文摘
多点液位传感器基于国际扶轮调制macrobend聚合物光纤(POF)提出了耦合器。通过成对两个扭曲的pof在赛道列,一系列的u型传感头。无源光纤的输出功率下降形式,而传感头一步都沉浸依次为液体。紫外线光的引入水泥之间的差距两个pof改善side-coupling比率,增加衰减每一步。100厘米的测量范围,该决议是2厘米。传感器可以区分不同的液体的温度依赖性较低。
1。介绍
如今,液位测量吸引了巨大的利益,因为高需求在洪水预警的应用1,2),燃料供给系统(3,4,结构监测5),等等。领域的液位监控几个具体点是必要的或不同折射率的液体(RI)需要有区别,许多离散或多点液位传感器提出了(6- - - - - -10]。电子同行相比,光纤传感器显示良好的潜在爆炸性环境由于其绝缘的测量和电磁免疫(11),扩大应用领域。
pof提供低成本的优势,容易处理、轻量级、大数值孔径等相比,玻璃光纤(gof) [12,13]。最多点液位传感器是基于强度和通过pof在不同的结构。林等人一致的一组POF段同轴相连,耦合功率是影响介质的折射率(RI)之间的两个相邻纤维段(14]。测量范围是250厘米,但该决议是25厘米。Mesquita等人利用垂直POF与槽间隔每20厘米和意识到200厘米的液位测量5]。京等人缠绕POF在赛道列,和macrobend损失变化与液面(15]。决议是满意的,但测量范围是5厘米。提高灵敏度,POF不仅横向弯曲而且抛光(16]。然而,这项决议是34厘米和制造过程是复杂而上面提到的传感器。
在我们的以前的工作中,我们提出了一个低成本的液位传感器基于两个扭曲的pof孪生赛道列(17]。side-coupling权力由国际扶轮周围介质的调制。液面上升时,side-coupling权力减少快速弯曲部分连续而缓慢的部分,形成一个步骤衰减。这项决议是由螺距和代表的高度弯曲,直线部分。测量范围是100厘米时,分辨率为2厘米,和对水的敏感性是在弯曲部分5.01西北/毫米和1.99西北/ mm直部分。因此,当一个弯曲的部分和直线部分淹没在液体,输出功率的变化是45.84西北。信号强度很弱,增加了检测成本。
在这篇文章中,一个具有成本效益的方法增加多点液位传感器的信号强度。改善side-coupling比率,紫外线光水泥注入之间的差距两个pof扭曲和缠绕在列,横截面是一个赛道的形式。随着液面上升,被动光纤的输出功率下降弯曲部分的一个步骤和连续不变的部分。测量范围是100厘米,分辨率是2厘米。为单个探头组成的弯曲部分和直线部分,整个输出功率的衰减水是112.36西北,这是高于提出的传感器之一(17]。
2。原则
如图1,两个赤裸的pof是扭曲和弯曲形状的U,和紫外线光水泥填充成两pof之间的差距。核心和包层的直径是980和1000μm,分别。对于多模pof,如果曲率半径是足够大,光线理论可以应用于取代模态理论,光将被视为射线拥有一定的权力。当光线传播到pof的macrobend部分,全内反射很沮丧,光线折射core-cladding接口如果入射角小于临界角。关键的角度定义为 在哪里 和 国际扶轮的核心和包层,分别。曲率半径越小,光线折射。有些包层的折射光线折射cladding-environment接口,入射角小于 。国际扶轮的周围的介质。它可以推断增加光线折射成环境可以通过增加和这些折射灯被称为macrobend损失的纤维。因此,当周围的介质从空气变为液体,macrobend损失大幅增加,并相应地POF减少内部的光功率。
灰度传感器的信噪比(信噪比)是一个必须考虑的重要因素。额外的元素总是应用于消除干扰信号的影响,提高了检测的复杂性。因此,介绍了一个基于pof macrobend耦合器(18]。激活光纤与光源,macrobend亏损的被动光纤耦合的部分,称为side-coupling权力。side-coupling比例非常小,因为光源的能量主要集中在活性纤维的核心。因此,通过测量side-coupling权力,在被动光源扰动的影响纤维可以被忽视,提高信噪比(17]。然而,side-coupling比例太小,需要高分辨率的功率计。在这篇文章中,我们填补两者之间的差距与紫外线光水泥pof ( ),这意味着两国pof国际扶轮周围介质的变化从1.0到1.418(国际扶轮的空气)。因此,macrobend损失活性纤维的增加,和更多的side-coupling能力被耦合到被动纤维,改善side-coupling比率。
如果耦合器浸到水里,国际扶轮增加从1.0到1.333,更被动光纤side-coupling力量将传播到环境中。国际扶轮测试液体的越高,越side-coupling辐射功率。因此,macrobend POF耦合器国际扶轮周围介质的敏感,可以区分不同国际扶轮的液体。
3所示。实验装置和结果
实现多点液位测量,两个扭曲的pof (SK40、三菱)缠绕在赛道列4厘米的螺距,形成50 u型弯曲作为传感头。因此,传感器的分辨率这意味着测量两点之间的距离是2厘米。macrobend部分的曲率半径是1厘米,和直段的长度是2厘米。然后,紫外线光水泥(3311年,乐泰)填充到macrobend部分的差距和治愈的UV固化灯。最后,列是固定到一个容器中,第一个传感头底部。当周围的介质在传感头从空气变为液体,被动光纤macrobend损失的增加,减少side-coupling权力。因此,液位上升,输出功率下降一步一步浸传感头的数量有关。
提出了传感器的实验装置如图2。领导(M660F1 Thorlabs)与光纤耦合的中心波长660 nm利用光源,输出功率30 mW。光功率计(PM100USB Thorlabs)采用0.1西北的决议记录被动光纤的输出功率在不同液体的水平。提高信噪比,不敏感的部分传感器屏蔽黑色夹克,和所有的实验都是在黑暗的房间里进行的。
(一)
(b)
图3说明了输出功率的被动光纤液位变化时从0到100厘米。国际扶轮传感功能的传感器是评估通过应用液体与不同的国际扶轮。采用水和9.1%氯化钠溶液作为测试液。输出信号显示一个明显的降低水下探头时由液体。传感头,作为活性纤维的输入功率大约是30兆瓦,和被动的输出功率只有几百毫微瓦,激活光纤的衰减很小。因为这些传感头的几何结构基本相同,活性纤维的macrobend损失为每个传感器几乎是相等的。因此,每个头的输出功率下降几乎是相同的,形成一个降压输出与液位上升曲线。水,每个探头的输出功率下降大约是112.36西北,是2.45倍的一个传感器没有[的水泥17]。从图3,很明显,液体不同的RI的变化是不同的。RI变化从1.333到1.348的时候,有一个输出功率增加8.7%的人均从112.36到122.18西北,这使得灵敏度为0.5% / RIU。正如预期的那样,高等国际扶轮的测试液体的结果在一个更大的改变macrobend损失。同时,输出功率下降在每一点上,探头存在无论液体是什么测试。因此,传感器可以区分不同的液体RI和特定的液体水平能被探测到的独立测试液体。
依赖于温度的传感器研究,结果如图4。赛道列在这个实验中,由两个扭曲缠绕pof是固定在一个容器和液面设置为50毫米。然后,容器被放置在一个加热器。当水的温度上升从20到60°C,被动光纤的输出功率变化从5.567487到5.741197μ173.71 W,导致整体改变西北。相对于输出变化对液位的变化,温度的影响很小。由于温度也会影响活性纤维,我们可以连接一个功率计的自由端活性纤维补偿温度的影响。
4所示。结论
总之,两个扭曲的pof缠绕在赛道列实现多点测量液位。side-coupling比率两个pof之间填充紫外线光水泥提高了差距。macrobend损失由国际扶轮的环境介质,调制,输出功率随液面产生。减少一步形式发生每次探头被淹没,变化是影响国际扶轮的测试液体。传感器是一个好的设计的低成本、简单的制造工艺,和低的温度依赖性。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突,关于这篇文章的出版。
确认
这项工作是由山西省“1331工程”重点学科建设基金。这项工作是由美国国家科学基金会支持的山西省,中国(201701 d121065)。