CN101793542A - 高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器。它借助一C形的弹簧管，利用其外形随管内流体压力的增加而趋于变直，且过程可逆，将光栅所在光纤固定于弹簧管两端，弹簧管的形变将影响光栅的工作波长，进而实现对流体压力进行监测。考虑液压与液位成比例关系，因此本发明还可用于液位监测。该传感装置的波长漂移量与待测量间呈线性变化关系，便于定标。它适合于油库等易燃、易爆以及其它存在安全隐患场合液位或流体压力/压强的监测，便于进行网络化分布式监测。

Description

高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器

技术领域

本发明涉及光纤光电子、光纤传感、光纤光栅传感领域，它可用对液位、流体压力或压强进行监测。

背景技术

近年来波长编码的光纤光栅(Fiber Bragg grating(FBG))传感器已被成功地用于压力、位移、温度、电流、磁场以及加速度等物理量的传感，并受到人们的广泛关注。液位是日常生活中常见的物理量之一，考虑液面张力、液体与容器壁间的粘附、以及液体内可能存有的气泡等，对常规的液位测量法(如：机械浮子类液位计、电子类液位传感器、热学式液位计、雷达式液位传感器、超声波液位传感器、同位素/放射性液位传感器、液压类液位计等)的结果都有影响；涉及的液体可能具有腐蚀性、有毒，甚至易燃、易爆，危及安全；所用容器的形状以及是否密封等都有可能影响测量结果，因此选择合适的液位传感器就显得极为重要。

如何对可燃、易爆液体的液位进行安全、有效地监测，一直困扰着工程技术人员。考虑光纤的介电特性，并考虑F-P干涉腔动态范围大、线性度好的特点，高应俊等人利用光纤F-P干涉腔对液位进行了传感，该装置传感结果易受环境因素(如：温度、震颤等)影响，且难以排除，不易实现网络化监测。而FBG传感器可克服上述的不足，M.G.XU等人于1993年首先对裸露的FBG的压力传感特性进行了研究，发现在70MPa的高压下，FBG中心反射波长仅移动0.22nm，其压力灵敏度很低；1996年他又将FBG固定于中空的玻璃球结构中，虽然提高了传感灵敏度，但其装置中的FBG极易损坏，因而实用性有限。1998年刘云启等利用弹簧管的末端驱动悬臂梁，通过观测梁表面光栅的波长漂移对气压进行了监测，该方法难以排除温度对传感结果的影响。2006年郭金明，姜德生等人提出了一种基于进口膜片的FBG压力传感器，发现粘贴在该膜片上的FBG压力传感器的中心波长与压力变化有着良好的线性关系和很高的相关系数并且迟滞现象较小。2008年王宏亮、乔学光等人，通过观察双光栅布拉格波长差，提出了一种应力迟滞和温度自动补偿型FBG压力传感方法，但其灵敏度有限，也难以用于液位监测。

发明内容

本发明的目的是提供一种高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，它利用液压作用下弹簧管的伸张现象，用其对光栅进行轴向拉伸，通过观测波长漂移，判断待测液位的高低或流体压力，甚至压强的大小，以实现对流体参数的高灵敏度传感。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：包括有一端密封另一端连接在进压口上的弹簧管，所述弹簧管内腔与进压口连通，所述进压口上设置有一个固定端面，弹簧管的密封端为自由端，所述自由端是通过封头密封的，所述封头上设置有另一个固定端面，所述两个固定端面呈共面关系，将写有光纤布拉格光栅FBG的光纤的两端分别固定于所述两固定端面上，两端面之间的光纤呈紧绷状态。

所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：采取双光栅结构，所述两固定端面之间的光栅为传感光栅，还包括有与传感光栅级联并免受拉力作用的补偿光栅，待测量转换为纤轴的拉力作用于所述传感光栅上，所述补偿光栅与传感光栅处于同一温度场中，补偿光栅对传感光栅进行温度补偿。

所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：所述固定端面上分别开有直槽，两固定端面的直槽共线，写有传感光栅的光纤的两端分别固定于两槽之中。

所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：所述光纤通过胶粘剂粘贴、埋置或者焊接的方法固定于所述槽中。

所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：所述进压口外壁带有螺纹，或者带有卡扣装置。

所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：弹簧管采用锡磷青铜或不锈钢等管材，其形状呈“C”形或能对传感光栅提供轴向应变的其它形状，所述能对传感光栅提供轴向应变的其它形状可为：螺旋型(管螺簧)、螺线型(管盘簧)、S型等；弹簧管截面为椭圆环，也可以是平椭圆环、D形环、双零形环、8字形环、厚壁平椭圆环等。

所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：所述进压口上设置的固定端面与进压口焊接为一体，封头上设置的固定端面与封头焊接为一体。

所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：所述进压口还连接有与其一体的扩展架，进压口与扩展架的材质均选用刚性材料，扩展架上设有螺丝槽，以安装传感器的外壳。

所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：还包括有固定于所述扩展架上的金属圆筒状外壳，所述外壳带有玻璃盖，外壳上开有孔，孔中安装有小D型适配器，所述外壳罩在整个传感器外，所述补偿光栅借助活动连接器并通过小D型适配器与光源和解调装置连接。

本发明利用弹簧管与FBG的有机组合，见图1所示，即传感光栅所在光纤的一端固定在弹簧管的自由端，而另一端固定在进压口部位。固定光栅时需施加一定的预应力，使光纤呈紧绷状态，以消除零误差。这样当待测流体由进压口注入腔中，流体产生的压力将引起弹簧管出现变直的趋势，造成弹簧管自由端对光纤产生轴向牵引，进而引起FBG布喇格反射波长的漂移。

液位越高，管中压力越大，形变引起的施加在光栅两端的拉应力也越大，波长漂移量也就越大，这些参数间均呈线性变化关系。监测漂移量的大小，可判断待测液位(或流体压力)的值，从而达到传感的目的。

当然，FBG被拉伸的同时，也会引起光纤取向的微小变化，所产生偏转角的变化θ很小，它对传感结果的影响可忽略不计。

弹簧管的材质通常为锡磷青铜合金，是很好的弹性元件。它的外形呈“C”字或其它形状，而截面呈椭圆环或其它形状，管中为空腔。

进压口为黄铜材料，起到连接和压力导入的作用。进压口的一端与弹簧管的一端焊在一起；进压口的另一端外侧带有螺纹，它方便与被测流体的容器相连。进压口上有一与其一体的扩展架，架上设有螺孔，用来固定用于封装传感器的金属外壳。

本发明量程的大小主要取决于：1.弹簧管承受压力的范围；2.光栅所在光纤轴向拉力的承受能力；3.还与光纤两端粘贴的质量有关。改变本发明量程的主要方法有二：1.选用不同量程的弹簧管。2.改变被拉段光纤的长度。当然，对光栅所在的被拉段的光纤采取涂覆或其它封装措施，进行减敏处理，也有助于增加此装置的量程。

本发明的有益效果是：结构简单，精度较高，传感结果免受光路中光强以及环境电磁场的干扰，便于组网，适合远距离监测。能够实现多用途传感：除测量液位以外，还可以测量流体(气体或液体)的压力和压强。可用在易燃、易爆场合对待测量进行安全监测。

附图说明

图1为本发明结构示意图

图2为弹簧管结构示意图，其中：

图2a为弹簧管示意图，图2b为弹簧管截面示意图，图2c为带端面的封头

图3为进压口以及与其一体的扩展架示意图

图4为本发明外壳结构示意图

图5为本发明实验装置示意图

图6为本发明实验数据及理论数据拟合曲线图

具体实施方式

图中：1.弹簧管，2.进压口，3.封头，4.传感光栅及其所在光纤，5.弹簧管自由端，6.与进压口 2一体的扩展架，7.封装外壳的玻璃盖，8.封装外壳的圆筒器具，9.压力表，10.水管，11.阀门，12.耦合器，13.补偿光栅所在的光纤，BBS，宽带光源，OSA，光谱仪。

图3中的6-1～6-4是直径为2mm的螺孔。

图4中的8-1是较进压口外径稍大的孔，当将传感头放入封装外壳时，进压口需穿过该孔，8-2～8-11是直径为2mm的螺孔；8-12是直径为9mm的孔，用来安置小D型适配器。

如图1～图6所示。高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，包括有弹簧管1和进压口2，进压口2的d端外侧带有螺纹或者卡扣装置，弹簧管a端内腔与进压口2连通，进压口2上设置有一个固定端面，弹簧管1的另一端b为自由端5，自由端5利用封头3密封，封头3上设置有另一个固定端面，传感光栅所在的光纤4固定于两个固定端面之间，与其级联的补偿光栅所在段光纤13位于固定端面外侧，并借助FC/APC插头和图4所示的外壳上的小D型适配器与光源和波长鉴辨仪器相连，见图5所示。

进压口2上还连接有与其一体的扩展架6，扩展架上开有多个孔6-1～6-4，扩展架6上设有螺丝槽，以安装传感器的外壳。

弹簧管1、进压口2及与其一体的扩展架6，弹簧管自由端的封头3，是组成传感头骨架的三个部分。将弹簧管1的a端与进压口2的c端焊接到一起，b端(即自由端)与封头3焊在一起，焊接处要保证气密性。

进压口2上设置的固定端面与进压口2焊接为一体，封头3上设置的固定端面与封头焊接为一体。两固定端面呈共面关系，各面上均有一深1mm的窄直槽，两槽沿直线分布。

将写有传感光栅的光纤4的两端分别置于上述槽中，用M-bond610等环氧树脂胶，或者将光纤4固定部位的包层外镀金属膜后通过焊接，将光纤4的两端埋置并固定于槽中。固定过程中，应对光纤4施加一定的预应力，使其呈紧绷状态，以排除零误差。

M-bond610是一种高性能环氧树脂胶。它粘接力强，截面均匀，化学阻抗性好，不导电。其温度适用范围为-269℃～260℃，常温下24小时即可达到非常理想的固化效果。

关于粘胶材料的选择，也可以是其它类型环氧树脂胶，或者是3妙胶等，凡能将光栅两端长期无滑脱地固定在各自对应沟槽内的胶粘剂均可。

固定前先用精磨砂纸对两窄槽进行轻微打磨，使两槽及附近变得有些粗糙，再用蘸有有机溶剂(如：乙醇或丙酮)的无纺布擦拭打磨过的区域。干燥后将光纤顺着槽的取向置于槽中，再用M-bond610将光纤的两端固定于槽内。为增加胶粘的牢固程度，涂胶时尽量将打磨过的区域都涂上胶，另外，操作过程中尽量避免胶中混入气泡。

打磨时应注意，粗糙度要控制在一个合理的范围内。过于粗糙则会因凹处易积攒空气，反而削弱胶粘的牢固度。

当然，光纤固定于槽中的技术可以很多，如：粘贴、埋置或者焊接等方式，无论采用何技术，以光纤使用过程中不出现滑脱现象为宜。

弹簧管1采用锡磷青铜或不锈钢等管材，其形状呈“C”形或能对传感光栅提供轴向应变的其它形状，如：螺旋型(管螺簧)、螺线型(管盘簧)、S型等，弹簧管截面为椭圆环，也可以是平椭圆环、D形环、双零形环、8字形环、厚壁平椭圆环等。

进压口2和扩展架的材质可以是不锈钢或其它刚性材料。弹簧管与进压口材质选取时，应便于两者间的焊接。

为了保护光纤，需要对传感头进行适当封装，为此本发明设计了一个铝合金或其它材质(如：不锈钢等)的圆筒状器具作为外壳。该器具上方敞口，其底面外(直)径为150mm，壁高为35mm，厚为1mm。根据其底面尺寸，为敞口制作一镶有玻璃的盖子。盖子的边框采用铝合金或不锈钢等材质，其上底呈圆环状，圆环的外径为150.8mm，内径为140mm。盖子的内径为150mm，壁高为10mm，壁厚为0.8mm。在盖子的侧壁上每隔120度钻一直径为2mm的圆孔，见图4中的8-5、8-6和8-7。三孔位于同一平面内，各孔与侧壁上下边缘的距离均为5mm。

圆筒器具的底上钻有与扩展架上螺丝孔相对应的直径为2mm的圆孔，即图4中的孔8-8、8-9、8-10、8-11。将圆筒器具底上的孔与扩展架上螺丝孔一一对应后，用螺栓将传感头固定于封装壳内，孔的对应关系为：8-8对应6-1，8-9对应6-2，8-10对应6-3，8-11对应6-4。

筒的侧壁上有与玻璃盖子上的圆孔位置对应、直径为2mm的圆孔，即图4中的8-2、8-3和8-4，按对应关系：8-2对应8-5，8-3对应8-6，8-4对应8-7，将相应的孔一一对应后，即可用螺栓将玻璃盖和圆筒器具固定到一起。打上铅封，这样便完成了传感探头的制作。

对传感头进行封装时，进压口的d端穿过孔8-1露在封装外壳的外面。桶的侧壁还开有一9mm直径的孔8-12，用于安装小D型FC/APC适配器，以方便传感头内外光纤间的活动连接。

与传感光栅串接的补偿光栅置于封装壳内，用来对传感光栅的传感结果进行温度补偿，其工作波长与传感光栅的可以一致，也可以稍有区别。要保证补偿光栅不受应变作用，并与传感光栅处于同一温度场中。补偿光栅的另一端由FC/PC型插头与封装壳上的适配器相连。

FBG传感器的工作原理如下：

宽带光源照明时，由于FBG的带阻滤波作用，将引起布喇格波长(λ_B)的光波“反射”，若光栅常数为Λ，纤芯的有效折射率为n_eff，由布喇格公式可知：

λ_B＝2n_effΛ

若被测量能引起n_eff、Λ或者格栅间光程(n_effΛ)的变化，将引起λ_B的变化，意味着能被FBG所感知。FBG轴向受到的拉力可表示为

F＝σ·S                        (1)

而其应变可表示为 $\mathrm{\ϵ}=\frac{\mathrm{\σ}}{E}---\left(2\right)$

其中，S为光纤截面积、E为光纤杨氏模量、σ为光纤光栅所受轴向应力。液压P作用下，弹簧管自由端产生的对光栅的牵引力F为

$F=\mathrm{Pab}(1-\frac{b^2}{a^2})\frac{\mathrm{\ζ}}{\mathrm{\ξ}+x^2}\sqrt{{q_{\mathrm{\γ}}}^2+{q_t}^2}---\left(3\right)$

式中ξ、ζ、x、a、b、q_γ、q_t均为常数。

一般情况下，引起光栅布喇格波长发生漂移的主要因素为轴向应变和环境温度，波长相对漂移量(Δλ_B/λ_B)可表示为

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=(1-P_e)\mathrm{\ϵ}+(\mathrm{\α}+\mathrm{\β})\mathrm{\ΔT}---\left(4\right)$

式中，P_e＝0.22是石英光纤的有效弹光系数，α为光纤材料膨胀系数，β为热光系数。

考虑环境温度对传感结果的可能影响，引入另一波长与传感光栅一致或接近的同材质光纤光栅，将两光栅串接起来，传感光栅在感受纤轴拉应力的同时，还受环境温度波动的影响。若补偿光栅免受纤轴方向拉应力的作用，其波长变化仅与环境温度有关，考虑两光栅置于同一温度环境中，则两者布喇格波长的差值的变化Δλ_B′仅与传感光栅纤轴的拉应力有关，与环境温度无关。

无论选用波长计、光谱仪还是市面上现有的解调仪，都可以精确地监测上述差值。由其便可精确地判断待测液位或流体压力(强)的值。

此时，式(4)可改写为：Δλ_B′＝(1-P_e)λ_Bε                  (5)

联立(1)-(5)，则波长漂移与液体压强P之间的关系可表示为：

${{\mathrm{\Δ\λ}}_B}^{\′}=0.78{\mathrm{\λ}}_B\mathrm{Pab}(1-\frac{b^2}{a^2})\frac{\mathrm{\ζ}}{\mathrm{\ξ}+x^2}\frac{\sqrt{q_{\mathrm{\γ}}^2+q_t^2}}{S\·E}---\left(6\right)$

令： $K=0.78{\mathrm{\λ}}_B\mathrm{ab}(1-\frac{b^2}{a^2})\frac{\mathrm{\ζ}}{\mathrm{\ξ}+x^2}\frac{\sqrt{q_{\mathrm{\γ}}^2+q_t^2}}{S\·E},$ 则(5)可简写成：

Δλ_B＝KP                           (7)

从(7)式可以看出两光栅间的波长差值的变化量与流体的压强呈线性关系。考虑压强与压力，压强与液位均呈线性关系，因此，同一装置还可方便地用来监测液位或流体压力。

为验证本发明的可行性，见图5所示，将一根长塑料管10竖起，利用三通将它与传感头、压力表9连接在一起。塑料管中注入一定量的待测流体(如：水)，压力表的左端接一阀门11(如：水龙头)，通过排出，调节管中水压。压力表9用来读取液压的大小，并根据压强与液位间的关系，推算液位的高度，实现对传感头读数的定标。

宽带光源(BBS)发出的光波由3dB耦合器进入传感头，两光栅布喇格波长的光波将沿原路返回，并由耦合器12分光至波长鉴辨仪器，如：光谱仪(OSA)、波长计或解调器，这里选用OSA。包含待测信息的两光栅间的波长差的变化，由光谱仪观测。

环境温度为21℃，水从上方注入，压力表从零开始，每隔0.005Mpa，记录一次波长差，当压力表达到0.055Mpa时，停止注水，此时水高为5.5m。借助放水阀一点点的放水，每隔0.005Mpa再记录一次波长差，直到压力读数又变为0Mpa为止。

不同温度下，重复上述实验，共做五次，结果见图6所示。可见，该传感器的重复性、迟滞性、线性都非常理想，传感结果受环境温度影响也可忽略不计。线性拟合度均值为0.9996，接近1。五次实验的传感灵敏度分别为：76.421nm/Mpa；76.747nm/Mpa；76.677nm/Mpa；77.035nm/Mpa；76.642nm/Mpa。

通过式(7)获得传感装置灵敏度的理论为81.687nm/Mpa，较高于实验结果，主要源于与材料相关的参数赋值的偏差、光纤的粘贴质量、忽略拉伸过程中出现的微小角位移以及压力表读数误差等因素。

Claims (9)

1.高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：包括有一端密封另一端连接在进压口上的弹簧管，所述弹簧管内腔与进压口连通，所述进压口上设置有一个固定端面，弹簧管的密封端为自由端，所述自由端是通过封头密封的，所述封头上设置有另一个固定端面，所述两个固定端面呈共面关系，将写有光纤布拉格光栅FBG的光纤的两端分别固定于所述两固定端面上，两端面之间的光纤呈紧绷状态。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：采取双光栅结构，所述两固定端面之间的光栅为传感光栅，还包括有与传感光栅级联并免受拉力作用的补偿光栅，待测量转换为纤轴的拉力作用于所述传感光栅上，所述补偿光栅与传感光栅处于同一温度场中，补偿光栅对传感光栅进行温度补偿。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：所述固定端面上分别开有直槽，两固定端面的直槽共线，写有传感光栅的光纤的两端分别固定于两直槽之中。

4.根据权利要求3所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：所述光纤通过胶粘剂粘贴、埋置或者焊接的方法固定于所述直槽中。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：所述进压口外壁带有螺纹，或者带有卡扣装置。

6.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：弹簧管采用锡磷青铜或不锈钢等管材，其形状呈“C”形或能对传感光栅提供轴向应变的其它形状，所述能对传感光栅提供轴向应变的其它形状可为：螺旋型、螺线型、S型；弹簧管截面为椭圆环，也可以是平椭圆环、D形环、双零形环、8字形环、厚壁平椭圆环。

7.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：所述进压口上设置的固定端面与进压口焊接为一体，封头上设置的固定端面与封头焊接为一体。

8.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：所述进压口还连接有与其一体的扩展架，进压口与扩展架的材质均选用刚性材料，扩展架上设有螺丝槽，以安装传感器的外壳。

9.根据权利要求1所述的高灵敏度光纤光栅液位/流体压力传感器，其特征在于：还包括有固定于所述扩展架上的金属圆筒状外壳，所述外壳带有玻璃盖，外壳上开有孔，孔中安装有小D型适配器，所述外壳罩在整个传感器外，所述补偿光栅借助活动连接器并通过小D型适配器与光源和解调装置连接。

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