微槽塑料光纤准连续液位传感器

发布时间：2017-12-05 03:04

  本文关键词：微槽塑料光纤准连续液位传感器

  更多相关文章： 光纤液位传感器 准连续测量 连接损耗 飞秒激光 高分辨率 微槽结构

【摘要】：液位传感技术广泛应用于液体原料或制品的存储和运输过程中的液位监测,以及用于飞机燃油系统液位监测等领域。液位传感器要求适应能力比较强,因为其使用环境通常情况一般都非常复杂,经常需要在强电磁干扰、高压、易燃易爆、腐蚀性、低温等特殊环境下使用。相比于比较成熟的液位测量技术,如电容式测量法和磁致伸缩式液位测量法等,光纤液位传感器不仅种类多且各具特点,设计也最为灵活。因此在环境情况复杂的条件下,光纤液位传感器完全可以满足液位测量的需求。本文提出一种具有微槽结构高分辨率的准连续塑料光纤液位传感器。本实验中用来制作传感器的光纤外径为1.00mm,纤芯直径为0.96mm的。该光纤纤芯原料为聚甲基丙烯酸甲酯,折射率为1.492,包层材料为氟树脂,折射率为1.417,由日本三菱公司生产。文本中测量液位的基本原理是利用聚合物光纤中探测的光功率变化与光纤所处的外部环境折射率相关特性来实现的。通过飞秒加工使刻槽处纤芯裸露出来,从而与外界环境接触,纤芯中的光功率就会被外部介质折射率调制,当槽内介质是空气或其他溶液时,光线通过微槽后光功率将会改变。如果在光纤表面垂直于轴线方向刻制多个微槽就可以通过接收多个槽的光信号来实现传感液位的目的。微槽尺寸参数和外界折射率对光功率损耗的影响可以用光纤连接损耗原理解释。众所周知,光纤连接损耗在通讯中的光缆及设备的连接方面是十分重要的技术指标。微槽部分可以看作是两个光纤的连接。我们运用连接损耗原理分别讨论了微槽尺寸、槽内介质、光纤直径、光纤数值孔径这些因素对光波传输损耗的影响,并进行了数值模拟。可以得到以下结论:1、光纤中光波传输功率随着槽内介质折射率的增大,损耗减小。2、在槽内介质不变的情况下,微槽尺寸越大,光纤传输损耗越大。3、微槽尺寸,槽内介质不变的条件下,直径小的光纤,传输损耗越大。4、在相同直径的光纤上刻制相同尺寸的微槽,槽内介质不变,数值孔径大的光纤,光纤传输损耗越大。随后用实验验证液位传感器的可行性。首先验证了微槽宽度分别在25μm,50μm,75μm时和微槽深度在0-350μm时,微槽尺寸改变对于光纤传输特性的影响,实验结果表明连接损耗会随着微槽尺寸的增加而增加,通过增大微槽尺寸可以提高传感器测量液位的敏感度。通过综合考虑传感器性能,分辨率,飞秒激光加工微槽技术等多方面因素,最终决定制作光纤液位传感器传感头的微槽尺寸是:槽宽和槽深都为50μm。并以此微槽尺寸制作了具有不同间隔的多微槽结构传感头,传感头长度1cm,相邻微槽间的间隔长度就是本传感器的分辨率。本实验最高分辨率达到200微米,通过实验可以观察到,当液位上升淹没微槽,传输光信号随之变化,实验结果线性度很好,实现了高分辨率的准连续液位测量。最后还探究了溶液折射率和溶液温度对传感器的影响,通过实验验证了本传感器适应性比较强,可以检测不同折射率(n=1.33~1.42)溶液的液位;当温度在15℃-70℃之内变化时,温度不影响微槽光纤液位传感器的传感性能。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP212

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本文编号：1253310