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基于光纤光栅的高精度液位测量方法研究

摘要

液位测量在各种工程领域中具有相当重要的地位。在极端条件下工作如高温，高压，

强烈腐蚀等环境中，光纤的各种优点如本质安全、抗化学腐蚀、抗电磁干扰、电隔离、

体积小、传感头轻、精度和分辨率高、易于多路复用，以及在测量点不需要电力等，可

以满足各种所需测量要求。由于光纤优良的特性，引起了越来越多的学者和研究人员的

关注。

本文为了实现高精度液位探测以满足现今工业生产的需求，分析探究了多模插入、

CO激光抛光以及周期性拉锥对传感器液位性能的作用，其原理主要通过光纤表面去除、

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光纤变形以及多模嵌入等方式激发高阶模式，进而加强传感器对外界环境的交互以提高

传感器的灵敏度。

首先，探究了插入多模光纤对光纤传感器性能的影响，利用多模光纤-无芯光纤-多

模光纤(multi-modefiber-Nocorefiber-multi-modefiber,MMF-NCF-MMF)异芯结构

(heterocorestructure,MNM-HCS)。该传感器由NCF两端拼接的两个MMF结构组成，其

中NCF作为传感单元，两端的MMF激发更高的包层模式，以提高传感器对外部环境的

灵敏度。当光从MMF传输到NCF时，就会发生干涉。实验结果表明，长度为12.2mm

的紧密型液位传感器在0-10mm的水位(RefractiveIndex,RI1.333)范围内具有1034

pm/mm的高液位灵敏度。在35-95℃范围内，温度灵敏度为20pm/℃。该传感器的温

度-液位交叉灵敏度为0.019mm/℃。

其次，为了进一步提高传感器的灵敏度，在插入多模后，通过利用CO2激光对插入

多模的传感器进行进一步抛光，将复合多模-单模-多模(C-MSM)光纤结构的两侧进行抛

光形成了片状复合长周期光纤光栅(sliceshapecompositelong-periodfibergrating,

SSC-LPFG)，制备了一种新型的超高灵敏度液位传感器。该方法提高了传感器对外界环

境的灵敏度。在仿真计算的基础上，设计了一个长度为3.5mm的液位传感器，光纤模

式为LP。实验结果表明，在水中0~1400μm的液位传感范围内，灵敏度可达7080pm/mm。

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在20-90℃范围内，温度灵敏度为24.52pm/℃。

最后，研究了在多模光纤中间周期插入锥形单模光纤来进一步提高传感器灵敏度，

将多模光纤(MMF)和锥形单模光纤(Taperedsinglemodefiber,T-SMF)进一步组成高灵敏

MMF-(T-SMF)-MMF(MTMs)3MMF2T-SMF

度液位传感器。结构由段与段拼接而成，

进一步增加了纤芯直径失配，提高了对外界环境变化的响应能力。当光从MMF传输到

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

锥形光纤时，就会发生干涉。实验研究了长度为2mm的紧凑结构的性能。结果表明，

该紧凑型液位传感器在0-1600μm的水位(RI1.333)范围内具有8100pm/mm的高液位

灵敏度。在30-130°C范围内，计算的温度灵敏度为22.73pm/℃。该传感器的温度液位

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交叉灵敏度为2.81×10mm/℃。

基于多模插入、CO激光抛光以及周期性拉锥，在多模进行高阶模激发的前提下逐

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渐进行光纤包层的减小，激发出更高阶模以及让倏逝场进一步暴露，加强结构对外界环

境的响应。而且有多模光纤的插入，可以进一步减小温度对结构的影响。基于这几种方

法制备的光纤液位传感器既简单又灵活，线性度强，灵敏度高，且整个制造过程中的光

谱可以实时监测，这有利于光纤传感器的规模化生产。因此，在高精度液位测量领域具

有很好的前景。

关键词：光纤光栅传感器；液位测量；CO激光器；多模插入

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