《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于側(cè)向菲涅爾透鏡耦合的光纖漏水傳感器設(shè)計(jì)*
2023年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
李瑩潔，侯鈺龍，沈三民，劉艷芳，苑佳馨
（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）
摘要： 針對(duì)現(xiàn)有準(zhǔn)分布式液漏監(jiān)測(cè)光纖傳感器光源耦合效率低、傳導(dǎo)進(jìn)光纖模式少等問題，設(shè)計(jì)了一種側(cè)向耦合的光纖漏水傳感器，其由菲涅爾透鏡及光纖傳感帶構(gòu)成。通過Zemax軟件進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)并加工特定菲涅爾透鏡，使光纖傳感器中所用光源能更好地匯聚。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比有無透鏡時(shí)LED的耦合功率，結(jié)果表明有透鏡的情況下光耦合進(jìn)光纖的功率可提高40%且其他傳感性能不受影響，所設(shè)計(jì)的菲涅爾透鏡能夠?qū)庠催M(jìn)行高效率的耦合，在傳感帶長度相同時(shí)可有效提高分辨率。
中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.233770
中文引用格式： 李瑩潔，侯鈺龍，沈三民，等. 基于側(cè)向菲涅爾透鏡耦合的光纖漏水傳感器設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(8)：59-64.
英文引用格式： Li Yingjie，Hou Yulong，Shen Sanmin，et al. Design of optical fiber water leakage sensor based on lateral Fresnel lens coupling[J]. Application of Electronic Technique，2023，49(8)：59-64.
Design of optical fiber water leakage sensor based on lateral Fresnel lens coupling
Li Yingjie，Hou Yulong，Shen Sanmin，Liu Yanfang，Yuan Jiaxin
(Key Laboratory of Instrumentation Science ＆ Dynamic Measurement， Ministry of Education， North University of China， Taiyuan 030051， China)
Abstract： Aiming at the problems of low coupling efficiency and few mode of transmission into fiber of existing quasi-distributed liquid leakage monitoring fiber sensor, a short focal length Fresnel lens was designed for the sensor light source. Through the simulation analysis of Zemax software, the specific Fresnel lens is designed and manufactured, and the light source used in the fiber sensor can be better converged. By comparing the coupling power of the LED with or without the lens, the results show that the power of optical coupling into the fiber with the lens can be increased by 40% and the other sensing properties are not affected. The designed Fresnel lens can couple the light source efficiently and improve the resolution effectively when the length of the sensing band is the same.
Key words : optical fiber sensing；Fresnel lens；the lateral coupling；liquid leak detection

0　引言

目前，液漏檢測(cè)廣泛應(yīng)用于水下裝備的水密性測(cè)試、大型數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體廠房、智能家居、圖書館等存在液體泄漏風(fēng)險(xiǎn)的場(chǎng)所，以及石油化工存儲(chǔ)運(yùn)輸和輸水管網(wǎng)的泄漏檢測(cè)。針對(duì)不同的場(chǎng)所、安裝環(huán)境和種類多樣的被測(cè)液體，需要采用不同的液漏檢測(cè)技術(shù)。

常見的泄漏檢測(cè)方法有聲波分析測(cè)漏法[1-2]、負(fù)壓波[3]、應(yīng)力波檢測(cè)法[4]、光纖檢測(cè)法[5-6]等，受限于特定的檢測(cè)環(huán)境，上述測(cè)量方法在復(fù)雜空間中的作用收效甚微。光纖檢測(cè)以其檢測(cè)種類多，抗電磁干擾，且非電測(cè)量不會(huì)造成海水接觸短路、漏電等天然優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景。利用光纖可實(shí)現(xiàn)分布式[7]或準(zhǔn)分布式[8]檢測(cè)，既可監(jiān)測(cè)液漏信息也可實(shí)現(xiàn)漏點(diǎn)定位。

現(xiàn)有的光纖傳感器中，將液體泄漏事件轉(zhuǎn)換為溫度或應(yīng)變的轉(zhuǎn)換過程是不具備實(shí)時(shí)性的，將極大影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能。近期有關(guān)學(xué)者研究提出了一種光纖多源掃描定位的準(zhǔn)分布式漏水傳感器[9]，基于光纖側(cè)向耦合效應(yīng)，通過缺陷耦合結(jié)構(gòu)與LED燈帶之間的傳輸介質(zhì)變化直接反映泄漏事件，具有結(jié)構(gòu)簡單、測(cè)量成本低、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。但受限于光纖側(cè)耦合結(jié)構(gòu)造成的損耗以及光源較大的發(fā)散角，使得耦合進(jìn)光纖的光強(qiáng)太小，需要級(jí)聯(lián)中繼來增加測(cè)量距離，為獲得更高的分辨率，需要更多的中繼來實(shí)現(xiàn)。

菲涅耳透鏡因其厚度薄、質(zhì)量輕、體積小、透光性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)[10]被應(yīng)用于應(yīng)用光學(xué)的許多領(lǐng)域，如光學(xué)傳感器系統(tǒng)的成像和光電集成[11-12]。由于上述光纖傳感器所用LED光源發(fā)散角太大，光源通過微米級(jí)的耦合結(jié)構(gòu)進(jìn)入光纖的光強(qiáng)極低，需使用中繼才能增加傳輸距離。為增大進(jìn)入光纖的光強(qiáng)、提高分辨率，且不會(huì)增加中繼的使用，需設(shè)計(jì)一種能使光源有較強(qiáng)的匯聚作用，能滿足上述要求的、適用于上述準(zhǔn)分布式傳感器光源的菲涅爾透鏡。



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作者信息：

李瑩潔，侯鈺龍，沈三民，劉艷芳，苑佳馨

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

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