光纖干涉水位傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)的光纖水 位傳感系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高精度的水位傳感器可用于監(jiān)測(cè)水庫(kù)的水位。當(dāng)發(fā)生洪水或是臺(tái)風(fēng)等異常情況 時(shí)，如果沒有提前進(jìn)行有效地水位監(jiān)測(cè)，水位達(dá)到警戒線，就會(huì)造成江堤決口、大水沖毀堤 壩等惡性事故，這些災(zāi)害不僅會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，還會(huì)威脅到人民的生命安全，所以對(duì) 高精度水位傳感器的研制具有重要意義。
[0003] 隨著光纖通信與光纖傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，光纖傳感器也得到了廣泛的應(yīng)用。由 于光纖傳感器具有體積小、重量輕、抗電磁干擾，耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，使得光纖水位傳感器在水 位監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用。
[0004] 目前，應(yīng)用較為廣泛的水位傳感器有幾種，主要包括浮子式水位傳感器、壓阻式壓 力水位傳感器、電容式水位傳感器等等。在公開的專利號(hào)為CN102889914A的中國(guó)專利中， 就提出了一種采用基準(zhǔn)水位的浮子式水位計(jì)，這種浮子式水位計(jì)存在一些缺陷，首先不抗 電磁干擾，測(cè)量精度較低、誤差偏大，其次由于采用浮子的結(jié)構(gòu)，浮子在水中浮動(dòng)導(dǎo)致它的 機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)受到很大的磨損，可靠性會(huì)降低。在公開的專利號(hào)為CN201731918U的中國(guó)專 利中，提出了一種超聲波式水位傳感器，它利用了超聲波發(fā)射接收的原理來(lái)測(cè)量液位，其缺 點(diǎn)是超聲波的發(fā)射接收對(duì)環(huán)境要求比較高，不能應(yīng)用于比較惡劣或者是復(fù)雜的環(huán)境下。就 水位監(jiān)測(cè)而言，現(xiàn)有的這些電類傳感器存在著很多的局限性，例如安全性不高、傳輸距離有 限、使用壽命短、不易組網(wǎng)以及不能適用于電磁干擾、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下。所以，這些水位 傳感器越來(lái)越不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精巧、靈敏度高、可靠性強(qiáng)的光 纖干涉水位傳感器。
[0006] 本發(fā)明包括如下技術(shù)方案：
[0007] -種光纖干涉水位傳感器，包括半導(dǎo)體激光器（1)，第一導(dǎo)光單模光纖（2)，3dB耦 合器（3)，第二導(dǎo)光單模光纖（4)，敏感元件（5)，第一法拉第旋光鏡（6)，第二法拉第旋光鏡 (7) ，參考光纖（8)，第三導(dǎo)光單模光纖（9)，光電探測(cè)器（10)。其特征在于：3dB耦合器（3) 的輸入端與半導(dǎo)體激光器（1)相連，耦合器（3)輸出端分成兩路，其中一路經(jīng)單模光纖（4) 與敏感元件（5)、第一法拉第旋鏡（6)相連，構(gòu)成探測(cè)臂；另一路則經(jīng)參考光纖（8)直接與 第二法拉第旋鏡（7)相連，構(gòu)成參考臂，3dB耦合器（3)經(jīng)導(dǎo)光光纖（9)連接到光電探測(cè)器 (10)，光電探測(cè)器（10)則連接到相位解調(diào)系統(tǒng)上。系統(tǒng)中的敏感元件采用在順變柱體上緊 密纏繞單模光纖的結(jié)構(gòu)。上述的結(jié)構(gòu)構(gòu)成了邁克爾遜干涉儀的結(jié)構(gòu)。
[0008] 本發(fā)明的原理是：水位傳感器采用了相位調(diào)制型傳感器的原理。相位調(diào)制型傳感 器通過(guò)外界物理場(chǎng)來(lái)調(diào)制光纖干涉儀的干涉臂中所傳光波的相位，而干涉儀把相位變化轉(zhuǎn) 化成光強(qiáng)變化，可利用光電轉(zhuǎn)換技術(shù)及相位檢測(cè)技術(shù)解調(diào)出外界待測(cè)的物理信號(hào)。在此發(fā) 明中，把由順變柱體制成的敏感元件置于水中，它受到水的壓力，當(dāng)水位發(fā)生變化時(shí)，順變 柱體受到的壓力也隨之改變，影響了纏繞光纖的應(yīng)變，從而導(dǎo)致了光波的相位變化。通過(guò)光 電探測(cè)器可直接探測(cè)到的光強(qiáng)表達(dá)式為：
[0009]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖干涉水位傳感器，其特征在于：包括半導(dǎo)體激光器（I)、第一導(dǎo)光單模光纖 (2)、3dB親合器（3)、第二導(dǎo)光單模光纖（4)、敏感元件（5)、第一法拉第旋光鏡（6)、第二法 拉第旋光鏡（7)、參考光纖（8)、第三導(dǎo)光單模光纖（9)和光電探測(cè)器（10)，3dB親合器（3) 的輸入端通過(guò)第一導(dǎo)光單模光纖（2)與半導(dǎo)體激光器（1)相連，3dBf禹合器（3)輸出端分成 兩路，其中一路經(jīng)第二導(dǎo)光單模光纖（4)與敏感元件（5)、第一法拉第旋光鏡（6)相連，構(gòu)成 探測(cè)臂；另一路則經(jīng)參考光纖（8)直接與第二法拉第旋光鏡（7)相連，構(gòu)成參考臂，3dB耦 合器（3)經(jīng)第三導(dǎo)光單模光纖（9)連接到光電探測(cè)器（10)，光電探測(cè)器（10)則連接到相位 解調(diào)系統(tǒng)上。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖干涉水位傳感器，其特征在于：敏感元件是采用在 順變柱體上緊密纏繞單模光纖的結(jié)構(gòu)，在硅膠柱體上下表面固定兩塊不銹鋼薄板。將敏感 元件置于水中，作為傳感探頭。不銹鋼薄板的作用是增大傳感探頭在水中的受力面積，從而 增大敏感元件的靈敏度。該敏感元件可把水位的變化轉(zhuǎn)化成光纖的縱向應(yīng)變和徑向應(yīng)變， 光纖的應(yīng)變使兩條干涉臂的相位差發(fā)生變化。該系統(tǒng)通過(guò)相位差變化可反演得到水位的變 化。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種光纖干涉水位傳感器，其特征在于：所述的敏感元件中 的順變柱體采用硅膠材料制成。順變柱體是敏感元件中的關(guān)鍵部件，其轉(zhuǎn)換效率及其性能 的優(yōu)劣直接決定敏感元件的特性，之所以選取硅膠這種材料，因其彈性模量隨頻率的變化 比較小，并且它在"_50°C~150°C"溫度范圍內(nèi)，彈性模量隨溫度變化很小，可以滿足實(shí)驗(yàn) 的要求。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光纖干涉水位傳感器，其特征在于：所述的第一法拉第 旋光鏡和第二法拉第旋光鏡是相同的，用來(lái)反射中心波長(zhǎng)為1550nm的光，反射率可達(dá)95% 以上，同時(shí)可減少偏振光對(duì)干涉系統(tǒng)的影響。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光纖干涉水位傳感器，其是由半導(dǎo)體激光器，3dB耦合器，敏感元件，法拉第旋光鏡，導(dǎo)光光纖，光電探測(cè)器，計(jì)算機(jī)組成。其中，敏感元件是水位傳感器的關(guān)鍵部分，它把水位的變化轉(zhuǎn)換成光纖的縱向應(yīng)變和徑向應(yīng)變，從而引起兩條干涉臂相位差的變化，最后利用相位差變化反演出水位的變化。本發(fā)明不僅能實(shí)現(xiàn)高精度的水位測(cè)量，同時(shí)具有可靠性、抗電磁干擾、抗腐蝕性、靈敏度高和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單精巧等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于需高精度水位監(jiān)測(cè)的環(huán)境。
【IPC分類】G01F23-292
【公開號(hào)】CN104697609
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510127995
【發(fā)明人】陳建冬, 劉野, 常天英, 崔洪亮, 于淼, 郞金鵬
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)
【公開日】2015年6月10日
【申請(qǐng)日】2015年3月24日