CN104316137B - 一种光纤液位传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤液位传感器及其测量方法，包括弹性圆片、带螺纹的圆筒、入射光纤和接收光纤；其中弹性圆片粘贴在圆筒底部，入射光纤和接收光纤沿直径方向对称地粘贴在弹性圆片上，入射光纤和接收光纤之间设置有间隙。本发明的有益效果：可以将液体的密度变化和其加速度对液位测量的影响因素消除掉，得到较为准确的液位信息。此传感器实现了非接触式测量液位信息，不受被测液体性质所限制，避免了由于电测量会发生电火花而产生爆炸等危险的可能，具有防爆性，同时传感部分易于安装，价格便宜，避免了光纤传感器的传感部分受到液体的污染，在一定程度上保证了传感器在测量的过程中的稳定性，电磁抗干扰性能好。

Description

一种光纤液位传感器及其测量方法

技术领域：

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种光纤液位传感器及其测量方法。

背景技术：

目前对于光纤液位传感器的研究主要有光纤微弯液位传感器、光纤F‐P腔液位传感器、光纤光栅液位传感器等。光纤微弯传感器需要设计动齿和静齿，在受到压力时弹性膜片带动动齿向静齿方向移动，使光纤发生微弯弯曲，它的优点是测量精度较高，缺点是变形齿制作较困难；光纤F‐P腔液位传感器根据F‐P腔干涉仪原理设计而成，F‐P腔通常由弹性膜片与光纤端面构成，它的优点是结构简单，但是需要考虑温度、光源光强变化对测量精度的影响；光纤光栅液位传感器是通过液体压强对光栅中心波长的调制来获取压强信息，它的优点是测量精度高、易于组成分布式测量系统它的缺点是波长解调设备昂贵、需要解决去敏等问题。此外还有浮子遮光式光纤液位传感器、反射式光纤液位传感器、压力式光纤液位传感器。

发明内容：

本发明为了弥补现有技术的不足，通过弹性圆片受到压力后会产生变形，导致光纤之间夹角发生变化，从而使光纤接收到的光强信号发生改变，已达到最终实现了通过测量光强信号的改变来判断此时作用在弹性圆片上的压力的目的。

本发明包括弹性圆片、带螺纹的圆筒、入射光纤和接收光纤；其中弹性圆片粘贴在圆筒底部，入射光纤和接收光纤沿直径方向对称地粘贴在弹性圆片上，入射光纤和接收光纤之间设置有间隙。

所述的入射光纤和接收光纤分别为一组或两组。

所述的入射光纤和接收光纤为两组时，两组入射光纤和接收光纤之间均成垂直安装。

一种采用光纤液位传感器获取液体压强p的测量方法，包括如下步骤：

步骤1：打磨并抛光入射光纤和接收光纤

将两段相同的光纤进行打磨和抛光，形成入射光纤和接收光纤，使两端光纤端面保持平整和整洁，避免由杂质造成的光强信号的损耗；

步骤2：将入射光纤和接收光纤沿着直径方向对称地粘贴在弹性圆片上，设定入射光纤和接收光纤之间的间隙为d，并且弹性圆片粘贴在带螺纹的圆筒底部；

步骤3：将带螺纹的圆筒安装到待测量的容器上，则光纤一端可以避免与液体的接触，实现非接触式测量；

步骤4：设定入射光纤发出的光通量为I₀，在弹性圆片未收到压力时，接收光纤收到的光通量为I₀，通过对I₀的测量得到对应的液位信息；入射光纤和接收光纤两段光纤端面之间的夹角为θ，接收光纤所接收到的光通量I，其中：I₀和I均通过光电转换器件转换为电压量，可由电压表直接测量得到，

则I＝I₀cosθ (1)

入射光纤和接收光纤之间的夹角

步骤5：对弹性圆片进行建模，获得出入射光纤和接收光纤两段光纤之间的夹角为θ，具体方法如下：

其中，d为入射光纤和接收光纤之间的间隙，y为弹性圆片的形变量，R为弹性圆片的半径；

步骤6：建立数学模型，获得弹性圆片的形变量y与液体压强p的关系，具体方法如下：

y＝[3p(1-u²)R⁴]/(16Ew³) (4)

其中p为液体压强；w为圆片的厚度；R为弹性圆片的半径；u是圆片材料的泊松比；E是圆片材料的弹性模量；

步骤7：获取液位信息：

通过公示(3)和(4)得出

式中

步骤8：获取液体压强p

联立公式(2)和(5)可以得到液体压强p。

采用光纤液位传感器的对液位进行高精度测量方法，包括如下步骤：

步骤1、选用n个光纤液位传感器组成液位测量系统，其中n≥5，相邻光纤液位传感器之间的距离为H，H为固定值，将光纤液位传感器带有螺纹的圆筒安装到被测液体容器上；

步骤2、当此时的液面可能在第n个和第n+1个传感器之间，根据液体密度的分布规律，可以认为此时第n个光纤液位传感器、第n+1个光纤液位传感器和第n‐1个光纤液位传感器间的液体密度是相同的，设第n‐1个光纤液位传感器到液面之间的液体密度为ρ_n-(n-1)，此时第n个光纤液位传感器到液面的距离为h'，垂直方向加速度为a，液面高度为h，相邻光纤液位传感器之间的距离为H，重力加速度为g，则有：

第n个光纤液位传感器的压强为：

P_n＝ρ_n-(n-1)(g+a)h' (6)

第n‐1个光纤液位传感器的压强为：

P_n-1＝ρ_n-(n-1)(g+a)(h'+H) (7)

根据(6)(7)式可以得到如下结果：

其中：P_n和P_n-1通过所述的采用光纤液位传感器获取液体压强p的测量方法获得；

具体方法如下：

步骤1)：打磨并抛光入射光纤和接收光纤

将两段相同的光纤进行打磨和抛光，形成入射光纤和接收光纤，使两端光纤端面保持平整和整洁，避免由杂质造成的光强信号的损耗；

步骤2)：将入射光纤和接收光纤沿着直径方向对称地粘贴在弹性圆片上，设定入射光纤和接收光纤之间的间隙为d，并且弹性圆片粘贴在带螺纹的圆筒底部；

步骤3)：将带螺纹的圆筒安装到待测量的容器上，则光纤一端可以避免与液体的接触，实现非接触式测量；

步骤4)：设定接收光纤接收到的光通液位为I₀，其中，通过I₀通过测量得到对应的液位信息；入射光纤和接收光纤两段光纤之间的夹角为θ，接收光纤所接收到的光通量I，I通过电表可以直接测量得到，

则I＝I₀cosθ (1)

入射光纤和接收光纤端面之间的夹角

步骤5)：对弹性圆片进行建模，获得出入射光纤和接收光纤两段光纤之间的夹角为θ，具体方法如下：

其中，d为入射光纤和接收光纤之间的间隙，y为弹性圆片的形变量，R为弹性圆片的半径；

步骤6)：建立数学模型，获得弹性圆片的形变量y与液体压强p的关系，具体方法如下：

y＝[3p(1-u²)R⁴]/(16Ew³) (4)

其中p为液体压强；w为圆片的厚度；R为弹性圆片的半径；u是圆片材料的泊松比；E是圆片材料的弹性模量；

步骤7)：获取液位信息：

通过公示(3)和(4)得出

式中

步骤8)：获取液体压强p

联立公式(2)和(5)可以得到液体压强p；

步骤3、所以得到此时的液面高度应为：

通过上面光纤液位传感器阵列的测量方法，可以将液体的密度变化和其加速度对液位测量的影响因素消除掉，得到准确的液位信息。

本发明的有益效果：通过该光纤液位传感器及其测量方法，可以将液体的密度变化和其加速度对液位测量的影响因素消除掉，得到较为准确的液位信息。此传感器实现了非接触式测量液位信息，不受被测液体性质所限制，避免了由于电测量会发生电火花而产生爆炸等危险的可能，具有防爆性，同时传感部分易于安装，价格便宜，避免了光纤传感器的传感部分受到液体的污染，在一定程度上保证了传感器在测量的过程中的稳定性，电磁抗干扰性能好。

说明书附图：

图1为光纤液位传感器的结构示意图；

图2为光纤液位传感器的结构俯视图；

图3为光纤液位传感器的原理图；

图4为构建弹性圆片的数学模型示意图；

图5为光纤液位传感器安装示意图；

图中：1带螺纹的圆筒、2弹性圆片、3遮光罩、4入射光纤、5接收光纤、6液体容器、7液面、8第一光纤液位传感器、9第二光纤液位传感器、10第三光纤液位传感器、11第四光纤液位传感器。

具体实施方式：

光纤液位传感器的结构如图1所示，它主要由弹性圆片2、带螺纹的圆筒1和两段光纤构成。从图1中可以看出，两段相同的光纤，分别为入射光纤4和接收光纤5对称地粘贴在弹性圆片2的直径上，并且距离为d，弹性圆片2粘贴在带螺纹的圆筒1底部，带螺纹的圆筒1外壁设置有螺纹。如图2所示，当入射光纤和接收光纤分别为两组时，两个入射光纤相互垂直分布，两个接收光纤相互垂直分布，这样可以避免当光纤液位传感器没有水平放置于被测液体中时，入射光纤和接收光纤所处的液体的垂直方向加速度a和液体密度不同，通过两组入射光纤和接收光纤可以求取平均值，减少误差率。

光纤液位传感器主要用来获取液位信息，为了方便光纤传感器的安装，传感器探头的一端是带有螺纹的，当光纤传感器在测量某个容器的液位信息时，可以直接将传感器带有螺纹的一端安装到被测容器上，而另一端可以避免与液体的接触。为了避免外界杂光影响接收光纤中的光强信号的检测，将弹性圆片2带有光纤的一面，使用遮光罩进行遮光处理。

光纤液位传感器的原理

设液体压强为0时接收光纤接收到的光通量为I₀，输出的光通量为I。随着液位升高，压强增加，光纤端面之间的夹角θ也会增加，设对应接收光纤接收到的光通量为I。由于光通量不方便测量，所以将光通量转换为电信号进行测量，光通量是一线性关系转换为电信号，实验可以得到电压与液位高度是余弦关系，根据液体压强公式可以推导出电压与压强呈余弦关系，在后续的测量过程中得到电压值就能够得到其对应的压强值。即光通量之间的关系为：

I＝I₀cosθ (1)

其中：I₀和I I均通过光电转换器件转换为电压量，可由电压表直接测量得到；入射光纤和接收光纤之间的夹角

最后得出接收光纤所接收到的光通量I。为了减少由于传感器的安装所引起的误差，选用了两组入射光纤和接收光纤，十字交叉的方式粘贴在弹性圆片上，最后的结果为两组测量结果的平均值。

最终可以实现，通过对接收光纤5接收到的光通量进行测量可以得到对应的液位信息。

对于同一种液体来说，随着液体的液位高度的不同，弹性圆片2所受到的压强也不同，则导致弹性圆片2的变形量y也会不同。根据弹性圆片2的最小扰度方程，如式(4)，可以得知弹性圆片2的中心形变量y和它所受到的压力p是成线性关系的。

y＝[3p(1-u²)R⁴]/(16Ew³) (4)

式中p为均匀分布的压强；w为圆片的厚度；R为弹性圆片的半径；u是圆片材料的泊松比；E是圆片材料的弹性模量；从公式(4)可以得知压力p与变形量y为线性关系。

从图3中可以得知，当液体高度为零时，弹性圆片2所受到的液体压强为零，此时的弹性圆片2未发生形变(如图3中虚线所示)，即中心形变量y为0，入射光纤4和接收光纤5之间的夹角θ为零，此时接收光纤5所接收到的光通量为I₀。随着液体高度的增加，弹性圆片2的中心形变量y也随之增加，而入射光纤4和接收光纤5之间的夹角θ也随着液体高度的增加而逐渐增大，根据光通量的关系式为I＝I₀cosθ，得知光通量I会逐渐减小，由此可以得到液体压强和光通量之间的关系。

光纤液位传感器的模型构建

为了得到光通量和待测的液位高度之间的关系，需要得到入射光纤4和接收光纤5之间的夹角θ和液体压强之间的关系。为此需对弹性圆片2进行建模，求解出θ。模型如图4所示。

由于弹性圆片2的形变量y很小，可以将弹性圆片2看成是球面的一部分，压力不同时，中心形变量y也会不同，其对应的球的半径也不同。在此模型基础上认为这两段光纤入射光纤4和接收光纤5相当于球面的切线，可知两段光纤入射光纤4和接收光纤5的法线对应的圆心角即为光纤之间的夹角θ。随着压力p的不同，y会不同，其所对应的球的半径L也不同，所以θ也是不同的。因为弹性圆片2的弹性形变y非常小，可以将变形后光纤之间的弧长看作为弹性圆片2变形前的光纤之间的距离d。根据三角形的勾股定理和圆的弧长公式，可以求出θ。如式(3)所示。

由式(3)(4)就可以得出压力p与θ的关系为：

式中

光纤液位传感器系统的设计

在实际液体的测量当中，根据上面所设计的光纤液位传感器可以测量某一点的液位高度，可以得到对应的压强值。但是由于温度的变化而引起的密度变化、液体运动所产生的垂直加速度，都会影响传感器的测量的准确性，为了减小甚至消除这些因素的影响，我们采用多个光纤液位传感器测量的方法。

根据液体密度分布可知，密度从底部到上部密度逐渐减小，未浸没在液体内的传感器所测得的压强是一样的，通过对各个光纤液位传感器测量得到的压强值进行比较，首先可以判断出此时的液面高度的大概位置，最后根据压强比值法来求出液面高度l。

如图5所示，光纤液位传感器系统由多个传感器构成，图中画出的是其中四个传感器，设定为第一光纤液位传感器8、第二光纤液位传感器9、第三光纤液位传感器10、第四光纤液位传感器11。相邻传感器之间的距离为H(固定值)，垂直方向加速度为a，液面高度为h。将光纤传感器带有螺纹的圆筒1的一端安装到被测液体容器6上。由于每个传感器所测量的压强值与液体压强有关，而当容器中没有液体时所受到的压强是相同的，则可以从上至下对相邻传感器的压强值进行比较，一旦相邻两个压强值不相同，则可以知道液面在这两个传感器之间。如图5所示，假设传感器10和传感器11的压强值相同，即P₁₁-P₁₀＝0，可知此时的液面应在传感器10以下，依此类推，若某两个传感器的压强值不相同，则可知此时的液面应在这两个传感器之间。在得到液面的位置后再根据压强差比值法求出准确的h。根据压强差公式可以得到：

H表示相邻传感器之间的距离，H为固定值。

假设通过上面的压强值比较方法得到了此时的液面应该在第n个和第n+1个传感器之间，根据液体密度连续分布的规律，认为传感器n与传感器n+1和传感器n‐1之间的液体密度是相同的，设传感器n‐1到液面之间的液体密度为ρ_n-(n-1)，此时传感器n到液面的距离为h'，则有：

光纤液位传感器n的压强为：

P_n＝ρ_n-(n-1)(g+a)h' (6)

光纤液位传感器n‐1的压强为：

P_n-1＝ρ_n-(n-1)(g+a)(h'+H) (7)

根据(6)(7)式可以得到如下结果：

所以得到此时的液面高度应为：

其中：P_n和P_n-1可以通过所述的采用光纤液位传感器获取液体压强p的测量方法获得；也可以通过普通的电阻或者电容方法测得，但是所述的采用光纤液位传感器获取液体压强p测得的P_n和P_n-1准确度更高。

通过上面的测量方法，可以将液体的密度变化和液体垂直加速度对液位测量的影响因素消除掉，得到较为准确的液位信息。

Claims (5)

1.一种光纤液位传感器，其特征在于:包括弹性圆片、带螺纹的圆筒、入射光纤和接收光纤；其中弹性圆片粘贴在圆筒底部，用于感受液体压强，当弹性圆片受到压力后产生变形，导致光纤之间夹角发生变化，从而使接收光纤接收到的光强信号发生改变，通过对接收光纤接收到的光通量进行测量得到对应的液位信息；入射光纤和接收光纤沿直径方向对称地粘贴在弹性圆片上，入射光纤和接收光纤之间设置有间隙。

2.采用权利要求1所述的光纤液位传感器，其特征在于：所述的入射光纤和接收光纤分别为一组或两组。

3.采用权利要求1所述的光纤液位传感器，其特征在于：所述的入射光纤和接收光纤为两组时，两组入射光纤和接收光纤之间均成垂直安装。

4.采用权利要求1所述的光纤液位传感器获取液体压强p的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：打磨并抛光入射光纤和接收光纤

将两段相同的光纤进行打磨和抛光，形成入射光纤和接收光纤，使两端光纤端面保持平整和整洁，避免由杂质造成的光强信号的损耗；

步骤2：将入射光纤和接收光纤沿着直径方向对称地粘贴在弹性圆片上，设定入射光纤和接收光纤之间的间隙为d，并且弹性圆片粘贴在带螺纹的圆筒底部；

步骤3：将带螺纹的圆筒安装到待测量的容器上，则光纤一端可以避免与液体的接触，实现非接触式测量；

步骤4：设定入射光纤发出的光通量为I₀，在弹性圆片未收到压力时，接收光纤收到的光通量为I₀，通过对I₀的测量得到对应的液位信息；入射光纤和接收光纤两段光纤端面之间的夹角为θ，接收光纤所接收到的光通量I，其中：I₀和I均通过光电转换器件转换为电压量，可由电压表直接测量得到：

则I＝I₀cosθ (1)

入射光纤和接收光纤之间的夹角

步骤5：对弹性圆片进行建模，获得出入射光纤和接收光纤两段光纤之间的夹角为θ，具体方法如下：

其中，d为入射光纤和接收光纤之间的间隙，y为弹性圆片的形变量，R为弹性圆片的半径；

步骤6：建立数学模型，获得弹性圆片的形变量y与液体压强p的关系，具体方法如下：

y＝[3p(1-u²)R⁴]/(16Ew³) (4)

其中p为液体压强；w为圆片的厚度；R为弹性圆片的半径；u是圆片材料的泊松比；E是圆片材料的弹性模量；

步骤7：获取液位信息：

通过公示(3)和(4)得出

式中

步骤8：获取液体压强p

联立公式(2)和(5)可以得到液体压强p。

5.采用权利要求1所述的光纤液位传感器的对液位进行高精度测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、选用n个光纤液位传感器组成液位测量系统，其中n≥5，相邻光纤液位传感器之间的距离为H，H为固定值，将光纤液位传感器带有螺纹的圆筒安装到被测液体容器上；

步骤2、当此时的液面可能在第n个和第n+1个传感器之间，根据液体密度的分布规律，可以认为此时第n个光纤液位传感器、第n+1个光纤液位传感器和第n-1个光纤液位传感器间的液体密度是相同的，设第n-1个光纤液位传感器到液面之间的液体密度为ρ_n-(n-1)，此时第n个光纤液位传感器到液面的距离为h'，垂直方向加速度为a，液面高度为h，相邻光纤液位传感器之间的距离为H，重力加速度为g，则有：

第n个光纤液位传感器的压强为：

P_n＝ρ_n-(n-1)(g+a)h' (6)

第n-1个光纤液位传感器的压强为：

P_n-1＝ρ_n-(n-1)(g+a)(h'+H) (7)

根据(6)(7)式可以得到如下结果：

其中：P_n和P_n-1通过所述的采用光纤液位传感器获取液体压强p的测量方法获得；

具体方法如下：

步骤1)：打磨并抛光入射光纤和接收光纤

将两段相同的光纤进行打磨和抛光，形成入射光纤和接收光纤，使两端光纤端面保持平整和整洁，避免由杂质造成的光强信号的损耗；

步骤2)：将入射光纤和接收光纤沿着直径方向对称地粘贴在弹性圆片上，设定入射光纤和接收光纤之间的间隙为d，并且弹性圆片粘贴在带螺纹的圆筒底部；

步骤3)：将带螺纹的圆筒安装到待测量的容器上，则光纤一端可以避免与液体的接触，实现非接触式测量；

步骤4)：设定入射光纤发出的光通量为I₀，在弹性圆片未收到压力时，接收光纤收到的光通量为I₀，通过I₀通过测量得到对应的液位信息；入射光纤和接收光纤两段光纤之间的夹角为θ，接收光纤所接收到的光通量I，其中：I₀和I均通过光电转换器件转换为电压量，可由电压表直接测量得到：

则I＝I₀cosθ (1)

入射光纤和接收光纤之间的夹角

步骤5)：对弹性圆片进行建模，获得出入射光纤和接收光纤两段光纤之间的夹角为θ，具体方法如下：

其中，d为入射光纤和接收光纤之间的间隙，y为弹性圆片的形变量，R为弹性圆片的半径；

步骤6)：建立数学模型，获得弹性圆片的形变量y与液体压强p的关系，具体方法如下：

y＝[3p(1-u²)R⁴]/(16Ew³) (4)

其中p为液体压强；w为圆片的厚度；R为弹性圆片的半径；u是圆片材料的泊松比；E是圆片材料的弹性模量；

步骤7)：获取液位信息：

通过公示(3)和(4)得出

式中

步骤8)：获取液体压强p

联立公式(2)和(5)可以得到液体压强p，

步骤3、所以得到此时的液面高度应为：

通过上面光纤液位传感器阵列的测量方法，可以将液体的密度变化和其加速度对液位测量的影响因素消除掉，得到准确的液位信息。