1749(2007).\n[0012] 7、 Tuan Guo, Qida Zhao, Qingying Dou, Hao Zhang, Lifang Xue, Guiling Huang, and Xiaoyi Dong, "Temperature-insensitive fiber Bragg grating liquid-level sensor based on bending cantilever beam," IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, 17(11), 2400-2402(2005).\n[0013] 8、 H. J. Patrick, A. D. Kersey, and F. Bucholtz, "Analysis of the response of long period fiber gratings to external index of refraction, " J. Lightw. Technol., 16(9), 1606–1612(1998).\n[0014] 9、 L. Yuan, J. Yang, Z. Liu, and J. Sun, "In-fiber integrated Michelson interferometer, " Opt. Lett., 31(18), 2692–2694(2006).\n[0015] 10、Z. Tian, S. S.-H. Yam, J. Barnes, W. Bock, P. Greig, J. M. Fraser,H. P. Loock, and R. D. Oleschuk, "Refractive index sensingwith Mach–Zehnder interferometer based on concatenating twosingle-mode fiber tapers, " IEEE Photon. Technol. Lett., 20(8), 626–628(2008).\n[0016] 11、Z. Tian, S. S.-H. Yam, and H. P. Loock, "Refractive index sensor basedon an abrupt taper Michelson interferometer in a single mode fiber, "Opt. Lett., vol. 33, 1105–1107( 2008).\n[0017] 12、Rajan Jha, Joel Villatoro,"Ultrastable in reflection photonic crystal fiber modal interferometerfor accurate refractive index sensing, " APPLIED PHYSICS LETTERS, vol.93, 191106(2008)。\n发明内容\n[0018] 一种光子晶体光纤液位传感器，其特征在于包括单模光纤SMF-28与光子晶体光纤SC-4.0，\n[0019] 所述的单模光纤SMF-28与光子晶体光纤SC-4.0的始端熔接，光子晶体光纤的始端包层空气孔在熔接点闭合形成始端完全塌陷区域；所述的始端完全塌陷区域长度等于\n65μm；光子晶体光纤的末端熔接形成末端塌陷区域；光子晶体光纤末端镀有反射膜。\n[0020] 可以采用用熔接机对光子晶体光纤末端放电形成末端塌陷区域。\n[0021] 作为一种优化方式光子晶体光纤长度为10-50mm。\n[0022] 作为进一步优化方式光子晶体光纤长度为20mm。\n[0023] 作为进一步优化方式所述的反射膜为金属银膜，其厚度为50nm。\n[0024] 作为进一步优化方式在光子晶体光纤液位传感器外还设有保护套，距光子晶体光纤部分的保护套设有若干小孔。\n[0025] 作为进一步优化方式所述的单模光纤与保护套之间还设有过渡缓冲套。\n[0026] 一种光子晶体光纤液位传感器形成的传感系统，其特征在于：包括\n1510-1590nmASE宽光源、单模光纤、环行器、光子晶体光纤传感器、光谱分析仪和计算机；\nASE宽光源接环行器F端口，环行器的G端口与上述的光子晶体光纤液位传感器连接，环行器的H端口与光谱分析仪连接，光谱分析仪的数据读入计算机;所述的光子晶体光纤液体传感器被垂直置于液体中。\n[0027] 一种光子晶体光纤液位传感器的制做方法：\n[0028] 光子晶体光纤液位传感器是将光子晶体光纤SC-4.0（图1b）与普通单模光纤SMF-28用光纤熔接机熔接，在熔接点光子晶体光纤的包层空气孔完全塌陷形成塌陷区域，此塌陷区域长度等于65μm，引入纤芯损耗3dB，只有一半能量在光子晶体光纤纤芯中传播,另一半未进入纤芯的能量在包层中继续传播。因此塌陷区域在这里的作用相当于耦合效率为3dB的耦合器，将在单模光纤纤芯中传输的光分成能量相等的两束分别在光子晶体光纤纤芯和包层中传输；在距离熔接点约10-50mm的光纤末端用光纤切割刀切断，预先用光纤熔接机对末端放电使空气孔闭合后在该端面上镀上反射膜作为反射镜。由单模光纤、熔接点、光子晶体光纤包层、光子晶体光纤纤芯、反射膜形成一个光纤迈克耳逊干涉仪。在该迈克耳逊干涉仪上，光子晶体光纤只有光纤纤芯和光纤包层，光子晶体光纤长度为\n10-50mm，这就构成了光子晶体光纤液位传感器，利用光纤包层中传输的光能量损耗和光纤包层与光纤芯的光干涉条纹特征来测量被测液体液位。上述被测液体的折射率大于光子晶体光纤包层的折射率。\n[0029] 本传感器的传感原理是利用光纤迈克耳逊干涉仪中的光纤包层光在光子晶体光纤和外部环境界面处的能量损耗和光干涉特性来测量液位的：\n[0030] （1）单模光纤纤芯中传输的光到达熔接点塌陷区域时被分为两部分，一部分光继续在光子晶体光纤纤芯中向前传输形成芯模，另一部分被耦合到光子晶体光纤包层中传输形成包层模。\n[0031] （2）当光子晶体光纤被置于空气中或水中或其他折射率小于光子晶体光纤包层折射率的液体中时，包层光在包层与外部环境的界面处发生全反射，由于光子晶体光纤长度只有10-50mm，包层光能量可近似认为不损耗。\n[0032] （3）当光子晶体光纤一部分或全部被置于折射率大于光子晶体光纤包层折射率的液体（如食用色拉油）中时，包层光在包层与外部液体的界面处发生反射和折射，从而导致包层中光能量的衰减。\n[0033] （4）被衰减后的包层光和能量不变的纤芯光到达反射膜时分别反射回光子晶体光纤包层和纤芯并反向继续传输。光纤包层光继续产生反射和折射。被测液体液位越高被折射出去的能量越多。综合（3）（4），本发明测量对象为折射率大于光子晶体光纤包层折射率的液体液位。\n[0034] （5）反射回来的光纤包层和光纤纤芯的光再次到达熔接点时，光子晶体光纤纤芯的光和光子晶体光纤包层光发生干涉，该干涉光在单模光纤中传输。\n[0035] （6）在产生干涉的两束光中，光子晶体光纤纤芯中的光不受外界液位的影响；但光子晶体光纤包层中的光因发生折射而使能量衰减，但其相位不发生变化。这样就影响了干涉信号的条纹对比度。液位越高，包层中光能量衰减越多，条纹对比度就越小，它们之间的变化关系是确定的。\n[0036] （7）干涉信号通过环行器由光谱分析仪读出。光谱分析仪的数据读入计算机，计算出干涉条纹对比度，就可测量被测液体液位。\n[0037] 熔接点塌陷区域分光耦合原理（如图7）：\n[0038] Z为光波传输距离，在Z=0处光波从单模光纤进入光子晶体光纤的塌陷区，单模光纤的基模发生衍射，模场变宽，模场直径MFD可由高斯光束近似估算。\n[0039] （1）\n[0040] 为单模光纤模场半径，约4.5μm ，n1是纯石英折射率1.46。通过65μm的塌陷区后，在波长为1550nm时MFD约扩大到Z=0处的1.5倍，约为13.5μm，而光子晶体光纤基阶芯模模场半径仅为3.5 μm。所以通过约65μm的塌陷区后会激发出基阶芯模和高阶包层模。两个受激模分别在光子晶体光纤纤芯和包层中传播，被反射模反射后又都回到熔接点，在这里两者发生干涉。干涉强度I由下式给出\n[0041] (2) \n[0042] 其中 , 为光程差, I1 是纤芯中传播的光强,不受液位变化影响，I2 是包\n[0043] 层中传播的光强，随被测液位的变化而变化。最大和最小光强由下面两式给出[0044] (3)\n[0045] (4)\n[0046] \n(5)\n[0047] 其中 ΔP 是最大最小光强对数差。 当液位在一定范围内变化时，ΔP 将随液位近似线性减小。从上式中还可以看出这种液位传感系统可以消除由于光源波动和光路干扰产生的误差。\n[0048] 相关材料\n[0049] 1、PCF型号SC-4.0-1040-46，具体参数\n[0050] 材料: 纯石英\n[0051] 折射率：1.46\n[0052] 芯径: 4.2 ± 0.5 μm\n[0053] 包层直径: 125 ± 3 μm\n[0054] 涂敷层直径: 245 ± 5μm\n[0055] 模场直径（MDF）@1550nm: 3.4 ± 0.2 μm\n[0056] 衰减 @ 1550 nm : < 2.2 dB/km\n[0057] 2、SMF-28具体参数\n[0058] 芯径: 8.2 μm\n[0059] 包层直径: 125 ± 1 μm\n[0060] 涂敷层直径: 250 ± 1μm\n[0061] 模场直径（MDF）@1550nm: 9.2 ± 0.8 μm\n[0062] 3、色拉油折射率：1.47\n[0063] 4、光环行器（如图6）\n[0064] 光环行器是一种三端口的非互易磁性器件，在光网络中用于信号的上、下载。\n端口F输入，端口G输出；端口G输入，端口H输出\n[0065] 有益效果\n[0066] 1、现有的光纤液位测量技术中，对于各种环境下液位感测是采用腐蚀后的光纤光栅或者拉锥光纤或者光纤错位熔接，不仅降低了光纤本身的机械强度，而且还存在温度交叉敏感效应，限制了它们的使用。利用光子晶体光纤迈克尔逊干涉仪来测量液位，可以解决以上问题。要求参与干涉的纤芯模和包层模的模场强度比在液位为零时大于等于1,这样随着液位的增加,干涉条纹对比度才会单调减小，同时为了得到尽可能大的测量范围，需要熔接时引入的损耗约为3dB。本专利使用SC-4.0（图1b）和单模光纤（SMF-28）熔接, SC-4.0有小孔的包层部分较小，熔接后的塌陷区较短，等于65μm，熔接过程引入的损耗为\n3dB。为了增强干涉信号，又为了防止镀膜时银进入包层小孔，预先用光纤熔接机对末端放电，使空气孔闭合后，在光子晶体光纤末端镀上50nm的银膜用来增强反射率。\n[0067] 2、本传感器具有一般光纤传感器的优越性，不易受电磁干扰，传感器结构简单、尺寸小，适用于易燃易爆等恶劣环境。除此之外，本传感器还有很多独特的优点。（1）实现了全光纤迈克耳逊干涉仪，在光纤上实现了分光、传光、耦合光、反射、合束及干涉的功能，传感器结构微型化。（2）传感系统不受杂散光的影响。因为本传感系统测量的是干涉光谱信号，而杂散光与信号光不满足相干条件。因此，杂散光不影响测量结果。（3）传感系统不受温度的影响。因为温度的变化会影响纤芯光和包层光的相位差，使干涉条纹平移，但不会改变条纹对比度。而本传感系统测量的是干涉条纹对比度，因此温度变化不影响测量结果。\n（3）传感器制作方便，不需要腐蚀光纤，信号噪声小。总之，本传感器及其系统结构简单、微型化、全光纤化。利用光纤包层光反射、折射和光的干涉特性来测量液体液位，利用单模光纤、光子晶体光纤实现一个完整的微结构迈克耳逊干涉仪及液位传感器，系统灵敏度高、可靠性好。本传感器测量的液体折射率大于光子晶体光纤包层折射率。\n附图说明\n[0068] 图1a是光子晶体光纤LMA-8 Crystal Fiber端面图；\n[0069] 图1b是本传感器使用的光子晶体光纤SC-4.0端面图；\n[0070] 图1c是光子晶体光纤SC-4.0小孔完全塌陷后的端面图；\n[0071] 图2是光子晶体光纤液位传感器的结构图；\n[0072] 其中：光纤涂敷层1、单模光纤包层2、单模光纤纤芯3、熔接点4、光子晶体光纤包层5、光子晶体光纤纤芯6、反射膜7、保护套8、端部固化胶9、固化胶10、过渡缓冲套11；\n[0073] 图3是光子晶体光纤液位传感系统的结构示意图；\n[0074] 图4是光子晶体光纤液位传感系统中计算机获取的干涉信号光谱图；\n[0075] 图5是用光子晶体光纤液位传感器测量色拉油液位与干涉条纹对比度的关系图；\n[0076] 图6是光环形器示意图，其中端口F输入，端口G输出；端口G输入，端口H输出；\n[0077] 图7是熔接点塌陷区域分光耦合原理示意图；\n具体实施方式\n[0078] 实施例1\n[0079] 下面结合附图，以测量色拉油的液位为例来说明上述传感器及系统的实施。其他折射率大于光子晶体光纤包层的液体液位测量方法与之相同，不同之处在于不同折射率的液体液位传感的灵敏度不同。\n[0080] 一种光子晶体光纤液位传感器，其特征在于包括单模光纤SMF-28与光子晶体光纤SC-4.0，所述的单模光纤SMF-28与光子晶体光纤SC-4.0的始端熔接，光子晶体光纤的始端包层空气孔在熔接点闭合形成熔接点完全塌陷区域；用熔接机对光子晶体光纤末端放电形成末端塌陷区域，末端镀有反射膜；所述的熔接点塌陷区域长度等于65μm。其中，[0081] 光子晶体光纤长度为20mm。\n[0082] 所述的反射膜为金属银膜，其厚度为50nm。\n[0083] 在光子晶体光纤液位传感器外还设有保护套，距光子晶体光纤部分的保护套设有若干小孔。\n[0084] 所述的单模光纤与保护套之间还设有过渡缓冲套。\n[0085] 其制作方法是：\n[0086] （1）将一根单模光纤（SMF-28，石英光纤，其光纤芯径约8.2μm，光纤包层直径\n125μm）与一根光子晶体光纤（SC-4.0，其光纤芯径约4.2μm，光纤包层直径125μm）用光纤熔接机熔接，光子晶体光纤包层5的空气孔在熔接点4闭合形成完全塌陷区域，塌陷区域长度等于65μm，熔接点起到耦合器作用，将单模光纤的基模分成光子晶体光纤纤芯模和包层模，并且使两者的能量相当。\n[0087] （2）用光纤涂敷机在熔接点周围包层涂敷上光纤涂敷层1。\n[0088] （3）在距熔接点20mm处用光纤切割刀切断光子晶体光纤，用光纤熔接机对末端放电使空气孔闭合后（图1c）在切断面上镀一层50nm的金属银膜作为反射膜7。\n[0089] （4）去除反射膜和熔接点间的光纤涂敷层1。\n[0090] （5）将整根光子晶体光纤包括熔接点附近的单模光纤用固化胶10粘帖到一个带有很多小孔的保护套8内壁，固化胶10粘贴的位置靠近保护套的端部。\n[0091] （6）在保护套的光纤引出端安装一个塑料过渡缓冲套11以避免光纤被折断。\n[0092] （7）色拉油能够透过小孔与光子晶体光纤包层接触，保护套内的液位与色拉油的液位等液位。\n[0093] （8）传感器从色拉油中取出时，保护套内的色拉油从末端的小孔中流出。\n[0094] （9）该保护层也可不用，直接将本传感器放在色拉油溶液中也能实现检测。\n[0095] 光子晶体光纤液位传感系统的构成如图3所示。波长1510nm-1590nm的ASE光源A通过光纤F1输入环行器B的F端口，经过环行器B的G端口和一段光纤F2，到达光子晶体光纤液位传感器C。在传感器C中，光能的一半在光子晶体光纤的纤芯中传输不受外界液位变化的影响，另一半光能被耦合到光子晶体光纤包层中去。光子晶体光纤包层和纤芯中的光到达反射膜时，又分别反射回包层和纤芯。包层中的光在光纤包层与色拉油的界面处产生反射和折射，在光纤包层与空气的界面处只有全反射，折射出去的光能受外界液体液位的影响。反射回的光再次到达熔接点时，光子晶体光纤包层光又被耦合入单模光纤的光纤芯，同时光子晶体光纤纤芯光也被耦合入单模光纤的光纤芯，单模光纤纤芯中的两束光产生干涉。返回的干涉信号光通过环行器B的H端口和光纤F3被传输到光谱分析仪D。光谱分析仪获取的干涉信号光谱数据送入计算机E，由计算机处理干涉信号光谱数据得到并显示色拉油液位。计算机获取的干涉信号光谱数据如图4所示为测量不同液位时的干涉光谱。其测量和计算过程实现标定传感器对色拉油液位的敏感系数，然后测试色拉油液位。标定的关系图如图5所示。测试时，本传感器被垂直放在被测色拉油中，传感系统中的计算机获取干涉信号光谱数据，并根据标定的敏感系数计算得到被测色拉油液位，从而实现色拉油液位的传感。在本实例中，测量色拉油液位的灵敏度0.84dB/mm，分辨率可达到0.05mm。
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