CN103674178B - 一种缠绕式光纤液位传感器及液位确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缠绕式光纤液位传感器及液位确定方法，包括光源（1）、传输光纤（21‑27）、等比分光器（3）、圆柱形结构体（4）、缠绕并固定在圆柱形结构体（4）上端的上端标定光纤（7）、缠绕并固定在圆柱形结构体（4）中部的测量光纤（5）、缠绕并固定在圆柱形结构体（4）下端的下端标定光纤（6）以及光强探测设备（8）；在上端标定光纤（7）、测量光纤（5）和下端标定光纤（6）上分别形成泄光条；上端标定光纤（7）和下端标定光纤（6）的缠绕圈数和加工特征完全相同，测量光纤（5）的加工特征与所述标定光纤相同；两个标定光纤泄光条的加工特征与测量光纤（5）的泄光条相同。本发明具有很高的测量精度并具有自标定功能。

Description

一种缠绕式光纤液位传感器及液位确定方法

技术领域

本发明属于光纤传感领域，具体涉及一种缠绕式光纤液位传感器及液位确定方法。

背景技术

液位测量是经济生产活动中的重要测量参数之一。目前的液位测量方法多达20余种，但是受到防爆要求的限制，电类原理的液位传感器存在着安全隐患。光纤液位传感器作为后起之秀，借助光纤体积小、重量轻、本质绝缘、抗电磁干扰等优点，在易燃易爆液体液位测量领域得到广泛的应用。目前得到的广泛研究及应用的光纤液位传感器主要有三类，一类是基于浮子码盘式的液位传感器，通过跟随液位浮动的浮子带动码盘转动，进而将液位变化调制成光强的变化信号，通过对光强的转换、识别、计数就可以得到液位的变化量。此类方法能够将连续的液位变化信号转换成数字信号，具有很好的抗干扰性能，但是此类方法只适合固定储罐的液位测量，运动储液罐自身加速度会对测量产生严重影响。另一类是基于测量液体压力的液位测量方法，利用光纤微弯损耗、光纤布拉格光栅或者光纤F_P腔来测量液压，进而转换成相应的液面高度。此类方法是真正意义上的连续测量，但是此类传感器也容易受到液面倾斜波动、储液罐自身加速度以及液体温度的影响。最后一类是基于光纤泄露耦合液位传感器，通过在光纤侧面或者光纤端头进行处理，使其在不同折射率的介质中发生程度不同的光泄露传播，进而实现通过检测泄露光强或者耦合后的光强来表征液位变化的目的。此类方法针对于不同的测量液体或者不同浓度的同种液体需要重新标定，而且大多数的输出结果都存在非线性。目前在航空航天等领域迫切需测量精度高，不受液面倾斜、波动、储液罐自身加速度以及液体浓度温度影响的液位传感器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有自标定功能的缠绕式光纤液位传感器及液位确定方法，具有很高的测量精度，不受储液罐自身加速度温度影响，通过自标定功能，消除了测液体温度浓度变化对测量的影响，适合航天航空领域燃料液位的测量。

本发明包括如下技术方案：

一种缠绕式光纤液位传感器，包括光源、传输光纤、等比分光器、圆柱形结构体、缠绕并固定在圆柱形结构体上端的上端标定光纤、缠绕并固定在圆柱形结构体中部的测量光纤、缠绕并固定在圆柱形结构体下端的下端标定光纤、以及光强探测设备；在上端标定光纤、测量光纤和下端标定光纤上分别形成泄光条，光源通过传输光纤与等比分光器的输入端相连；通过等比分光器的三个输出端输出路等光强的光信号，等比分光器的三个输出端分别通过传输光纤与上端标定光纤、测量光纤和下端标定光纤的输入端相连；上端标定光纤、测量光纤和下端标定光纤的输出端通过传输光纤分别与光强探测设备相连；上端标定光纤和下端标定光纤的缠绕圈数和加工特征完全相同，测量光纤的加工特征与所述标定光纤相同；两个标定光纤泄光条的加工特征与测量光纤的泄光条相同；上端标定光纤始终处在空气中，下端标定光纤始终处于待测介质中；通过光强探测设备对上端标定光纤、测量光纤和下端标定光纤的输出光的光强进行探测并计算液位。

圆柱形结构体的直径大于40mm。

圆柱形结构体的材料的热膨胀系数与缠绕光纤热膨胀系数相近。

上端标定光纤、测量光纤和下端标定光纤上的泄光条分别为多条斜光条。

多条泄光条在圆柱形结构体的圆周方向等间距分布。

利用上述缠绕式光纤液位传感器确定液位的方法，包括如下步骤：

将圆柱形结构体放置于待测介质中，使得上端标定光纤始终处在空气中，下端标定光纤始终处于待测介质中；

通过光强探测设备获得上端标定光纤的光强输出I₁，下端标定光纤的光强输出I₂，测量光纤的光强输出I_c；

通过如下公式计算液位H：H=（φ+h）×(I_C1-I_c)×n/(I₁-I₂)；其中n为标定光纤的圈数，I_C1测量光纤的初始光强，φ为光纤的直径，h为测量光纤的缠绕间距。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明将上端标定光纤、测量光纤和下端标定光纤缠绕并固定在圆柱形结构体上，并在三个光纤上形成泄光条；使得本发明的自标定缠绕式光纤液位传感器价格低廉、无移动件、本质防爆、抗电磁干扰，同时具有很高的测量精度，理论测量精度达到微米级，测量范围和分辨率可以根据需求进行方便的调整。并且本传感器具有自标定功能，可以实现免标定更换测量介质。

附图说明

图1为本发明的缠绕式光纤液位传感器。

具体实施方式

下面就结合附图对本发明做进一步介绍。

如图1所示，本发明的具有自标定功能的缠绕式光纤液位传感器，包括光源1、传输光纤21-27、等比分光器3、圆柱形结构体4、缠绕并固定在圆柱形结构体4上端的上端标定光纤7、缠绕并固定在圆柱形结构体4中部的测量光纤5、缠绕并固定在圆柱形结构体4下端的下端标定光纤6、以及光强探测设备8；在上端标定光纤7、测量光纤5和下端标定光纤6上沿着圆柱形结构体4的轴向方向分别形成泄光条，光源1通过传输光纤21与等比分光器3的输入端相连；通过等比分光器3的三个输出端输出3路等光强的光信号，等比分光器3的三个输出端分别通过传输光纤27、26、22与上端标定光纤7、测量光纤5和下端标定光纤6的输入端相连；上端标定光纤7、测量光纤5和下端标定光纤6的输出端分别通过传输光纤25、23、24与光强探测设备8相连；上端标定光纤7和下端标定光纤6的缠绕圈数和加工特征完全相同，测量光纤5的加工特征与所述标定光纤相同；上端标定光纤7始终处在空气中，下端标定光纤6始终处于待测介质中；两个标定光纤泄光条的加工特征与测量光纤5的泄光条相同；通过光强探测设备8对上端标定光纤7、测量光纤5和下端标定光纤6的输出光的光强进行探测并计算液位。

本发明的上端标定光纤7、测量光纤5和下端标定光纤6均匀的缠绕在圆柱形结构体4上，并利用粘接的方法把光纤固定在圆柱形结构体4表面。所述泄光条是指沿轴向方向特定线宽内去除光纤的涂覆层，然后对光纤包层进行处理，增强光纤在特定折射率介质中的光泄露敏感性。

两个标定光纤泄光条的加工特征与测量光纤相同，保证其单圈的泄光量与测量光纤单圈的泄光量相同。将两端标定光纤接入相同光强的光，那么两段标定光纤输出的光强差再除以标定光纤的圈数就可以得到测量光纤中最小分辨液位所引起的光强变化。从而可以使传感器在测量不同液体或者不同浓度的同种液体时能够实现免标定。

所述泄光条的加工方法为：首先去除涂覆层，去除涂覆层可以利用二氧化碳激光器进行加工，其次去除部分包层，对于石英光纤其包层可以利用氢氟酸进行腐蚀。

本发明可以通过改变光纤缠绕的间距来改变液位传感器的分辨率，理论上最高测量分辨率可以达到光纤的直径（单模光纤典型直径125μm），所以本发明可以实现高精度的液位测量。另外，也可以通过加工多条泄光条的方法来提高单圈泄光的强度，从而提高测量的灵敏度和测量分辨率。

优选的圆柱形结构体4的直径大于40mm，半径过小会造成光纤发生断裂。

圆柱形结构体4的材料具有较小的热膨胀系数或者热膨胀系数与缠绕光纤热膨胀系数相近，避免温度剧烈变化导致缠绕光纤被破坏。

泄光条的加工应该在圆柱形结构体圆周方向等分加工，这样可以使泄光点在圆柱形结构体的轴向方向均匀分布，保证光强变化与液位的变化成正比。

利用上述自标定功能的缠绕式光纤液位传感器确定液位的方法如下：将传感器置于待测介质中，上端的标定光纤始终处在空气中，下端的标定光纤始终处于待测介质中，两段光纤对于等强度的光强输入产生的输出光强差再除以标定光纤圈数就得到液体没过一圈测量光纤引起的光强损耗。随着液位的升高，待测液体逐圈没过缠绕光纤，每没过一圈光纤，都会有相同光强的光被泄露掉，通过光强探测设备对剩余光强进行探测，并与标定光纤得到的单圈光强损耗进行比较，就能计算出液位的高度。计算方法如下：

假设缠绕光纤两圈之间的距离为h，光纤的直径为φ，加工的泄光条数量为m，那么传感器的最小的分辨率为(h+φ)/m。当光源的输出光强为I₀，上端标定光纤的光强输出为I₁，下端标定光纤的光强输出为I₂，标定光纤的圈数为n，测量光纤的初始光强为I_C1。

则待测介质引起的单圈光强损耗i=(I₁-I₂)/n。

当测量光纤的光强输出为I_c时，则液位的高度为：

H=(h+φ)×(I_C1-I_c)/i=(h+φ)×(I_C1-I_c)×n/(I₁-I₂)

由上式可以看出，液位的高度与测量光纤的光强变化成正比。

本发明的具有自标定功能的缠绕式光纤液位传感器价格低廉、无移动件、本质防爆、抗电磁干扰，同时具有很高的测量精度，理论测量精度达到微米级，测量范围和分辨率可以根据需求进行方便的调整。并且本传感器具有自标定功能，可以实现免标定更换测量介质。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种缠绕式光纤液位传感器，其特征在于，包括光源(1)、传输光纤(21-27)、等比分光器(3)、圆柱形结构体(4)、缠绕并固定在圆柱形结构体(4)上端的上端标定光纤(7)、缠绕并固定在圆柱形结构体(4)中部的测量光纤(5)、缠绕并固定在圆柱形结构体(4)下端的下端标定光纤(6)、以及光强探测设备(8)；在上端标定光纤(7)、测量光纤(5)和下端标定光纤(6)上分别形成泄光条，光源(1)通过传输光纤与等比分光器(3)的输入端相连；通过等比分光器的三个输出端输出三路等光强的光信号，等比分光器(3)的三个输出端分别通过传输光纤与上端标定光纤(7)、测量光纤(5)和下端标定光纤(6)的输入端相连；上端标定光纤(7)、测量光纤(5)和下端标定光纤(6)的输出端通过传输光纤分别与光强探测设备(8)相连；上端标定光纤(7)和下端标定光纤(6)的缠绕圈数和加工特征完全相同，测量光纤(5)的加工特征与所述标定光纤相同；两个标定光纤泄光条的加工特征与测量光纤(5)的泄光条相同；上端标定光纤(7)始终处在空气中，下端标定光纤(6)始终处于待测介质中；通过光强探测设备(8)对上端标定光纤(7)、测量光纤(5)和下端标定光纤(6)的输出光的光强进行探测并计算液位；

液位计算公式为：H＝(φ+h)×(I_C1-I_c)×n/(I₁-I₂)；其中H为液位，n为标定光纤的圈数，I_C1为测量光纤的初始光强，φ为光纤的直径，h为测量光纤的缠绕间距；I₁为上端标定光纤的光强输出，I₂下端标定光纤的光强输出，I_c为测量光纤的光强输出；

所述光纤为石英光纤，所述泄光条的加工方法为：首先去除涂覆层，去除涂覆层利用二氧化碳激光器进行加工，其次去除部分包层，对于石英光纤其包层利用氢氟酸进行腐蚀。

2.如权利要求1所述的缠绕式光纤液位传感器，其特征在于：圆柱形结构体(4)的直径大于40mm。

3.如权利要求1所述的缠绕式光纤液位传感器，其特征在于：圆柱形结构体(4)的材料的热膨胀系数与缠绕光纤热膨胀系数相近。

4.如权利要求1所述的缠绕式光纤液位传感器，其特征在于：上端标定光纤(7)、测量光纤(5)和下端标定光纤(6)上的泄光条分别为多条泄光条。

5.如权利要求1所述的缠绕式光纤液位传感器，其特征在于：多条泄光条在圆柱形结构体(4)的圆周方向等间距分布。