技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤的液位传感器及测量方法。
背景技术
光纤液位传感器是一种以光纤为媒介测量液体液面高度的传感器，在燃料存储和生化处理等领域有着重要应用。与传统的基于电学方法的传感器相比，基于光纤的传感器具有电绝缘性好、抗电磁干扰、体积小、重量轻等优点，尤其是对于易燃易爆的液体，基于光纤的传感方法的优势更加突出。一般地，基于光纤的液位传感器需要特殊制备工艺的光纤结构，如长周期光纤光栅、布拉格光纤光栅以及斜光纤光栅等，且通常仅适用于测量折射率低于光纤折射率的液体的液位，而无法测量汽油、柴油等自身折射率高于传感光纤折射率的液体。
发明内容
为了克服已有光纤液位传感器无法适用于自身折射率高于传感光纤折射率的液体的不足，本发明提供一种有效检测自身折射率高于传感光纤折射率的液体液位的基于光纤的液位传感器及液位测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于光纤的液位传感器，待检测液体的折射率高于光纤的折射率，所述传感器包括：用于接收测试光的单模光纤、用于接收所述单模光纤输出的测试光且去除涂敷层和包层的第一多模光纤和用于接收所述第一多模光纤输出的测试光并将其输出的第二多模光纤，所述单模光纤的上端与所述第一多模光纤的下端相连接，所述第一多模光纤的上端与所述二多模光纤的下端相连接，所述单模光纤的下端为测试光输入端，所述第二多模光纤的上端为检测信号输出端，所述第一多模光纤的长度大于等于所述待检测液体液位的最大值，所述单模光纤、第一多模光纤和用第二多模光纤的光轴位于同一直线上。
进一步，所述第一多模光纤的纤芯直径小于等于第二多模光纤的纤芯直径。
进一步，所述检测信号输出端与用于检测测试光的功率损耗并参照预先标定的功率损耗与液体液位的对应关系来确定液位的液位检测模块相连接。
一种基于光纤的液位测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
(1)测试光由单模光纤进入、经浸入所述液体中的第一多模光纤传播且从第二多模光纤输出，检测信号输出端的光功率，与测试光的光功率比较后计算得到功率损耗；
(2)参照预设的测试光功率损耗与液位的对应关系，依据所述测试光的功率损耗，确定待检测液体的液位。
进一步，操作者将传感器的第一多模光纤放置于待测液体中，然后测量由传感器的第二多模光纤输出的测试光的功率，最后经操作者查询光功率损耗与液位间的对应关系确定待测液体的液位高度。
或者是：将传感器中的第一多模光纤固定于待检测液体的存储罐中，液位的变化将直接导致第二多模光纤输出测试光功率的变化，液位检测模块接收光功率计测得的光功率损耗并给出液体的液位值。
本发明的技术构思为：摒弃了传统的基于导模耦合或导模干涉的测量原理，使用基于漏模损耗的方法。通过测量依次经由单模光纤、第一多模光纤和第二多模光纤传播的测试光的功率损耗，确定待测液体的液面高度，从而打破了普通光纤不能测量高折射率液体液面高度的限制，并且，本发明实施例所公开的传感器，仅需要使用普通通信光纤和低成本的大芯径特种多模光纤进行简单的连接就可实现对液位的准确测量，因此适合批量生产和应用。
本发明的有益效果主要表现在：1、有效检测自身折射率高于传感光纤折射率的液体液位；2、结构简单、成本低廉。
附图说明
图1为基于光纤的液位传感器的结构示意图；
图2为基于光纤的液位测量方法中测试光输出功率损耗随被测液体的液位变化的曲线图；
图3为基于光纤的液位测量方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图3，一种基于光纤的液位传感器，用于测量折射率高于所述光纤折射率的液体的液位，如图1所示，包括：
接收测试光的单模光纤100；
与所述单模光纤连接的、接收所述单模光纤输出的测试光并预先去除包层和涂敷层的第一多模光纤101；
与所述第一多模光纤连接的、接收所述第一多模光纤输出的测试光并将其输出的第二多模光纤102。
其中，所述第一多模光纤可以使用纤芯直径为50μm，纤芯折射率为1.46的通信多模光纤，光纤长度为10cm，剥掉其涂敷层并使用氢氟酸去除其包层。这里的纤芯直径、折射率和光纤长度为优选设定，但并不限于所述固定值。所述第一多模光纤的长度大于等于待测液体液位的最大值，在确定其长度时还要兼顾所述传感器结构的紧凑性。
所述第二多模光纤可以使用纤芯直径为105μm，纤芯折射率为1.46的多模光纤。这里的纤芯直径、折射率为优选设定，但并不限于所述固定值。
所述单模光纤与所述第一多模光纤为无偏心连接，所述第一多模光纤与所述第二多模光纤为无偏心连接。
上述的连接方式可以为熔接或者能将三段光纤连接的其他方式。
所述液位传感器的功能实现过程如下：
使用这种基于光纤的液位传感器进行液位测量时，将其中的第一多模光纤浸入被测液体103中，此时第一多模光纤被分为两段，一段浸在被测高折射率液体中，与被测高折射率液体组成泄漏波导，支持泄漏模式；第一多模光纤的另一段裸露在空气中，与空气组成导行波导，支持导行模式。
从所述单模光纤出输入一定功率的测试光，测试光由单模光纤输出耦合到泄漏波导。由于泄漏波导支持泄漏模式，故测试光在泄漏波导中传输时会造成功率的损耗，且损耗的大小与泄漏波导的长度，即液面高度，成单调关系。进一步，剩余的测试光将耦合到导行波导并由第二多模光纤输出。最后，通过光功率计测量第二多模光纤输出的测试光的功率损耗。
图2为使用本发明公开的实施例中的液位传感器进行液位测量时，测试光输出功率损耗随被测液体液位变化的关系曲线，被测液体的折射率为1.4769。由该曲线可以看出，当所述液体的液位升高时，所述传感器的输出功率随之减小，二者之间满足一一对应关系。因此，测得所述液位传感器输出测试光的功率损耗后，通过查询功率损耗与液体液位间的对应关系表，即可确定被测液体的液位高度。
需要说明的是，本实施例中所述的测试光，对其输出功率的要求为：经过所述液位传感器损耗后仍然能够被光功率计准确测量。参考现有普通光功率计的量程与精度，本实施例优先选用输出功率在0dBm～-20dBm之间的测试光。在实际应用中并不限制于此，可根据具体情况决定使用的输出功率。
本实施例公开的基于光纤的液位传感器，所使用的光纤分别为普通的单模、普通多模光纤和特种多模光纤，并且，仅需要将单模光纤、第一多模光纤和第二多模光纤依次连接即可，而不需要复杂的光刻技术，所以，此种基于光纤的液位传感器与其他测量高于普通光纤折射率的液体的液位传感器相比，具有成本低、制作简单的优点。
进一步地，本实施例中的单模光纤可以为单模通信光纤，第一多模光纤可以为多模通信光纤，这里为了制作方便而使用比较常见的通信光纤，但并不限定一定使用通信光纤。
进一步地，本实施例中的第二多模光纤为纤芯直径105μm的多模光纤，这里为了降低传感器的耦合损耗，但并不限定一定使用该芯径参数的多模光纤。
与上述实施例中的传感器相对应的，本发明还公开了一种基于光纤的液位测量方法，用于所述传感器，如图3所示，包括步骤：
S301：测量由单模光纤进入的、经浸入所述液体中的第一多模光纤传播且从第二多模光纤输出的测试光的功率损耗；
S302：参考预设的测试光功率损耗与液位的对应关系，依据所述测试光的功率损耗，确定所述液体的液位。
这里存在两种应用场景：第一，由人工测量，即操作者将传感器的第一多模光纤放置于待测液体中，然后测量由传感器的第二多模光纤输出的测试光的功率，最后经操作者查询光功率损耗与液位间的对应关系确定待测液体的液位高度；第二，将传感器中的第一多模光纤固定于待测液体存储罐中，液位的变化将直接导致第二多模光纤输出测试光功率的变化，处理器接收光功率计测得的光功率，然后给出液体的液位值。
本发明公开的基于光纤的液位测试方法，依据泄漏波导中漏模损耗的原理，实现了仅利用普通的单模和多模光纤就可测量折射率高于普通光纤折射率的液体的液位，在保证测量精度的同时，降低了测量的成本。
进一步地，本实施例中所述的测试光为：与所述单模光纤和所述多模光纤波长参数匹配的激光。例如，与上一实施例中所述液位传感器所用光纤匹配的测试光为波长1550nm的激光。使用激光保证了普通功率计测量的准确性。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
