《電子技術(shù)應用》
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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計*
2023年電子技術(shù)應用第8期
李瑩潔，侯鈺龍,，沈三民,，劉艷芳，苑佳馨
（中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,，山西 太原 030051）
摘要： 針對現(xiàn)有準分布式液漏監(jiān)測光纖傳感器光源耦合效率低,、傳導進光纖模式少等問題，設計了一種側(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軟件進行仿真分析，設計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,。通過實驗對比有無透鏡時LED的耦合功率,，結(jié)果表明有透鏡的情況下光耦合進光纖的功率可提高40%且其他傳感性能不受影響，所設計的菲涅爾透鏡能夠?qū)庠催M行高效率的耦合,，在傳感帶長度相同時可有效提高分辨率,。
中圖分類號：TP391 文獻標志碼：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計[J]. 電子技術(shù)應用，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，液漏檢測廣泛應用于水下裝備的水密性測試,、大型數(shù)據(jù)中心,、半導體廠房、智能家居,、圖書館等存在液體泄漏風險的場所，以及石油化工存儲運輸和輸水管網(wǎng)的泄漏檢測,。針對不同的場所,、安裝環(huán)境和種類多樣的被測液體，需要采用不同的液漏檢測技術(shù),。

常見的泄漏檢測方法有聲波分析測漏法[1-2],、負壓波[3]、應力波檢測法[4],、光纖檢測法[5-6]等,，受限于特定的檢測環(huán)境,，上述測量方法在復雜空間中的作用收效甚微。光纖檢測以其檢測種類多,，抗電磁干擾,，且非電測量不會造成海水接觸短路、漏電等天然優(yōu)勢,，具有廣闊的發(fā)展前景,。利用光纖可實現(xiàn)分布式[7]或準分布式[8]檢測，既可監(jiān)測液漏信息也可實現(xiàn)漏點定位,。

現(xiàn)有的光纖傳感器中,，將液體泄漏事件轉(zhuǎn)換為溫度或應變的轉(zhuǎn)換過程是不具備實時性的，將極大影響系統(tǒng)的實時性能,。近期有關(guān)學者研究提出了一種光纖多源掃描定位的準分布式漏水傳感器[9],，基于光纖側(cè)向耦合效應，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,、測量成本低、響應速度快的優(yōu)點,。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,，使得耦合進光纖的光強太小，需要級聯(lián)中繼來增加測量距離,，為獲得更高的分辨率,，需要更多的中繼來實現(xiàn)。

菲涅耳透鏡因其厚度薄,、質(zhì)量輕,、體積小、透光性強等優(yōu)點[10]被應用于應用光學的許多領域,，如光學傳感器系統(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，光源通過微米級的耦合結(jié)構(gòu)進入光纖的光強極低,，需使用中繼才能增加傳輸距離,。為增大進入光纖的光強、提高分辨率,，且不會增加中繼的使用,，需設計一種能使光源有較強的匯聚作用，能滿足上述要求的,、適用于上述準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 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051）

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