UDK 621.3:(53+54+621+66). ISSN 0352-9045 Informacije MIDEM 22(1992)1 , Ljubljana 
SENZOR ViŠiNE GLADINE SPREPLETENIMA OPTIČNIMA 
VLAKNOMA 
A. Suhadolnik, M. Črnigoj, J. Možina 
KLJUČNE BESEDE: optična vlakna, optični senzor, senzorji nivoja tekočin. merjenje nivoja tekočin, merjenje lomnega količnika, tekočinski film, 
absorpcija, ekperimentalne raziskave 
POVZETEK: Izdelali smo nov tip senzorja za zvezno merjenje višine gladine na osnovi prestopa svetlobe med dvema optičnima viaknoma. 
Vlaknoma, ki sta medsebojno prepletena, je v senzorskem delu odstranjen plašč. V članku je opisana sestava senzorja, podani so rezultati merjenja 
višine gladine in lomnega količnika tekočin. Prikazani so vplivi absorbcije in omočenja senzorja z merjeno tekočino. 
TWISTED OPTICAL FIBER LIQUID LEVEL SENSOR 
KEY WORDS: optical fibers, optical sensors, liquid level sensors, liquid level measurement, refractive index measurement, liquid film, absorption, 
experimental research 
ABSTRACT: A new type ol the optical liber continuous liquid level sensor was made. The basic principle is light transmission between input and 
output fiber, which are stripped and twisted together. In this contribution, sensor structure, liquid level measurements and relractive index 
measurements are described. The effect of wetting and the liquid absorption influence on the sensor response are also investigated. 
1.UVOD 
Določanje višine gladine kapljevin sodi med osnovne 
meritve v procesni tehniki. S to problematiko je poveza-
nih več senzorjev, ki delujejo na različnih principih. Že v 
petdesetih letih so razvili točkovni senzor nivoja, ki je 
deloval na principu prehoda svetlobe skozi stekleno cev 
in totalnega odboja na prizmatično ošiljeni konici (1). Z 
razvojem tehnologije izdelave optičnih vlaken je prišlo 
do izboljšav tovrstnih senzorjev (2,3). Pozneje so upo-
rabljali za določevanje nivoja gladine tudi senzor z zavi-
tim vlaknom v obliki U-profila (4). Našteti senzorji merijo 
nivo gladine le veni točki. Merjenje zveznega nivoja 
gladine omogoča efekt slabljenja svetlobe v vlaknu pri 
zvijanju v kombinaciji s plovcem (5). Razvit je bil tudi 
radarski sistem detekcije višine gladine s pomočjo op-
tičnih vlaken (6). Za zvezno določanje višine gladine 
tekočine je možno uporabiti pojav diferencialne absorp-
cije svetlobe dveh valovnih dolžin v absorpcijskem me-
diju (7,8). Isto omogoča tudi fluorescenčno vlakno, ki lovi 
sevano svetlobo iz svetilke izven posode z vodo (9). 
Digitalno določevanje višine gladine je izvedeno z dve-
ma vlaknoma in zrcalnimi ploščicami med njima (10). 
Ena izmed možnosti za zvezno določanje višine gladine 
je senzor, ki deluje na osnovi prehoda svetlobe iz enega 
vlakna v drugo (11). 
Večina senzorjev z optičnimi vlakni za merjenje višine 
gladine imajo to slabo lastnost, da je njihovo delovanje 
omejeno z vrsto medija, katerega merijo. Tako so ab-
sorpcijski senzorji odvisni od absorpcije tekočine v kateri 
se nahajajo. Senzorji na osnovi prehoda svetlobe iz 
29 
enega vlakna na drugo so omejeni z lomnim količnikom 
merjene snovi. Velik problem pri potopnih senzorjih je 
tudi njihova omočljivost in nečistost merjene snovi. po-
manjkljivost fluorescenčnih senzorjev je velik vpliv do-
datne motiine zunanje svetlobe in nelinearen odziv sen-
zorja. 
V tem prispevku je opisan nov tip senzorja za zvezno 
meritev višine gladine na osnovi prestopa svetlobe med 
dvema vlaknoma, ki sta medsebojno prepleteni. V na-
daljevanju so razloženi princip delovanja in rezultati 
eksperimentov z različnimi verzijami senzorja. 
2. PRINCIP DELOVANJA 
Senzorvišine gladine je sestavljen iz dveh tesno preple-
tenih večrodovnih vlaken s koračnim profilom lomnega 
količnika (slika 1). Premer jedra uporabljenega vlakna iz 
plastične mase (PMMA-poli metil meta akrilat) je 1 mm. 
Vlaknoma v senzorski konici je odstranjen plašč tako, 
da lahko medij pride v neposredni kontakt s površino 
senzorja. Svetloba vstopa v prvo vlakno in potuje po 
oplaščenem delu vlakna do senzorske konice. Na pre-
pletenem delu, kjer je plašč odstranjen, svetloba izstopa 
iz prvega vlakna in se delno ujame v drugo vlakno. 
Svetlobna moč, ki na enoto dolžine prehaja iz prvega v 
drugo vlakno, je odvisna od razmerja dolžin omočenega 
in neomočenega dela obeh vlaken. Zato je pojav pres-
topa svetlobe možno uporabiti kot osnovo za senzor 
višine gladine. Poskusi pa so pokazali, da je senzor, pri 
Informacije MIDEM 22(1992)1, str. 29-35 
Slika 1: Senzor za merjenje višine gladine 
Slika 2: Lom svetlobe na poškodovani površini. 
Slika 3a: Nepoškodovano optično vlako 
30 
A. Suhadolnik, M. Crnigoj. J. Možina: Senzor višine 
gladine s prepletenima optičnima vlaknoma 
katerem smo vstopnemu vlaknu zgolj odstranili plašč, 
dokaj neobčutljiv na spremembo višine gladine. Zaradi 
tega smo vstopnemu vlaknu namerno enakomerno poš-
kodovali površino in s tem močno povečali izstop svet-
lobe po obodu. Slika 2 prikazuje lom svetlobe na poško-
dovani površini. 
Povečana fotografija prečno presevanega vlakna pred 
poškodbo (slika 3a) in po poškodbi (slika 3b) nazorno 
prikaže povečanje sipanja presevane svetlobe. 
Izdelali smo več senzorjev z različno stopnjo umetno 
povzročenih poškodb. Na ta način se je bistveno pove-
čala občutljivost na spremembo višine gladine. 
Prestop svetlobe na dolžinsko enoto iz prvega vlakna 
lahko opišemo z enačbo, 
dP1 (z) P 13() -8(z)z 
dz = 10 Z e (1) 
kjer je PlO moč svetlobe v vlaknu na vstopu v senzorski 
del, P1 moč v prvem vlaknu, 13(z) koeficient slabljenja in 
z koordinata vzdolž osi vlakna. Celotna moč svetlobe, ki 
vstopa v drugo vlakno, je enaka: 
L 
P2 = f y(z)dP1(z) (2) 
o 
pri čemer je )'(z) prestopnostni koeficient, L pa efektivna 
dolžina senzorja. Koeficient slabljenja 0(z) je odvisen 
od poškodb na izstopnem vlaknu, prestopnostni koefi-
cient y(z) pa od absorpcije svetlobe v mediju, razdalje 
med vlakni, omočenja in lomnega količnika medija ter 
lomnega količnika vlakna. Z združitvijo obeh enačb in 
upoštevanjem različne prestopnosti med potopljenim in 
nepotopljenim delom vlakna, razpade integral (2) na dva 
dela: 
L-h 
P2(h) = f )'g(z) PlOl3(Z) e-8(Z)Zdz 
o 
L 
+ f )'l(Z) PlO l3(z)e-8(Z)Zdz 
L-h 
Slika 3b: Poškodovano optično vlakno 
(3) 
A. Suhadolnik, M. Crnigoj, J. Možina: Senzor višine 
gladine s prepletenima optičnima vlaknoma 
0.8 6=0.05 
z[mm] 
Slika 4: Teoretični odziv pri spreminjanju taktorja 
slabljenje ~ 
0.8 
0.6 
~ 
----QN 
1 
10 
6=.01 
~. L _______ ... 1 
20 30 
H[mm] 
Slika 5: Teoretični odziv pri spreminjanju s/abljenja 
razmerja taktorja prestopnosti r 
Vlakna 
He-Ne laser 
Senzor 
Posoda 
Slika 6: Eksperimentalni sistem 
31 
Informacije MIDEM 22(1992)1, str. 29-35 
kjer sta ')'g(z) in )1(z) prestopnostna koeficienta na nepo-
topljenem in potopljenem delu senzorja in h višina gla-
dine. Koeficient slabljenja ~(z) in prestopnostna koefi-
cienta yg(z), )1(z), lahko določimo eksperimentalno. V 
splošnem so koeficienti odvisni od spremenljivke z, v 
izračunih pa smo privzeli koeficiente kot konstante; P(z) 
= p, yg(z) = yg, )1(z) =')'1. Slika 4 prikazuje izračun izstopne 
moči svetlobe iz prvega vlakna P1 (z) pri spreminjanju 
koeficienta slabljenja ~ in slika 5 celotno moč P2(h) pri 
upoštevanju različne stopnje prestopnosti, kjer faktor r 
označuje razmerje r = yg/)1. V izračunu smo privzeli, da 
vsa svetloba izstopi iz prvega vlakna in prestopi v drugo. 
V realnih razmerah seva prvo vlakno le del svetlobe na 
vse strani, v drugo vlakno pa prestopi manjši del sevane 
svetlobe iz prvega vlakna. Dolžina senzorja v izračunu 
je L = 50 mm. 
3. EKSPERIMENTALNI SISTEM 
Dviganje nivoja tekočine smo simulirali z dviganjem in 
spuščanjem senzorja v posodo, napolnjeno s tekočino, 
kar prikazuje slika 6. 
Za svetlobni izvor smo uporabili HeNe laser. Svetlobo, 
ki prestopi na izstopno vlakno, smo detektirali s Si 
fotodiodo in optičnim merilnikom moči (Anritsu 
ML9106). Senzor je vertikalno pomikal koračni motor 
(ISEL), ki je bil prek krmilnika in RS232C vmesnika 
upravljan z računalnikom. Podatki so iz merilnika op-
tične moči prihajali v računalnik prek IEEE488 vmesni-
ka. Konce vlaken, katerim smo predhodno odstranili 
plašč, smo medsebojno prepletli in njihove konice prev-
lekli s črno plastiko kot zaščito proti nezaželenemu 
izstopu svetlobe na konicah vlaken, kar preprečuje ne-
Koračni 
motor 
OpliCni 
merilnik 
f----imoCi 
Krmilnik 
koračnih 
motorjev 
RACUNALNIK 
Informacije MIDEM 22(1992)1, str. 29-35 
želene odboje svetlobe na dnu posode. Meritve smo 
izvajali v zatemnjenem prostoru, da zunanja svetloba ni 
motila poteka meritev. 
4. MERITVE 
S pNimi meritvami smo ugotavljali občutljivost senzorja 
na različno stopnjo površinskih poškodb vstopnega vla-
kna. V ta namen smo postopno povečevali hrapavost na 
površini vstopnega vlakna. Pri izdelavi senzorja mora 
biti površina enakomerno poškodovana po vsej dolžini, 
ker posamezne globoke zareze v površini prinesejo 
močne nelinearnosti v odzivu. Slika 7 prikazuje tri me-
ritve odziva senzorja z efektivno dolžino 35 mm pri 
povečevanju stopnje poškodb, oz. faktorja slabljenja. 
Krivulja a predstavlja vlakno z najmanjšo stopnjo poš-
kodbe, c pa z največjo. Na osnovi odzivov s slike 7 smo 
izdelali senzor, ki je dal po vsej svoji dolžini linearen 
odziv (slika 8). 
Pri potopnih senzorjih za merjenje višine gladine je 
potrebno posebno pozornost nameniti omočenju sen-
zorja. Pri dvigovanju senzorja iz tekočine ostane na 
Razlicen f3 
30,-----,-----~~~----~----~ 
25F---_~_ 
~ 
OS 20 
o o 
c 
~ 15-----------Z 
c 
u 
o 10-
.c 
.!:! 
5 a 
OL-----L-----~~ ~ o 10 20 30 40 
Visina gladine [mm] 
50 
Slika 7: Odziv senzorjev pri različni stopnji poškodb 
vstopnega vlakna 
10 r-------,-----,--------.----~----~ 
8 
~ c 
o 6 -
o 
E 
ro 
c 4 -u 
o 
.c 
.!:! 
2 -
Oo 10 20 30 40 50 
Visina gladine [mm] 
Slika 8: Odziv senzorja 
32 
A. Suhadolnik, M. Crnigoj, J. Možina: Senzor višine 
gladine s prepletenima optičnima vlaknoma 
površini senzorja tanka plast tekočine, ki deluje kot 
sekundarna obloga vlakna. Na meji med tekočinskim 
filmom in zunanjim medijem pride do totalnega odboja, 
ki žarke dodatno usmerja na drugo vlakno (slika 9). 
Suh senzor ima bistveno nižji začetni prestop svetlobe 
iz vstopnega na izstopno vlakno kot omočen. Po 
omočenju se med ovoji obeh vlaken zadržuje vodna 
plast, ki poveča prestop svetlobe med vlakno ma. Z 
ustrezno izbiro števila ovojev postane vodna plast dokaj 
obstojna, kar je prikazano v nadaljevanju tega dela. 
Histerezni pojav je razviden iz slike 10, kjer smo upora-
bili senzor efektivne dolžine 50 mm. Krivulja apredstavl-
ja meritev globine ob pNi potopitvi. 
Dvig senzorja je prikazan s krivuljo b, krivulja c pa 
predstavlja ponovno potopitev senzorja. Pri nadaljnjem 
potapljanju in dvigovanju senzorja histerezni pojav ne 
vpliva bistveno na odziv senzorja, če časovna zakasni-
tev med po!apljanjem in dvigovanjem ni predolga in ne 
prekratka. Casovno odvisnost histereze prikazuje slika 
11 . 
l 
'------------~------ ------- ---
I 
! 
Slika 9: Vpliv tekočinskega filma na prestop svetlobe 
A. Suhadolnik, M. Crnigoj, J. Možina: Senzor višine 
gladine s prepletenima optičnima vlaknoma 
Spreminjali smo čas čakanja med posameznimi kocaki 
koračnega motorja pri spuščanju in dvigovanju. Cas 
čakanja smo povečevali od 0.25 s do 2.0 s. Pri zelo hitrih 
spremembah pride do pojava histereze, ker se sistem 
ne umiri dovolj. PO času, ki je večji od ene sekunde, pa 
deluje sistem zadovoljivo. Naslednji problem, ki lahko 
negativno vpliva na odziv senzorja, je dolgotrajno su-
šenje senzorja. S pravilno izbiro števila ovojev smo 
14 
12 
~ 10 
os 
Q 8 
2 ----~- -------.~---. 
o 10 20 30 
H(mm] 
Informacije MIDEM 22(1992)1, str. 29-35 
dosegli časovno stabilnost senzorja po omočenju in 
kasnejši sušitvi na zraku (slika 12). 
Vpliv števila ovojev na odziv prikazuje slika 13. Pove-
čevanje števila ovojev ima podoben efekt kot stopnja 
poškodbe vlakna, saj se z naraščanjem ovojev zmanj-
šuje radij ukrivljenosti, kar povzroči močnejše sevanje 
svetlobe iz dovodnega vlakna, oz. večanje faktorja sla-
bijenja ~. Večje število ovojev zagotavlja boljši stik med 
40 50 60 
Slika 10: Histerezni pojav pri odzivu suhega (krivulja aj in omočenega senzorja (krivulja b, ej 
14 H T-----·-,----
12 
T-O.25 sec 
12 
T-O.50 sec 
10 10 
:f :f s E- s E-
n. n. 
6 6 
4 4 
20 20 40 60 20 20 40 60 
H(mm) H[mm) 
14 14 -------------,--_. __ . 
:-C~ 
T-1.()() sec 
~~ 
T -2.00 sec 12 12 
10 
" 
lO 
:f :f 
~S s . ~ E. ~ . Q. n. 
6 ~, 6 .. , 
~. ~, ~ '-2 ~----------'-.-... - .. ______ -.----1 ___ -----_._"- 2
0 
____ . _____ ~_l . ___ .-l .. 
O 20 40 60 20 40 60 
H[mm) H(mm) 
Slika 11: Spreminjanje histereze v odvisnosti od hitrosti spremembe višine gladine 
33 
A. Suhadolnik, M. Crnigoj, J. Možina: Senzor višine 
gladine s prepletenima optičnima vlaknoma 
2o------,-----.-----.-----r----. 
15 -
10 
t[ure] 
Slika 12: Časovna stabilnost izhodne moči svetlobe pri 
sušenju omočenega senzorja 
00~----~1~0------2~0~====~3~0~==~40· 
H[mm] 
Slika 13: Vpliv števila ovojev na odziv senzorja 
30r-----~----~------~-----, 
25 
20 
10 
°0~----~1~0~--~2~0~~0 
H[mm] 
40 
Informacije MIDEM 22(1992)1, str. 29-35 
vlakni in hkrati večjo stabilnost vmesnega tekočinskega 
filma. 
Poleg višine gladine je mogoče s tovrstnim senzorjem 
meriti tudi lomni količnik, oz. koncentracijo raztopin (12). 
V ta namen smo potopili senzor v različne vodne raz-
topine, ki smo jim predhodno izmerili lomne koičnike z 
Abbejevim refraktometrom. Slika 14 prikazuje odzive pri 
dvigovanju senzorja iz raztopin, katerim smo spreminjali 
koncentracijo, oz. lomni količnik. Docela potopljen sen-
zor ima pri večjem lomnem količniku manjši intenzitetni 
odziv, povsem izvlečen in omočen senzor pa ima pri 
večjem lomnem količniku višji odziv. 
Torej se naklon krivulje z lomnim količnikom spreminja. 
Če vodi dodamo močno absorptivno sredstvo (modra 
galica), se zaradi absorpcije celotna krivulja premakne 
navzdol po vertikalni osi (slika 15). Povsem potopljen 
senzor v mediju lahko služi za merjenje lom nih 
količnikov tekočin, pri čemer moramo upoštevati ab-
sorpcijo. Slika 16 prikazuje odvisnost izstopne moči 
potopljenega senzorja od lomnega količnika sredstva. 
Med serijo meritev LiBr in NaCI je nastala razlika (dve 
premici), ki je lahko posledica onesnaženja površine 
senzorja, adsorpcije delcev na površino ali spremembe 
absorpcije svetlobe v mediju. 
5. ZAKLJUČEK 
V tem delu smo prikazali senzor za merjenje nivoja 
gladine tekočin sprepletenima vlaknoma. Z ustrezno 
obdelavo površine vlaken je mogoče izdelati senzor z 
veliko občutljivost jo in linearnim odzivom. Senzor je 
uporaben poleg merjenja nivoja gladine tudi za merjenje 
lom nih količnikov, oz. koncentracije različnih raztopin. 
Za vsako tekočino je potrebno senzor predhodno umeri-
ti. Večji problem predstavlja omočenje senzorja, ki pa se 
4.5r---~----~----~----~----. 
4 
3.5 
3 
_____ ~_4~ 
~~----..15 
-~5%-
2.5 
~'=-0----3="2C----34----3"6 -~8-----c:'40 
H[mm] 
Slika 14: Odziv senzorja pri različnih koncentracijah raztopine NaCI v vodi (spremenjen lomni količnik) 
34 
Informacije MIDEM 22(1992)1, str. 29-35 
30 
25 
20 
15 -
10 
_5 
.--0'"1 --
voda 
raztopi na 
modre galice 
10 20 
nivo gladine [mm] 
30 
Slika 15: Odziv senzorja v absorpcijskem mediju 
40 
zmanjša z ustrezno izbiro števila ovojev obeh vlaken v 
senzorski glavi. 
6. LITERATURA 
1. J. E. Geake; Journal of Scientific Instruments, Vol. 31, P 260, 
1954 
2. R. Ulrich; Technische Messen, No. 9, p 313,1986 
3. J. Niewisch; Siemens Forsch.- u. Entwickl.-Ber. Bd. 15, Nr. 3, 
1986 
4. K. Spenner, M. D. Sight, H. Schulte, H. J. Boehnel; I'st Conf. on 
Optical Fiber Sensors, London, lEE 221, P 96, 1983 
5. K. Spenner; Technisches Messen, Vol. 51, No. 9, p-329, 84 
6. D. A. Jackson; I'st Conference on Optical Fiber Sensors, Lon-
don, lEE 221, p 100, 1983 
7. J. P Dakin, M. G. Holliday; I'st Conference on Optical Fiber Sen-
sors, London, lEE 221, P 91,1983 
8. C. P. Yakymyshyn, C. R. Pollock; Journal of Lightwave Technol-
ogy, Vol. L T-S, No. 7, p-941, 1987 
9. A. T. Augousti, J. Mason, K. T. V. Grattan; Rev. Csi. Inst., Vol.61 , 
No. 12, 1990 
35 
A. Suhadolnik, M. Crnigaj, J. Možina: Senzor višine 
gladine s prepletenima optičnima vlaknoma 
4 ---,---------.-----,------, 
3.5 -
3 
2.5 
2 
1.35 1.4 
lomni kolicnik 
1.45 1_5 
Slika 16: Merjenje lomnega količnika' 
10. J. A. Morris, C. R. Pollock; Journal of Lightwave Technology, 
Vol. L T-5, No. 7, p-920, 1987 
11. S. Ramakrishnan, R. T .Kersten; lI'nd Conference on Optical 
Fiber Sensors, Stuttgart, VDE-Verlag Berlin, p 105, 1984 
12. E. Smela, J. J. Santiago-Avi les; Sensors and Actuators, 13, p 
117,1988 
as. mag. Alojz Suhadolnik 
Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo 
Murnikova2 
61000 Ljubljana 
Marko Črnigoj, dipUng. 
Fructal Ajdovščina 
Tovarniška 7 
65270 Ajdovščina 
prof. dr. Janez Možina 
Univerza v Ljubljani Fakulteta za strojništvo 
Murnikova2 
61000 Ljubljana 
Prispelo: 24.02.92 Sprejeto: 12. 04. 92