CN104964727B - 一种光纤点式液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤点式液位传感器，属于光电传感器，用于对液位上、下限报警、指示等，主要是利用光纤探头对光强的敏感性,通过光纤探头的光在空气和液体中散射情况不同来测量液位高度。本发明由光纤束和信号处理电路组成，其中光纤束包括发射光纤束和接收光纤束，光纤束的楔形端面构成探测端面，楔形端面有助于提高检测液位的灵敏度并防止液滴粘附；信号处理电路安装于发射光纤束和接收光纤束的另一端，构成电路和探头一体化的结构。传感器通过RS485、CAN或工业以太网等通信方式与上位机进行数据通信。本发明尺寸小，重量轻，一体化，便于安装和维护，外形空间轻巧，灵敏度高，信号处理简单，无可动附件，可靠性高。

Description

一种光纤点式液位传感器

技术领域

本发明属于光电传感器技术领域，具体涉及一种光纤点式液位传感器，用于对液位上下限进行报警、指示等。

背景技术

随着航空科技的进步，实时精确的了解飞行状态下油箱内液位状况，对于提高飞机作战能力和安全性能有着重要的意义。目前用于液位测量的传感器有许多不足：静压式液位传感器易受液体密度影响，存在精确度低的问题；电容式液位传感器在安装时必须将传感器固定在液体池中，安装完成后需要对试验零点重新标定和定期维修，才能保证测量的准确性，而且其测量寿命短，重复性低；浮子或浮筒式传动装置若被污染会限制浮子运动产生故障，测量时浮子会随着液面的不稳定而上下波动，不适合压力容器和强腐蚀性液体测量；此类接触测量法的相同点是测量敏感器件需接触被测液体，测量器件会被磨损且易粘附液体,特别是杆式结构装置,由于安装空间大、难维护，而无法满足工业现场智能控制需求。超声波液位传感器虽然便于安装维护，响应快，可用于有毒性和粘附性强液体测量；但是精度小及误差大，校正补偿复杂，且测量盲区大、数据不稳定。

近年来，光纤液位传感器以其自身的优点得到快速发展。研究人员提出了基于棱镜全内反射的光纤点式液位传感器，利用不同折射率的液体对棱镜全内反射的影响，通过测量反射光强来判断棱镜端面是否与液面相接触。该传感器只能监测一个液位，并对棱镜与光纤的集成有较高要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤点式液位传感器，能对单个或多个液位进行测量。该传感器利用光纤探头对光强的敏感性,通过光纤探头的光在空气和液体中散射情况不同来测量液位高度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种光纤点式液位传感器，包括光纤束和信号处理电路，其中光纤束包括发射光纤束和接收光纤束，所述发射光纤束和接收光纤束端部并成集中光纤束，集中光纤束的楔形端面构成探测端面,信号处理电路安装于发射光纤束和接收光纤束的另一端，所述传感器通过总线与上位机进行数据通信。

本发明的一个实施例中，所述信号处理电路包括发光器件、光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路，其中发射光纤束的另一端部与所述发光器件相连，接收光纤束的另一端与光电转换电路相连，发光器件用于发射红外光，所述光电转换电路用于接收光信号并将光信号转换为电信号，所述放大电路用于放大电信号，所述数据采集分析电路用于将电信号由模拟量转化为数字量，进而分析信号得到液位信息。

本发明的一个实施例中，所述发射光纤束和接收光纤束在集中光纤束的端面分布形式为一发一收、一发两收、一发多收或者多发多收模式。

本发明的一个实施例中，所述发射光纤束和接收光纤束在集中光纤束的端面分布形式为平行分布、同心圆分布或者随机分布。

本发明的一个实施例中，所述探头端面楔形结构的楔形角度可被加工为15度或30度或60度，此楔形角度可在10度到90度的角度区间内变动。

本发明的一个实施例中，所述探头端面由多个楔形端面组成多端面探头，可在一个传感器上同时检测多个液位。

本发明的一个实施例中，所述接收光纤束的光信号经光电转换电路后可以直接用模拟电路进行信号差分检测，或者由模拟信号转换为数字信号后进行信号差分检测。

本发明的一个实施例中，所述传感器采用RS485、CAN或工业以太网通信方式，与上位机进行数据通信。

本发明光纤点式液位传感器尺寸小，重量轻，结构简单，便于安装，灵敏度高，信号处理简单，无可动附件，可靠性高；适用于对液位上、下限报警、指示等进行测量。

附图说明

图1为本发明光纤点式液位传感器的原理图；

图2为本发明一实施例中光纤点式液位传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例的端面结构俯视图，发射光纤束和接收光纤束在集中光纤束的端面一发两收模式平行分布；

图4为发射光纤束和接收光纤束在集中光纤束的端面同心圆分布的实施状态；

图5为发射光纤束和接收光纤束在集中光纤束的端面随机均匀分布的实施状态；

图6为本发明的另一实施例，由两个楔形端面组成双端面探头，可同时测量两点液位。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在图1中，发射光纤束3和两路接收光纤束6(接收光纤束可以是1路或多路，本实施例中以2路为例)端部并成集中光纤束，其端面构成探头端面4，其端面的外形结构为任意角度楔形结构,楔形端面有助于提高检测液位的灵敏度并防止液滴粘附。发射光纤束3的另一端部与发光器件8相连，接收光纤束6的另一端与光电三极管7相连，发光器件8用于发射红外光，光电三极管7用于接收光信号。

其工作原理为：当被测物体2内的液体1未接触探头端面4时，发光器件8发射光沿发射光纤束3、探头端面4出射入空气中，由于光在空气中几乎不发生散射，基本不能进入接收光纤6，光电三极管7探测不到任何经过接收光纤6传播回来的发射光，经过差分放大得到的差分信号几乎为零。当被测物体2内的液位1接触探头端面4时，发光器件8发射光沿发射光纤束3、探头端面4、经液体1大部分散射到探头端面4上进入两束接收光纤6上，大部分光被接收光纤6接收到，信号检测电路中光电三极管7将两路接收光纤束6所获得的光信号转换为电信号，并经前置放大器和两级差分放大器转换为电压信号差值，接收光纤6的差分信号经放大得到的幅值将远大于零。因此，楔形探头端面4处有无液体1及探头端面4接触液体位置不同时，探头端面4接收到不同光强的信号，传感器输出信号值有明显区别。据此就可以判断液位1是否接触光纤传感器的楔形探头端面4，从而判断液位1的状态，即可实现高低液位告警功能。

如果接收光纤束为1束，在液体1未接触探头端面4时，光电三极管7探测到的光基本为零，光信号转化为电信号，电信号较小；在液体1接触探头端面4时，光电三极管7探测到的光，光信号转化为电信号，电信号不需差分直接经放大后的幅值将远大于零，根据输出信号值的区别判断液位。

如果接收光纤束为2束或多束，则光电三极管7将两路接收光纤束6所获得的光信号转换为电信号，并经前置放大器和两级差分放大器转换为电压信号差值。

本发明的一个实施例中，发射光纤束和接收光纤束端部合并形成传导光纤束，空腔以及传感探头部分设计成一体结构，空腔内部放置电路部分，集中光纤束的楔形端面构成探头端面，法兰盘用来固定和连接传感器与被测液体容器。当楔形端面传感探头未接触到液体时，由发射光纤发出的光大部分出射到空气中，基本不能进入两束接收光纤，接收光纤内基本没有光返回到探测器，因此接收光纤的差分信号接近于零。当传感探头接触液体时，发射光纤发出的光经液体散射在两束接收光纤上，部分光被接收光纤接收到，并返回到探测器，接收光纤的差分信号经放大得到的幅值将远大于零。因此，楔形端面处有无液体接触时，端面接收到不同光强的信号，探测器输出信号值幅值有明显区别。据此就可以判断液面是否接触光纤传感器的楔形端面，从而判断液位的状态，即可实现高低液位告警功能。

如图2所示，直径为15mm的金属保护套内装有三束光纤，分别为一束发射光纤2-3，两束接收光纤2-6。传感器上侧为一空腔2-2，内部可以放置电路部分，空腔顶部的盖板2-10起到保护电路作用，空腔侧剖面用来安装连接器2-11。中间法兰盘2-7用来固定液位传感器。传感器探空腔与下侧探头部分一体化设计，这样做也节省了空间。考虑到密封性要求，其下侧设计成密封槽结构。传感器外侧金属保护套2-5为铝合金材料构成，其机械强度较大，能够满足抗震要求。传感器探头部分为一个楔形端面结构，2-3为发射光纤来自电路部分的发光信号；接收光纤2-6能输出两路电压信号，用来检测探头端面是否接触液体。

如图2为点式光纤点式液位传感器整体装配图设计，图中各序号对应名称及作用如下：

2-1、螺母1：5个螺母呈五边形在法兰盘上

2-2、腔体：安装电路印制板

2-3、发射光纤束

2-4、密封垫1：密封盖子与法兰盘

2-5、金属保护套：保护发射光纤和接收光纤

2-6、接收光纤束

2-7、法兰盘：固定连接器插座

2-8、密封垫2：密封插座与法兰盘

2-9、螺母2：4个螺母呈矩形在法兰盘开口处

2-10、盖子：防尘、防水等

2-11、连接器插座：连接电源及通讯线

图3为传感器探头端面光纤排布仰视图。实验用的光纤点式液位传感器探头端面为椭圆形，发射光纤与接收光纤采用一发两收模式平行分布，每束光纤按中心线直径三等分分布在椭圆形端面上，且光纤表面打磨保持光滑。靠近内侧尖端处的一束光纤为发射光纤3，位于斜切圆柱体最下侧。右边两束光纤均为接收光纤6。

发射光纤束3和接收光纤束6在探头端面4的分布形式还可以为如图4所示的同心圆分布或者如图5所示的随机均匀分布。具体的分布形式要综合考虑传感器灵敏度、组合光纤束的尺寸限制等因素来确定。

在图6中，探头端面4，由两路集中光纤束楔形端面组成双端面探头，可同时测量两点液位。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种光纤点式液位传感器，包括光纤束和信号处理电路，其中光纤束包括发射光纤束和接收光纤束，其特征在于，所述发射光纤束和接收光纤束端部并成集中光纤束，集中光纤束的端面呈整体一个楔形端面,楔形端面构成探测端面,信号处理电路安装于发射光纤束和接收光纤束的另一端，所述传感器通过总线与上位机进行数据通信。

2.如权利要求1所述的光纤点式液位传感器，其特征在于，所述信号处理电路包括发光器件、光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路，其中发射光纤束的另一端部与所述发光器件相连，接收光纤束的另一端与光电转换电路相连，发光器件用于发射红外光，所述光电转换电路用于接收光信号并将光信号转换为电信号，所述放大电路用于放大电信号，所述数据采集分析电路用于将电信号由模拟量转化为数字量，进而分析信号得到液位信息。

3.如权利要求1或2所述的光纤点式液位传感器，其特征在于，所述发射光纤束和接收光纤束在集中光纤束的端面分布形式为一发一收、一发多收或者多发多收模式。

4.如权利要求1或2所述的光纤点式液位传感器，其特征在于，所述发射光纤束和接收光纤束在集中光纤束的端面分布形式为平行分布、同心圆分布或者随机分布。

5.如权利要求1或2所述的光纤点式液位传感器，其特征在于，所述探测端面楔形结构的楔形角度可在10度到90度的角度区间内变动。

6.如权利要求1或2所述的光纤点式液位传感器，其特征在于，所述探测端面由多个楔形端面组成多端面探头，可在一个传感器上同时检测多个液位。

7.如权利要求1或2所述的光纤点式液位传感器，其特征在于，所述接收光纤束的光信号经光电转换电路后可以直接用模拟电路进行信号差分检测，或者由模拟信号转换为数字信号后进行信号差分检测。

8.如权利要求1或2所述的光纤点式液位传感器，其特征在于，所述传感器采用RS485、CAN或工业以太网通信方式，与上位机进行数据通信。