CN102865900B

CN102865900B - 光纤光栅液位传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN102865900B
Application number: CN201210341579.9A
Authority: CN
Inventors: 童杏林; 冷卓燕; 胡巍; 石锐; 陈磊
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2032-09-14
Also published as: CN102865900A

Abstract

一种光纤光栅液位传感器及其制备方法。该传感器包括金属基座，感压膜片，两个毛细金属管，刻有两个不同波长的光纤光栅的光纤，销钉及尾纤套管；光纤穿入两个毛细金属管中，光纤光栅处于第1毛细金属管中，传感光纤光栅处于两毛细金属管之间，形成结构单元；感压膜片固定于金属基座上之间形成气体腔；上述结构单元位于气体腔中，第1毛细金属管固定于感压膜片中心位置，且光纤与感压膜片所在平面垂直，第2毛细金属管伸出金属基座底并由销钉定位，尾纤套管固定在金属基座下端与大气相通。毛细金属管为钛管，金属基座为不锈钢。该传感器能用于易燃易爆强腐蚀的液体并具有动态范围大、精度5‰FS、线性度99.7%、抗电磁干扰及易于复用等优点。

Description

光纤光栅液位传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种光纤光栅液位传感器及其制备方法，属于传感技术领域。

背景技术

液位测量广泛应用于工程生产的各个领域。液位传感器是用来检测液体高度信息的装置，在工程生产中作用至关重要。目前的液位传感器有很多类：

1机械浮子类液位计：机械浮子类液位计是利用传动装置把与液位同高度的信息转换成脉冲信号或连续信号，转换器是一些机械舌簧，磁铁，电子或光电设备。

2电子类液位传感器：电子类液位传感器测量原理是把液位的变化转变为电气参数的变化，利用测量电路将电参数检测出来，从而达到测量液位的目的。

3液压类液位传感器：将被测液位值转换成压力值，利用被测压力与液体的相对密度乘落差之积成正比的原理测量液位。

4光纤光栅液位传感器：基于光纤布拉格光栅测量液位的原理，一般是利用浸入液体中的光栅栅区布拉格波长漂移实现监测。

上述前三种类型的液位传感器的主要不足之处是动态范围小，精度不高，而且不能用作易燃易爆强腐蚀液体的液位传感器。

光纤光栅是一种新兴的传感元件，它具有许多独特的优点，如抗电磁干扰，抗腐蚀，本征防爆，体积小，可实现多点分布式测量，可以克服传统液位传感器对于液位测量的不足之处，使得它成为目前有着良好发展前景和代表性的光纤无源器件之一。

中国专利（专利号200320017647.x）“光纤光栅液位传感器”描述了三种技术方案，其工作原理是液体压力的变化引起隔离膜片形变，通过导压介质使得片状弹性元件形变，从而使得光纤光栅发生相应的形变，导致光纤光栅受拉或者受压，通过监测光纤光栅的反射波长来获知液位的变化。其中给出了7个实施例的结构简图，其中提出的温度补偿方案，但并没有真正地消除温度和应变对光纤光栅传感器交叉敏感的问题。其不足之处在于：只考虑到光纤光栅自身的温度补偿，而忽略了传感器金属结构本身的热形变产生的应力而造成传感光栅的测量精度不高的影响。由于不同的材料具有不同的热膨胀系数，而光纤光栅粘贴或者固定在金属构件上，金属膨胀造成的热形变不可避免的使传感光栅产生一定的应变，该应变与处于自然状态下不受应力作用的光栅本身在热作用下产生的波长漂移不相同，因此，无法完全消除温度对光栅的影响，从而降低了传感器的线性度和测量精度。

发明内容

本发明的目的是为了进一步解决现有光纤光栅液位传感器动态范围小、线性度差、精度低及交叉敏感的技术问题，提供一种光纤光栅液位传感器及其制备方法。该传感器动态范围大、精度高、线性度良好、易于复用、能抗电磁干扰且可用于易燃易爆强腐蚀液体，该传感器为光纤布喇格光栅液位传感器。

为了解决上述问题，本发明采用下述技术方案：

一种光纤光栅液位传感器，它包括金属基座，感压膜片，第1毛细金属管,第2毛细金属管，刻有两个不同波长的光纤光栅的一段光纤，销钉及尾纤套管；所述的光纤穿入第1毛细金属管和第2毛细金属管中，所述的光纤光栅处于第1毛细金属管中，所述的传感光纤光栅处于第1毛细金属管和第2毛细金属管之间，形成结构单元；所述的感压膜片为圆盘形，金属基座为梯级圆筒状，其金属基座小径端有底，金属基座大径端与感压膜片周边突出部位螺纹连接，金属基座与弹性膜片间形成一个气体腔；上述结构单元位于气体腔中，第1毛细金属管固定于感压膜片的中心位置，且光纤与感压膜片所在平面垂直，第2毛细金属管伸出金属基座小径端底，并由所述的销钉从金属基座侧边顶住定位，所述的尾纤套管固定在金属基座小径端与大气相通。

本发明的光纤光栅液位传感器中，第1毛细金属管粘接或者焊接固定于感压膜片的中心位置。

本发明的光纤光栅液位传感器中，其第1毛细金属管和第2毛细金属管均为钛材料管。所述的金属基座材质为不锈钢。

本发明除了具有普通的光纤光栅液位传感器通过温度补偿光栅来消除温度波动对传感器测量精度影响的优点外，最主要的特点是通过钛材料第1毛细金属管和第2毛细金属管与不锈钢金属基座之间的结构与材质的合理配置，来消除因传感器结构本身的热形变产生的应力而造成传感光纤光栅的测量误差，因此，比普通的光纤光栅液位传感器具有更高的可靠性、测量精度和线性度。

根据本发明的传感器的结构（见图1、图2），以感压膜片8为基准面，当外界温度升高时，对传感器的结构进行分析：其金属基座9由于温度上升向尾纤套管13的方向膨胀，假设金属基座9的长度为L₀，膨胀系数为α₀，第1毛细金属管2和第2毛细金属管5的长度分别为L₁，L₂，膨胀系数为α₁，那么如果温度上升ΔT时，金属基座9本身在光纤1轴线方向会产生长度为L₀×α₀×ΔT的膨胀，对传感光纤光栅4产生一个拉应变；与此同时，被固定在金属基座9上的第1毛细金属管2和第2毛细金属管5也会产生沿光纤1轴线方向长度为(L₁+L₂)×α₁×ΔT的膨胀，其结果会在光纤1轴线方向上产生一个压应变。当金属基座9对传感光纤光栅4产生的拉应变与第1金属毛细金属管2和第2金属毛细金属管5对传感光纤光栅4产生的压应变相等时，即可消除因温度波动引起传感光纤光栅4产生的波长漂移。为了实现上述目的，必须通过材质的选择和结构的合理设计使如下公式成立:

L₀×α₀×ΔT=(L₁+L₂)×α₁×ΔT，即：L₀×α₀=(L₁+L₂)×α₁。

这样刚好可以消除因传感器本身结构对测量精度的影响。而传感光纤光栅4本身受温度的影响通过温度补偿光纤光栅3来加以消除。

由于采用上述技术方案，本发明解决了现有光纤光栅液位传感器动态范围小、线性度差、精度低及交叉敏感等问题，不但实现了光栅自身的温度补偿，而且可以消除因传感器本身结构对测量精度的影响，从而大大地提高了光纤光栅液位传感器的动态范围、测量精度和线性度,精度可达5‰FS，线性度为99.7%。

本发明具有以下优点：

（1）本发明工作频带宽、动态范围大；

（2）本发明通过传感器结构和金属材料的合理配置，来消除因传感器本身结构对测量精度的影响，实现了传感器结构的温度自补偿，从而大大地提高了传感器的可靠性、测量精度和线性度；

（3）本发明体积小、质量轻、安装简单、安全性能好；

（4）本发明适合于易燃、易爆、强腐蚀液体及强电磁干扰等恶劣环境下使用。

附图说明

图1：光纤光栅和毛细金属管封装的结构示意图。

图2：本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述：

本发明的一种光纤光栅液位传感器的制备方法步骤为：

1）、如图1所示，将刻有光纤光栅3和传感光纤光栅4的光纤1穿入在第1毛细金属管2和第2毛细金属管5中，光纤光栅3处于第1毛细金属管2中，传感光纤光栅4处于第1毛细金属管2和第2毛细金属管5之间，封装，在第1毛细金属管2的指定端6,和第2毛细金属管5的指定端7用胶把光纤1固定，形成如图1所示结构单元；

2）、再对封装好的结构单元进行老化；老化的具体工艺：将封装好的结构单元放入高低温试验箱中，将高低温试验箱温度调至100℃运行45分钟，取出封装好的结构单元并等待其冷却；再次将封装好的结构单元放入温度调至100℃的高低温试验箱中45分钟，再次取出封装好的结构单元并等待其冷却；依次循环8次，从而完成老化过程；

3）、如图2所示，将老化后图1所示结构单元穿入金属基座9，把老化后图1所示结构单元的第1毛细金属管2粘接或者焊接到感压膜片8的中心位置11且保证光纤1与感压膜片8所在平面垂直，感压膜片8为圆盘形，金属基座9为梯级圆筒状，感压膜片8的周边突出部位有外螺纹，金属基座9大径端有内螺纹，金属基座9通过螺纹与感压膜片8连接，金属基座9与弹性膜片8间形成一个气体腔14；老化后图1所示结构单元位于气体腔14中，使第1毛细金属管2与第2毛细金属管5之间的传感光纤光栅4处于预应力状态，第2毛细金属管5通过稍钉10固定在金属基座9上，金属基座9上有一个跟稍钉10匹配的凹槽穿孔15，金属基座9和稍钉10之间置有密封圈12，尾纤套管13固定到金属基座9上用来保护光纤1和第2毛细金属管5并起密封作用，由于尾纤套管13另一端与大气相通，可以用来导气。

将所述的传感器置于被测液体中，当液位发生变化时，外界有压力作用在感压膜片8上，感压膜片8会发生微小的变形，形变通过与感压膜片8连接的第1毛细金属管2传递到传感光纤光栅4上，从而传感光纤光栅4的波长发生变化，以此达到测量液位的目的，而处于第1毛细金属管2中的光纤光栅3处于自然状态，用于测温的同时并对传感光纤光栅4进行温度补偿。然后，通过第1毛细金属管2和第2毛细金属管5与金属基座9之间的结构与金属材质的合理配置，来消除因传感器结构本身的热形变产生的应力而造成传感光纤光栅4的测量误差，使得本发明所述的光纤光栅液位传感器具有更高的可靠性、测量精度及线性度。

Claims

1.一种光纤光栅液位传感器，其特征在于：它包括金属基座（9)，感压膜片(8)，第1毛细金属管（2）,第2毛细金属管（5），刻有光纤光栅（3）和传感光纤光栅（4）的光纤(1)，销钉（10）及尾纤套管（13）；光纤（1）穿入第1毛细金属管（2）和第2毛细金属管（5）中，光纤光栅（3）处于第1毛细金属管（2）中，传感光纤光栅（4）处于第1毛细金属管（2）和第2毛细金属管（5）之间，分别在第1毛细金属管（2）靠近传感光纤光栅（4）的第一指定端（6）和第2毛细金属管（5）靠近传感光纤光栅（4）的第二指定端（7）用胶把光纤（1）固定，形成结构单元；光纤光栅（3）和传感光纤光栅（4）具有不同波长；感压膜片（8）为圆盘形，金属基座（9）为梯级圆筒状，其金属基座小径端有底，金属基座大径端与感压膜片（8）周边突出部位螺纹连接，金属基座（9）与弹性膜片（8）间形成一个气体腔（14）；上述结构单元位于气体腔（14）中，第1毛细金属管（2）固定于感压膜片（8）的中心位置（11），且光纤（1）与感压膜片（8）所在平面垂直，第2毛细金属管（5）伸出金属基座（9）小径端底，并由销钉（10）从金属基座（9）侧边顶住定位，尾纤套管（13）固定在金属基座（9）小径端与大气相通。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：第1毛细金属管（2）粘接或者焊接固定于感压膜片（8）的中心位置（11）。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：第1毛细金属管（2）和第2毛细金属管（5）均为钛材料管。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：金属基座（9)材质为不锈钢。

5.权利要求1所述的一种光纤光栅液位传感器的制备方法，其特征在于方法步骤为：

1）、将刻有光纤光栅（3）和传感光纤光栅（4）的光纤(1)穿入在第1毛细金属管（2）和第2毛细金属管（5）中，光纤光栅（3）处于第1毛细金属管（2）中，传感光纤光栅（4）处于第1毛细金属管（2）和第2毛细金属管（5）之间，封装，分别在第1毛细金属管（2）靠近传感光纤光栅（4）的第一指定端（6）和第2毛细金属管（5）靠近传感光纤光栅（4）的第二指定端（7）用胶把光纤（1）固定，形成结构单元；

2）、再对封装好的结构单元进行老化；

3）、将老化后结构单元穿入金属基座（9），把第1毛细金属管（2）粘接或者焊接到感压膜片（8）的中心位置（11）且保证光纤（1）与感压膜片（8）所在平面垂直，将感压膜片（8）与金属基座（9）通过螺纹连接，于是在金属基座（9）与感压膜片（8）间形成一个气体腔（14），老化后结构单元位于气体腔（14）中，使第1毛细金属管（2）和第2毛细金属管（5）之间的传感光纤光栅（4）处于预应力状态，第2毛细金属管（5）通过稍钉（10）固定在金属基座（9）上，尾纤套管（13）固定到金属基座（9）上用来保护光纤（1）和第2毛细金属管（5）即成。

6.如权利要求5所述的一种光纤光栅液位传感器的制备方法，其特征在于所述的老化的具体工艺：将封装好的结构单元放入高低温试验箱中，将高低温试验箱温度调至100℃运行45分钟，取出封装好的结构单元并等待其冷却；再次将封装好的结构单元放入温度调至100℃的高低温试验箱中45分钟，再次取出封装好的结构单元并等待其冷却；依次循环8次，从而完成老化过程。