连续的燃料水平传感器基于螺旋Side-Emitting光纤

文摘

连续使用side-emitting燃料水平传感器光纤介绍了。这个传感器的调制作用于纤维的光强度,这是由覆盖层的接收角变化时沉浸在燃料。纤维弯曲的螺旋形状来提高传感器的灵敏度增加衰减系数和纤维的水下长度相对于液面。光纤的衰减系数与不同的弯曲半径的空气和水是通过实验获得的。纤维被设计为一个螺旋形状不断变化的斜率,及其应对水位模拟。实验结果在水和航空煤油演示性能0.9 m范围和10毫米的决议。

1。介绍

油位测量是一个巨大的挑战在飞机燃料系统(1]。最常用的水平传感器飞机是其良好的电容式液位传感器灵敏度和可维护性。但当飞机从起飞机场和热湿环境,油箱中的水分将凝结和混合燃料,然后会发生错误和短路电容传感器。出于这个原因,超声波液位传感器是用来取代电容传感器在B777等飞机,——F22,等等。现在最新的飞机上的燃料水平传感器像B787, A380,和战斗机上的改变电容类型,为超声波液位传感器的坏在飞行性能的可靠性和可维护性。

光纤液位传感器(OFLLS)已报告是安全的、可靠的和用于飞机燃料测量有很多优势2]。最重要的是,燃料中的水分和水混合OFLLS因为影响都不大光纤是不导电的。许多OFLLS已经开发出来,如浮子式(3),压力类型(4),光学雷达类型(5),和行动类型(6]。Side-leaking OFLLSs可以进行光泄漏的纤维和有不同的衰减系数在空气和液体7]。与其他类型的OFLLS相比,主要优点的side-leaking OFLLSs免疫空气压力和对液体晃动和没有移动部件。有很多实现光纤泄漏:减少光纤包层的厚度(8];删除几个区域的覆盖层9];使用荧光impurity-doped纤维(10];抛光的包层和部分核心弯曲纤维(11];使用一个蚀刻光纤光栅(12),或者使用倾斜光纤光栅(13]。直到现在,这些传感器没有被商业化由于低灵敏度9,11),有限的范围(12,13),昂贵的成本(8),和复杂的制造(8,12,13]。

Side-emitting光纤(SEOF)是一种聚合物光纤的导光可以泄漏的纤维,通常是用于照明和建筑物的框架(14]。相比side-leaking方法上面所提到的,光衰减SEOF是均匀的,其制造成本很低。有很多种SEOF,选择一个由镀层结晶液面感应,因为它有一个更大的侧发光强度与其他SEOFs [15]。在这样的纤维,有许多微小晶体包层;当进行光反射core-cladding接口,它将分散这些微小晶体,然后进行光就会被泄露。然而,空气中的衰减系数变化的液体直SEOF,和纤维弯曲必须使用增加衰减变化。

在这篇文章中,一个液位传感器螺旋弯曲SEOF演示。调查与不同的弯曲半径,传感器的响应不断变化的螺旋斜率是应用于传感器。传感器的原理解释,而设计、仿真、传感器的原型。InGaAlP黄色LED (TLYH180P从东芝Inc .)与一个典型的峰值波长590 nm作为光源的实验提出了。

2。传感器原理

的基本原理side-leaking OFLLS图所示1。在这个原理,纤维的高度,液面;入射光功率,出射光功率。在side-leaking OFLLS,光在光纤传播是指数衰减的水下长度系数与周围介质的折射率有关。在液位传感中,主要有两个介质:空气和液体,液体的衰减系数大于在空气中。定义和分别在空气和液体衰减系数,然后透射光变弱的系数在纤维的高度暴露在空气中在本节中,输出功率是16] 然后,透射光变弱的系数在纤维的部分液体的高度在本节中,输出功率 取代在(2)和(1),使变形指数公式的一部分;输出功率可以简化 在这个方程,决定接受权力入射功率的比值,和决定输出变化的比率最大的输出。如果大于(稍后将展示),紧急权力减少随着级别的增加。如果足够小,线性响应液位变化。

2.1。光衰减SEOF在空气和液体

在SEOF,衰减系数比这更大的液体在空气中由于不同的接收角的纤维。如图2,传播光散射分散的微小晶体包层。根据瑞利的方程(17),散射光强度给出了一个非偏振的来源如下: 在哪里(瓦/平方米)是入射光的强度,是散射光和入射光之间的夹角,是一个常数,在吗是散射粒子的数量,是粒子的半径,是入射光的波长,粒子之间的距离,观察,是粒子的指数,是周围的物质粒子的指数。SEOF,透射光和纤维轴的夹角很小,因此可以认为约等于散射光与纤维轴之间的角度。

散射光可以分为三个部分:第一部分是落后的包层模式传输事件结束;第2部分是发射模式折射到周围介质;第3部分是沿着光纤包层模式传送紧急。他们的边界决定的临界角表面覆盖层和介质之间的(18]。 在哪里包层和指数吗包层之外的索引中。包层模式可以被整合的力量 在哪里是一样的吗在(4),它将消除计算。散射光的总功率 然后,和可以计算出,的比例来是 的反应(8)介质的索引图所示3,这表明包层模式权力减少而纤维周围介质的增加的指数。的价值(8)将达到0时的最小值。在液位传感、液体的指数总是比空气大,所以将会有更多的功率损耗在纤维纤维浸在液体在空气中。根据光纤的衰减系数的定义19),大于。

2.2。在直SEOF测试衰减系数

衰减系数可以通过测量SEOF的发光度的一面。定义作为一个点的距离在事件的纤维,在纤维的一个片段的位置的长度因为它是图所示4入射光功率,出射光功率,本节中的功率损耗计算根据光纤的衰减系数的定义: 发光度可以被定义为side-emitting权力在单位面积上,它可以计算 在哪里SEOF的半径。方程(10)可以通过级数展开简化,结果是 自是一个很小的值,(11)约等于 然后,衰减系数,,发光度成正比。

建立一个实验装置如图5测试纤维在空气和水中的衰减系数。在此设置中,LED作为光源;POF, 1毫米直径放置其最终面临SEOF包层的位置,并用于指导side-emitting光功率计。在实验中,1毫米POF正从输入到输出SEOF年底,和它的输出功率是记录在位置。然后,发光度可以作为计算 在哪里是1毫米POF的半径。然后,可以根据计算衰减系数(12)和(13),

衰减系数的测量结果是0.0045/0.0057(空气/水/ m),中间的纤维,分别(/ m)。这是按照理论分析。

3所示。增强的衰减系数

因为非常接近相比,输出变化非常小的最大输出。在1-meter-long SEOF,输出的最大变化是只有0.12%相比,最大的输出。这么小的改变的力量很难衡量,因为它会被领导和光电二极管的温度漂移。有两种方法来提高输出变化:增加之间的区别和和扩大的水下长度纤维,它们都可以通过弯曲SEOF作为一个螺旋形状。

3.1。弯曲SEOF的衰减系数

这是证明了衰减系数指数与弯曲半径的减少(增加20.]。在SEOF,有太多的模式的光,和边界条件是非常复杂的,所以更容易得到的衰减系数比通过计算实验。在图所示的实验装置6,纤维弯曲的半圆的半径变化从1厘米到8厘米1厘米的一个步骤。在此设置中,LED灯发出的光线直接注入纤维,和输入功率和输出功率功率计测量。这些实验是用纤维暴露在空气中(如图6(一)(如图),淹没在水6 (b)),分别。然后,衰减系数可以计算单位长度 在哪里纤维的弯曲半径。SEOF的衰减系数与弯曲半径在空中如图7,它表明,光纤的弯曲损耗成指数增加而弯曲半径减小。衰减系数在空气和水之间的区别和弯曲半径如图8,它显示了价值增加时,弯曲半径减少。测试的价值和液位传感器的响应,可以模拟。

3.2。在螺旋SEOF光衰减

与二维弯曲的纤维,纤维的长度沉浸在液体液面不是线性的。使用一个螺旋形状可以解决这个问题,和沉浸的长度可以增大在同一纤维。在一个螺旋线定义为 是核心的半径和螺旋线的斜率。螺旋线的弧长 然后,弧长和身高之间的比率可以计算除以通过,结果 定义单位高度和功率损耗单位长度的功率损耗将倍根据光纤的衰减系数的定义。这意味着总是比。

4所示。实验装置

实验系统的示意图如图9。该系统由一个SEOF,两个蟹柳,一个领导,一个光电二极管,信号处理电路,数据采集模块DAM3056监控连续水平变化。核心/包层直径的PMMA SEOF 2.6 1.49/1.37 / 3毫米和折射率(580海里)。纤维盘向下一个脾气暴躁的人是一个螺旋形状,向上沿另一个木棍,如图10。纤维是由钉子固定的轨道,和螺旋的功能

螺旋的核心半径12.5毫米,高900毫米,最小弯曲半径15毫米(如图10 (b))和最大弯曲半径80毫米底部(如图10 (d))。螺旋的斜率是稳步下降沿高度;然后,液位传感器的反应不同的弯曲半径可以进行测试。传感器的响应的模拟值如图11。在这幅图中,权力的总变异的7.9%最大输出,这变化是66倍的输出变化连续纤维;敏感性较强的部分小坡。

在实验系统中,领导是由2.2 KHz的方波由555定时器。输出功率是由光电二极管检测VTB8440 (PerkinElmer光电有限公司)的光学响应扩展了从330年到720海里,峰值在580 nm的敏感性。光电二极管的输出电流是由前置放大器转换成电压,这个电压中减去一个仪表放大器的参考信号,然后改变有限的权力可以被放大。参考信号是由放大的方波产生相同的振幅和相位零液位检测器的信号。微分信号放大和检测到一个锁定放大器信噪比高、和信号的噪声降低0.02 ~ 3 V V。锁定放大器的输出电压监测的数据采集模块,然后发送到计算机。

5。结果与讨论

实验是在水和航空煤油。在水位实验中,泵是用来让水平上升;每10毫米级别改变后,流量控制器关闭持有水平和记录在电脑上输出电压;当水平达到900毫米,关闭泵,和水平将降低在重力下,输出电压也记录在每10毫米级后改变。实验过程几乎是相同的航空煤油水平传感,除了用手泵泵的燃料。

实验结果如图所示12。固体和冲曲线实验结果在水里,而dash-dotted和虚线曲线实验结果在航空煤油。传感器的输出响应水平的上升和下降是单独的曲线所示。在所有的四个曲线,电压急剧下降发生在一开始,这是由于纤维的将部分小半径底部的传感器。因为它是图所示10 (d),12.5毫米的纤维有一个最小半径在转动部分,远小于其他位置的传感器。航空煤油的平均电压降为3.2 V, 1.28倍的电压降在水里。航空煤油的较大的电压变化造成的较大的折射率为1.43,而在水值是1.33。开始时电压的下降意味着传感器对液体的存在是非常敏感,可用于低水平检测。但连续液位传感,这限制了电路的放大系数下降。这个缺点可以覆盖纤维的转动部分与不透明材料,以防止纤维与液体接触。

以下部分的曲线平坦。与模拟输出图11一节中,传感器有一个更大的敏感性较小的弯曲半径。水位传感灵敏度的传感器是−1.14 mV /毫米(0 ~ 600)的部分和−3.65 mV /毫米(600 ~ 900)的部分。在航空煤油水平传感、灵敏度−1.31 mV /毫米(0 ~ 600)和部分的−3.73 mV /毫米(600 ~ 900)的部分。在液位传感、测量信号与一个更大的敏感性更容易被放大。根据实验结果,使用SEOF固定弯曲半径为15毫米的液位的线性响应,和输出功率变化的比率将会扩大。

结果显示之间的磁滞曲线上升和下降曲线。这种滞后引起的液体在纤维之间的差距和木棍水平下降。上升和下降曲线之间的差异是大的航空煤油比在水里,因为航空煤油有较大的粘度比水(航空煤油/水的粘度是1.25/1.005毫米²在20°C / s)。曲线的滞后导致测量误差,half-embedding光纤在传感器的核心将槽消除纤维和核心之间的差距;那么滞后将是有限的。

这个传感器的性能和OFLLSs在介绍中提到的比较表1。在这个表中,传感器分辨率大测量范围有限,而高分辨率的传感器有一个有限的范围内。在飞机燃料测量所需的测量范围是1米,和所需的分辨率为5毫米。传感器显示在表中1,本文中所述的传感器主要是在飞机燃料测量符合要求。

6。结论

本文提出了一种新颖的光纤液位传感器,基于螺旋side-emitting光纤弯曲,这是由镀层结晶。传感器的原理分析解释了光散射SEOF,和实验结果给出了解释使用螺旋弯曲SEOF的原因。原型与不断变化的螺旋斜坡旨在证明传感器原理和测试传感器的响应与不同纤维弯曲半径。实验结果在水和航空煤油显示巧合的模拟结果。在这个传感器也有一些缺点,如长期不稳定,产出大幅减少近零水平,磁滞在水平上升和下降,液位的非线性响应。通过解决这些问题,可以提高传感器的性能,适用于车辆的燃油液面测量像一架飞机,卡车或船只和水平传感与低粘度液体。

作者的贡献

赵c。阐述了传感器的基本原理,提出了一种新的方法来提高传感器的灵敏度,纤维弯曲,意识到这个传感器,这种传感器的实验。l .你们澄清side-leaking光纤液位传感器的理论和提出的想法使用side-emitting光纤传感器。j . Ge解释光纤的弯曲损耗的原因和设计实验来测试光纤的弯曲损耗。x Yu实验测试光纤的弯曲损耗和参加了传感器的实验。

确认

这项工作在一定程度上是由中国国家自然科学基金(61104202),和作者要感谢程女士易建联的出色的工作在这个研究。

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