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光纤液位传感器
摘要
我们提出并演示了一种基于多模干扰效应（MMI）的光纤液位传感器。同时，我们研究发现，MMI和自像效应可以有效地应用于多路液位传感，因为作为每个传感器的带通滤波器它们的自然响应与其它情况下同时工作的滤波器响应明显不同。利用标准的105/125阶式折射率多模光纤（MM F）我们制作了一种简单的离散液位传感器，同时，该传感器还可以在液位测量过程中判别液体的折射率（R I）。MMI液位传感器不仅价格低廉，而且制造简单。
索引术语：液位传感器、多模干涉(MMI)、光纤传感器
附：中英文缩写全称附录
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缩写 |
全称 |
释义 |
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MMI |
Multimode interference |
多模干涉效应 |
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MMF |
Multimode fiber |
多模光纤 |
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RI |
Refractive index |
折射率 |
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OFS |
Optical fiber sensor |
光纤传感器 |
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SMF |
Single mode fibers |
单模光纤 |
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DMM |
digital multimeter |
数字多用表 |
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ER |
extinction ratio |
消光比 |
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EG |
ethylene glycol |
乙二醇 |
I .导言
光纤传感器在过去几年中经历了极大的发展。我们可以在文献中找到于其应用相关的大量研究，其应用范围包括物理、化学和生物传感装置和系统。光纤传感器(OFS)有几个吸引人的特点使之优于电气系统。其中有一些关键性的优点，包括：低功耗、耐腐蚀和高温环境的能力、抗电磁干扰能力、远距离的信号产生/检测，高灵敏度。在可以使用OFS测量的不同物理参数中，容器中液位的检测对于商业应用非常重要。特别是OFS非常适合测量可燃流体液位，因为它们不需要电信号来感测液体。一般来说，我们可以有两种类型的液位传感器：连续型传感器和离散型传感器。离散型液位传感器通常是靠来自传感器头部的光或传输通过传感器的光的反射变化来测量的，这是由于传感器头部尖端接触液体而导致的传感器头部周围折射率变化所导致的[2-7]。多年来，专家们已经为离散型液位传感器提出了许多不同的结构，并且使其感测机制建立于特殊的光纤尖端基础之上。基于特殊光纤尖端的液位传感器工作于受抑制的全内反射，该全内反射可通过倾斜或反向反射尖端[2]、锥形/锥形尖端[3-6]、特殊光纤尖端设计[4]或反射元件作为棱镜的附件[5]获得。之上的所有情况，都需要带有特殊光纤处理或附加外部元件的光纤尖端，这就增加了传感器的复杂性和成本。最近，我们已经证明了基于光纤多模干涉效应（MM I）的设备在不同激光应用中的优势[8]。MMI器件的主要优点是它们具有带通滤波器响应，并且它们的制造只需要在两段单模光纤(SMF)之间拼接一段特定的多模光纤(MMF)。
在这快件中，我们提出并证明了一种简单而廉价的基于MMI效应的离散液位测量方法。该传感器依赖于这样一个事实：由于MMI效应，从SMF经过的输入场的自成像是在沿着MMF的周期位置形成的。通过在这个精确的位置切割开MMF，自成像会由于在MMF与空气接触面而被反射回SMF。当MMF尖端浸入液体中时，反射的自成被衰减，这不仅为检测液体提供了一种方法，而且也为估计其折射率（R I）提供了一种方法。MMI效应还允许我们通过简单地改变MMF部分的长度来进行多路复用操作，使得每个多路复用的传感器在不同的波长下工作。这样使传感器的制造简单易行，成本最低，有望用于多种应用。
II.操作原理
图1.液位传感器示意图。
MMI液位传感器探头的示意图如图1所示。其关键部件是一段精确长度的MMF，它被拼接到一段单模光纤（SMF）上。拼接后，无需进一步处理，传感器已准备好进行测试。传感器的操作非常简单。光通过SMF耦合到MMF将激发所有支持的偶数模，并且当它们沿MMF传播时，它们之间的干扰将形成沿MMF的输入场的图像。通过在图像形成的精确位置切割MMF，由于MMF空气界面的菲涅耳反射，一部分图像将被反射回SMF。
这仅发生在特定的波长上，该波长可以使用以下表达式计算，
其中，nMMF和DMMF分别对应于有效折射率和MMF基模的直径，是自由空间波长[8-9]。具有不同值的光将在MMF-空气界面之前或之后形成其图像，因此耦合回SMF后，其强度降低。在不使用任何特殊的光纤或结构的情况下，我们的传感器中提供了带通响应。如(1)所示，这完全通过使用不同长度的MMF来控制，这为实现波长复用操作提供了一种简单且经济的方法。
MMI装置作为液位传感器的功能是通过沿垂直方向放置来实现的。这也提供了传感器与容器内任何表面和深度的轻松连接。当液体与MMF刻面接触时，由于MMF与外部介质之间的RI对比度减小，反射系数减小。因此，反射回SMF的光强度降低，并且与液体的RI值有关。相对强度变化不仅可以用来检测液位，还可以用来估计液体的RI。我们还应该注意，原则上，不限制使用任何商用阶跃索引的MMF。然而，研究表明，随着MMF芯径的增大，带通响应的带宽减小。因此，在这项工作中，我们在所有的实验中都使用标准的105/125MMF。
III.使用105/125 MMF的液位传感器
通过将波长范围为1460～1580nm的安捷伦可调谐激光器的光耦合到光学循环器的端口1，并将端口2的输出连接到MMI传感器的贴片光纤，研究和测试了MMI液位传感器的响应。来自MMF的反射光从循行器的端口3收集，并使用连接到Keithley数字万用表（DMM）的InGaAs光电探测器测量响应。通过使用LabVIEW的GPIB端口完全控制了设置。MMI传感器在空气中的标准化响应（MMF长度为43.5 mm）如图2所示。
如前所述，响应显示出作为波长函数的带通响应。由于传感器的响应与液体的RI有关，我们制备了不同的D.I.水（n=1.333）和乙二醇（n=1.434）的混合物。这提供了广泛的RI值，涵盖了工业应用中使用的大多数典型醇。每种液体首先与MMF针尖接触，然后在恒定功率下进行波长扫描。如图2所示，在水的情况下，峰值强度降低90%以上，当我们使用纯乙二醇（EG）时，峰值强度进一步降低95%。通过绘制反射峰值强度的消光比（ER）作为液体RI的函数，我们可以更清楚地看到传感器的响应，如图2的插图所示。如插图所示，在水的情况下，ER接近10db，当
图2.用不同折射率液体作为折射率函数的传感器光谱响应
我们增加液体的RI时，这个值增加到13db。这种衰减水平足以与任何电子控制系统连接。同时我们还可以估测RI，其灵敏度可达2.92times;10-4。这种灵敏度低于最先进的RI传感器，但足以区分液体的RI。
我们还对传感器的响应进行了实时测量。实验装置与前一个类似，只是我们调整了激光器从而以匹配MMI传感器的峰值波长，并且将来自光电探测器的信号发送到示波器以监测峰值强度随时间的变化。传感器被放置在一个线性平移台上，这样我们就可以将MMF尖端插入液体中。传感器依次从异丙醇（IPA）、丙酮和水中插入和取出。如图3所示，传感器不仅能够实时检测不同的液体，而且我们还可以注意到与液体RI相关的检测信号电平的差异。我们还可以观察到，当我们从液体中移除MMF尖端（用红色箭头标记）后，检测到的信号中出现一些振荡，这与MMF尖端蒸发的残余液体有关。结果，在醇中，我们有一个快速的振荡，信号恢复到它在空气中的原始值。然而，在水的情况下，在信号恢复到其在空气中的值之前，振荡持续10秒。对于其他非挥发性液体，如乙二醇，信号在较长时间后不会恢复。如果我们有办法使MMF的表面疏水，这是可以解决的。在我们的例子中，我们选择在每次测量后立即用丙酮冲洗光纤，以恢复信号。这里我们使用水，水/EG和EG的相等部分，分别对应于RI为1.333、1.383和1.434。如图3（底部）所示，当我们从每种液体中取出纤维（红色箭头）时，振荡开始，当我们将其浸入丙酮中时，振荡停止。光纤立即从丙酮中移除，信号的行为与我们在图3中观察到的丙酮类似。我们应该明白，图中液体RI的差别可以很容易地判别出来。我们真正应该强调的是，RI判别只适用于单一的MMI操作。同样如下图所示，这是由于来自相邻MMI传感器的残余信号很小。同时我们也对传感器的响应时间进行了估计。信号从丙酮到水的下降时间被测量得是15-25ms,振荡结束后测得的恢复时间为40～120ms。
图3.(上图)传感器对不同液体的实时响应(红色箭头表示光纤尖端从液体中移除的时间)。(底部)使用不同液体的实时响应，用丙酮冲洗光纤尖端，如蓝色箭头所示。
为了演示多路复用操作，通过切割第二长MMF（41.5mm）并获得峰值波长为1560nm的MMI传感器来制作另一个MMI传感器。与之前使用的实验装置相同，但在循环器的端口2和MMI传感器连接到分路器的两个输出端后，我们增加了一个1times;23dB的分路器。这样我们可以同时监测两个不同容器的液位。如图4（a）所示，当两个光纤都在空气中时，我们有两个定义良好的峰值对应于每个MMI传感器。我们应该提到，在这种情况下，噪声响应是由于源可调谐激光器的高相干性而产生的伪像。这可以通过使用非相干宽带源很容易地消除。我们用掺铒放大器证实了这一点。然而，由于其宽调谐范围而被使用的可调谐激光器会出现以下情况。当两个容器中的IPA水平升高并与MMF尖端接触时，我们可以观察到两个传感器中的信号水平降低。我们还可以在图4（b）中看到一个传感器在空气中，另一个传感器在IPA（黑线）中的情况，以及相反的情况（红线）。对装有乙二醇的容器进行类似的测量，在图4（c）和（d）中观察到类似的结果。波分复用不仅简单，而且价格低廉，因为我们只需要在不同的长度上切割MMF。
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图4.使用两个MMI传感器对传感器进行多路操作。
IV.结论
我们展示了一种基于MMI效应的全光纤液位传感器。与典型的离散液位传感器相比，该传感器具有许多优点。首先，它们不需要透镜、棱镜或任何其他光学元件连接或制作在传感光纤的顶端。唯一的要求是以精确的长度切割105/125 MMF。MMF的长度还允许我们控制传感器的峰值波长，这允许简单而廉价的波长复用操作。利用该传感器，当RI为1.333～1.434时，可实现ER值在9.63～13.09db范围。这个ER值与基于菲涅耳反射减少的液位传感器相当，并且比一些基于特殊光纤头的传感器要好得多。我们还强调，测量的信号强度可以很好地估计液体的RI，这在某些应用中可能是有用的。
参考书目
[1]S. Khaliq，S.W.James和R.P.Tatam，“使用长周期光栅的光纤液位传感器”，Opt.Lett，第26卷，第16期，第1224-1226页，2001年8月.<!--
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