Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of In-fiber Integrated Optics, Ministry of Education, College of Physics and Optoelectronic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
2 Acoustic Science and Technology Laboratory, College of Underwater Acoustic Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China
3 Photonics Research Center, Guilin University of Electronics Technology, Guilin 541004, China
In this paper, a novel liquid level sensor with ultra-high sensitivity is proposed. The proposed sensor is configured by a slice-shaped composite long period fiber grating (SSC-LPFG). The SSC-LPFG is prepared by polishing two opposite sides of a composite multimode–single-mode–multimode fiber structure using a laser. The method improves the sensitivity of the sensor to external environment. Based on the simulation calculation, a liquid level sensor with a length of 3 mm is designed. The experimental transmission spectrum agrees well with the simulation result. The experimental results show that the sensitivity reaches 7080 pm/mm in the liquid level range of 0–1400 μm in water. The temperature sensitivity is 24.52 pm/°C in the range of 20°C–90°C. Due to the ultra-high sensitivity, good linearity, and compact structure, the SSC-LPFG has potential application in the field of high-precision liquid level measurement.
liquid level sensor composite long period fiber grating ultra-high sensitivity Chinese Optics Letters
2022, 20(1): 011202
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optoelectronic Engineering and Instrumentation Science, Dalian University of Technology, Dalian 116000, China
2 School of Physic, Dalian University of Technology , Dalian 116000, China
We propose and demonstrate an all-fiber liquid-level sensor using an in-line multimode-single-mode-multimode (MSM) fiber structure. A piece of single-mode fiber (SMF) is spliced to two sections of equivalent multimode fiber (MMF) which are used as both mode splitter and mode coupler. The cladding mode will be excited when the light propagates from MMF to SMF, and then it will be combined with fundamental mode to form a Mach-Zehnder interferometer (MZI) when the light propagates from SMF to the other MMF. The liquid level is detected by the selected resonant dips shift of the transmission spectrum. A sensing sensitivity of 264.6 pm/mm is achieved for the proposed sensor with an SMF length of 26 mm. Due to its compact structure, easy fabrication, and high sensitivity, the proposed liquid-level sensor is attractive for practical applications in a variety of fields, such as marine detection and chemical processing.
Liquid-level sensor MSM fiber structure MZI optical fiber sensor Photonic Sensors
2021, 11(3): 291
提出一种基于调频连续波干涉测量技术的膜片式法布里-珀罗（F-P）腔液位传感器。根据调频连续波干涉技术液位测量体系理论制作液位传感器，搭建液位测量系统，并对其进行线性度、灵敏度和分辨率等测试。实验结果表明，调频连续波液位传感器液位测量的线性度为0.99998，液位测量的灵敏度为465 nm/mm，分辨率约为33.998 nm，对应的液位值为0.0731 mm，而且具有很好的稳定性、重复性和迟滞性。因此，所设计的调频连续波光纤液位传感器可以实现高精度且稳定的液位测量。
激光光学 调频连续波激光干涉 法布里-珀罗（F-P）腔干涉仪 膜片压力原理 光纤液位传感头 液位测量 激光与光电子学进展
2021, 58(7): 0714009
1 重庆理工大学 理学院, 重庆 400054
2 绿色能源材料技术与系统重庆市重点实验室, 重庆 400054
利用强度调制型光纤传感器容易解调的优势, 提出了一种强度调制型光纤液位传感器.传感器由三根无芯光纤组成, 其中, 无芯光纤1与无芯光纤2串联构成测量臂, 无芯光纤3构成参考臂.仿 真分析得出, 无芯光纤长度每缩短1 mm, 透射峰波长增加25.46 nm.在0~50 mm小液位范围内, 实验测得传感器在水、5% NaCl、10% NaCl和15% NaCl水溶液四种液体环境中的液位灵敏度分别为0.069 5 dB/mm、0.074 73 dB/mm、0.077 49 dB/mm及0.082 71 dB/mm, 线性度分别为0.998 25、0.998 49、0.988 11及0.995 13, 线性度较高.该传感器可较好地消除光源光功率波动与环境温度变化带来 的影响, 重复性较好, 在石油化工领域有一定的应用潜力.
光纤传感 液位传感器 强度调制 无芯光纤 温度不敏感 Fiber optics sensor Liquid-level sensor Intensity modulation No-core optical fiber Temperature insensitivity
1 河北工业大学 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室, 天津 300130
2 河北工业大学 河北省电磁场与电器可靠性重点实验室, 天津 300130
为了校正扭转波速度、补偿温度、抑制脉冲电流噪声以及提高输出信号的信噪比, 设计了一种双检测线圈结构应用于磁致伸缩液位传感器。推导了扭转波速度与温度的数学模型, 得到了扭转波速度随温度的变化趋势; 分析了单检测线圈结构存在温度影响测量结果与脉冲电流幅值大等问题。通过理论分析, 最终的实验结果表明, 与单检测线圈结构相比, 双检测线圈结构能够快速计算扭转波速度, 补偿温度对测量结果的影响, 将脉冲电流噪声信号幅值降低至原来的1/27, 测量误差由原来的0.18 mm降低至0.02 mm。双检测线圈结构为磁致伸缩液位传感器优化设计提供了理论指导。
磁致伸缩 液位传感器 双检测线圈 噪声抑制 温度补偿 magnetostriction liquid level sensor double detection coils noise suppression temperature compensation
1 上海航天设备制造总厂, 上海 200245
2 哈尔滨工业大学MEMS中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
为了提高新型航天运载火箭中电容式液位传感器系统的电容检测性能, 设计了一款适用于航天运载火箭中电容式液位传感器的接口专用集成电路(Application Specitic Integrated Circuit,ASIC)芯片。首先, 完成了整体电路的系统级设计, 实现了对电容式液位传感器输出电容的线性检测, 将传感器输出电容量转化为与之呈线性关系的电压量输出。然后, 对接口ASIC芯片的线性度、噪声特性和温度环境适应性进行了理论分析与研究。最后, 采用0.5 μm CMOS工艺完成接口ASIC的流片, 并进行了芯片的性能测试。实际测试结果显示, 芯片电容检测非线性为0.005%, 输出噪声密度3.7 aF/Hz(待测电容40 pF), 电容测量稳定性7.4×10-5 pF(参考电容40 pF, 待测电容40 pF, 1 σ, 1 h), 输出零位温度系数4.5 μV/℃。测试结果证明, 该接口ASIC的电容检测性能已经达到国外最高性能的电容式液位传感器液位测量芯片的水准, 可以广泛应用到多种电容式检测传感器中。
电容式液位传感器 微弱电容检测 接口ASIC芯片 开关电容电路 capacitive liquid level sensor weak-capacitance detection interface Application Specitic Integrated Circuit( switched-capacitor circuits
1 西安石油大学理学院, 陕西 西安 710065
2 西北大学物理学院, 陕西 西安 710069
为了简化光纤液位传感器的设计与制作工艺, 提出了一种基于纤芯失配模间干涉的在线型光纤迈克耳孙干涉仪, 由单模光纤熔接一段细径光纤构成。单模-细径光纤熔点处充当耦合器, 激发出光纤高阶包层模, 纤芯基模与高阶包层模被细径光纤端面反射后传输至单模光纤产生模间干涉并输出。传感器干涉条纹清晰、对比度高, 对环境液位改变敏感。对细径光纤长度为12 mm的传感器进行了不同溶液液位和温度响应特性的实验研究, 实验结果表明在0~9 mm 的液位变化范围内, 干涉谷波长与液位呈线性关系, 水液位灵敏度为－0.116 nm/mm, 质量分数为4.7%的 NaCl溶液液位灵敏度为－0.129 nm/mm；在20~80 ℃的水温变化范围内, 干涉谷的温度灵敏度为0.038 nm/℃。传感器结构简单、制作简便, 而且成本低廉, 在石油化工等领域具有较好的应用前景。
光纤光学 传感器 迈克耳孙干涉仪 液位传感器 模间干涉
1 北京航空航天大学 惯性技术重点实验室, 北京100191
2 北京航空航天大学 精密光机电一体化技术教育部重点实验室, 北京100191
3 中北大学 仪器科学与动态测试技术教育部重点实验室, , 山西 太原 030051
4 中北大学 电子测试技术重点实验室, 山西 太原 030051
为满足某些国家工程的发展需要, 比如说航天领域内, 液态燃料液位监测作为飞行指标考核的一个关键参数, 检测精度直接影响到各类飞行器的指标实现效率。基于塑料光纤弯曲损耗和受抑全内反原理, 设计了一种可实现单点离散与多点连续的液位传感系统。理论分析后, 使用实际器材验证理论分析, 阐述了操作原则、系统结构和技术优势, 分析了进行液位测量的可行性。根据理论分析的结果, 基于已有器材搭建了离散和连续式液位传感系统, 同时设计了一套实验装置并利用该装置对传感系统进行了验证实验。实验结果表明: 所提出的新型液位传感系统不仅可以实现液位的测量, 而且具有较好的测量一致性和易实现性。其中连续液位测量系统达到了测试量程450 mm, 测试灵敏度为0.808 3 μW/mm的液位测量。对工程应用领域的具有较好的参考意义。
光纤液位传感 光纤光学 弯曲 受抑全内反射 fiber-optic liquid level sensor optical fiber optics bend frustrated total internal reflection 红外与激光工程
2017, 46(12): 1217001
武汉睿芯特种光纤有限责任公司, 湖北 武汉 430070
针对腐蚀后的薄包层保偏光纤对外界溶液折射率敏感的特性,提出了一种基于高双折射环形镜的光纤液位检测方法。HF腐蚀后的保偏光纤构成高双折射环形镜中的传感头,液位的变化导致保偏光纤传输特性的变化从而实现传感测量。经测量,保偏光纤4个有效波谷点谐振波长在1 520～1 620 nm光谱范围内,且随着液面高度的上升整体向长波方向移动。结果表明,传感器灵敏度高达在0.277 nm/mm,液面高度与波长飘移量的线性度达99.5%以上,测量精度可达毫米级。
环形镜 保偏光纤 双折射 液位传感器 FLM PMF birefringence liquid level sensor
河北工业大学 电磁场与电器可靠性省部共建重点实验室, 天津 300130
为了提高磁致伸缩液位传感器的检测精度, 研究了磁致伸缩液位传感器中产生偏置磁场的浮子磁铁的放置方式及其对检测电压的影响。利用ANSYS软件对浮子磁铁不同放置方式下形成的偏置磁场进行了有限元分析, 分析显示: 采用3块磁铁互成120°N极N极S极(NNS)放置或者采用圆环磁铁作为偏置磁场时检测效果比较理想。实验研究了磁致伸缩液位传感器的偏置磁场对检测电压的影响, 并在浮子磁铁不同放置方式下进行多次实验。结果表明: 偏置磁铁为3块磁铁互成120°NNS放置时或者为圆环磁铁时, 检测电压的幅值达到50 mV, 比其它放置方式提高了近30 mV。研究表明: 磁致伸缩液位传感器应选择3块磁铁NNS放置或者选择圆环磁铁作为偏置磁场。
偏置磁场 磁致伸缩液位传感器 检测电压 有限元法 bias magnetic field magnetostrictive liquid level sensor detection voltage finite element method 光学 精密工程
2016, 24(11): 2783
