CN105823528B - 一种光纤连续液位传感器 - Google Patents

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    • G01F23/292—Light, e.g. infrared or ultraviolet

Abstract

本发明提供了一种光纤连续液位传感器，包括：楔形光纤束和信号处理电路；所述楔形光纤束包括至少一个测量段，所述测量段包括至少一束发射光纤束和至少一束接收光纤束；所述楔形光纤束的楔形面为传感面；所述信号处理电路包括至少一个发光器、至少一个接收器、光电转换电路、差分放大电路；所述发光器与所述发射光纤束一一对应，所述接收器与所述接收光纤束一一对应；所述接收器连接所述光电转换电路。与现有技术相比，利用光在空气和液体中的散射程度不同，转换成电压变化来判断液位高度，将信号处理的电路部分和传感器的测量部分分离，液体中不存在电信号，结构简单、成本低、测量过程安全稳定、测量精度高。

Description

一种光纤连续液位传感器
技术领域
本发明属于光电传感器技术领域，更具体地，涉及一种光纤连续液位传感器，用于对液体高度进行测量。
背景技术
本发明主要应用在飞机燃油液位测量，飞机燃油液位传感器是飞机燃油系统中的重要组成部分，直接影响飞机的航行安全。目前飞机上应用的液位传感器主要有电容式液位传感器、流量式液位传感器、超声波式液位传感器。电容式液位传感器标定校准困难，液体污染会对其产生严重影响，甚至可能导致电容电极之间短路酿成严重事故；流量式液位传感器由于燃油黏度变化大、加速度大而容易影响液位测量精度；超声波液位传感器会出现盲区和姿态误差导致测量结果不准确。
国内有学者公开了一种随液位高度变化而变形的弹性光纤圆片，通过变形影响光纤圆片接收光量的方法来对液位进行间接测量，但是其中核心部件变形齿制作困难，工艺要求高，实现难度大。国内其他学者公开了另一种螺旋形光纤传感器，其利用液位变化，螺旋形光纤光量泄露变化不同，导致最终接收光量不同的原理来对液位高度进行测量，由于其采用螺旋形结构，液体粘附问题会影响传感器的精度，且螺旋结构易变形、不稳定，量程太大会影响测量结果的精度。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷，本发明目的在于提供一种结构简单、成本低、测量过程安全稳定、测量精度高的光纤连续液位传感器。
为了解决上述问题，本发明提供了一种光纤连续液位传感器，其特征在于，包括：楔形光纤束和信号处理电路；所述楔形光纤束包括至少一个测量段，所述测量段包括至少一束发射光纤束和至少一束接收光纤束；所述楔形光纤束的楔形面为传感面；所述信号处理电路包括至少一个发光器、至少一个接收器、光电转换电路、差分放大电路；所述发光器与所述发射光纤束一一对应，所述接收器与所述接收光纤束一一对应；所述接收器依次连接所述光电转换电路和所述差分放大电路。
进一步地，所述测量段包括依次并列排列的发射光纤束、第一接收光纤束、第二接收光纤束；所述信号处理电路包括对应所述第一接收光纤束的第一接收器和对应所述第二接收光纤束的第二接收器。
进一步地，所述第一接收器和所述第二接收器各连接一路所述光电转换电路，所述光电转换电路连接差分放大电路。
进一步地，所述楔形光纤束包括依次连接的多个所述测量段。
进一步地，楔形面与竖直方向的夹角范围为5度～30度。
进一步地，所述测量段包括一束发射光纤束及一束接收光纤束。
进一步地，所述一束发射光纤束具有至少两个第一分支，所述一束接收光纤束具有至少两个第二分支，所述第一分支与所述第二分支一一对应交叉排列。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，利用光在空气和液体中的散射程度不同导致接收器通过光纤接收的光量不同，转换成电压变化来判断液位高度，将信号处理的电路部分和传感器的测量部分分离，液体中不存在电信号，结构简单、成本低、测量过程安全稳定、测量精度高。
附图说明
图1为本发明第一实施例光纤连续液位传感器整体示意图；
图2为图1测量段示意图的主视图；
图3为图2的左视图；
图4为本发明第一实施例各光纤束引出点的布局示意图；
图5为本发明第二实施例测量段结构示意图；
图6为本发明第三实施例光纤连续液位传感器整体示意图；
图7为图6测量段示意图的主视图；
图8为图7的左视图；
图9为本发明第三实施例各光纤束引出点的布局示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-发射光纤束，1’-发射光纤束引出点，2-第一接收光纤束，2’-第一接收光纤束引出点，3-第二接收光纤束，3’-第二接收光纤束引出点，4-发光器，5-第一接收器，6-第二接收器，7-夹角，8-楔形面，9-铝合金槽，10-测量段，11-液体，12-空腔，13-连接器，14-电路板，15-法兰盘。
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。
为了更好的阐述本发明的创新点和技术方案，以下结合具体实施例来进行讲解说明。
请参考图1至图4，为本发明第一实施例，其包括：楔形光纤束和信号处理电路；所述楔形光纤束包括一个测量段10，所述测量段10包括依次并列排列的发射光纤束1、第一接收光纤束2、第二接收光纤束2；所述楔形光纤束的楔形面8为传感面，所述楔形面8与竖直方向的夹角7为5°；所述信号处理电路包括一个发光器4、一个第一接收器5、一个第二接收器6、光电转换电路(未图示)、差分放大电路(未图示)；所述发光器4与所述发射光纤束1对应，所述第一接收器5与所述第一接收光纤束2对应，所述第二接收器6与所述第二接收光纤束2对应；所述第一接收器5和所述第二接收器6各连接一路所述光电转换电路，所述光电转换电路连接所述差分放大电路。
空腔12用于放置电路板14，所述空腔12通过螺钉与下部各光纤束连接，法兰盘15用于将本发明的传感器固定在被测液体11容器上，所述空腔12侧剖面用来安装连接器13，所述发射光纤束1、所述第一接收光纤束2、所述第二接收光纤束2合并形成楔形面8嵌入至外壳中，本实施例外壳为铝合金槽9。各光纤束上端的引出点布局如图4所示，呈三角形排布，方便与电路板14上的所述发光器4和所述第一接收器5、所述第二接收器6进行耦合。所述发光器4的光经所述发射光纤束1传出，所述第一接收光纤束2和所述第二接收光纤束2接收散射光的光量会因两束接收光纤束距离所述发射光纤束1的位置不同而不同，所述第一接收器5和所述第二接收器6对应经过耦合产生的光电流也会不同。第一接收器5和所述第二接收器6各自所对应的光电转换电路，通过所述差分放大电路，消除环境光、光源波动和其他共模噪声的影响，最终获得此时液位高度的电压值。当液位上升时，光的散射程度会增强，接收光纤束耦合回来的散射光量增大，最终输出电压变大，通过多次试验拟合出“电压v-液位高度h”关系曲线。实际测量液位时，即可直接通过读取电压值v来获得液位高度h。
请参照图5，为本发明第二实施例。本实施例与第一实施例的区别在于，所述发射光纤束1和所述接收光纤束均为一束，所述发射光纤束1具有两个第一分支，所述接收光纤束具有两个第二分支，所述第一分支与所述第二分支一一对应交叉排列。在其他实施例中(未图示)，所述发射光纤束1和所述接收光纤束也可以有三个以上的分支。如此排布可以减小发射光纤束1和接收光纤束外侧部分距离较远时对散射光进行采集时的不利影响，使接收光纤束接收的散射光量越多，变化趋势更为明显。
请参照图6至图9，为本发明的第三实施例。当测量范围太大时，若仅采用单个测量段10，会导致所述发射光纤束1和所述接收光纤束面积太大，从而造成接收光纤束接收回来的散射光太弱，影响测量结果。为扩大量程，本实施例与第一实施例的区别主要在于，从下至上排布有多个所述测量段10(本实施例为4个)，此时通过分时复用信号处理电路(未图示)来简化电路，各光纤束上端的引出点布局如图9所示，呈阵列排布，方便与电路板14上的多个所述发光器4和多个所述第一接收器5、所述第二接收器6一一对应进行耦合。每一个引出点一一对应每一段的各光纤束。预先测定单个所述测量段10完全位于液面以上时的电压值v1，以及单个所述测量段10完全位于液面以下时的电压值v2，并将该电压值预设在分时复用信号处理电路中。
实际测量时，将4个所述测量段10从下至上排布，液位检测过程分为两步，首先分时复用信号处理电路从下至上依次进行各个所述测量段10的电压检测扫描，当扫描到第n个所述测量段10发现电压值v介于v1和v2之间时，即可判断出液位处于第n个所述测量段10；然后，所述分时复用信号处理电路不再依次从下至上进行全程扫描，仅扫描该第n个测量段10，得出具体的电压值vn，再根据具体的电压值vn结合“电压v-液位高度h”关系曲线得出液位处于该测量段10内的高度h，而每个测量段10自身的高度为H，故最终液位高度为(n-1)*H+h。
所述分时复用电路经过第一次扫描检测后，已知液位所处的高度范围，便不再依次从下至上进行所有所述测量段10的扫描测量，在之后的测量过程仅对液位高度所在的所述测量段10进行测量，减少测量时间的同时也保证系统的鲁棒性。
在其他实施例中(未图示)，当环境稳定时，可以采用“一发一收”方式，即只有一个发射光纤束1(不分支)和一个接收光纤束(不分支)，也不需要差分放大电路，使结构变得更加简单。
在其他实施例中(未图示)，所述楔形面8与竖直方向的夹角7范围为5°～30°。
总体而言，本发明的技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：
1.利用光在空气和液体11中的散射程度不同导致接收器通过光纤接收的光量不同，转换成电压变化来判断液位高度，便捷直观，易于测量；
2.将信号处理的电路部分和传感器的测量部分分离，液体中不存在电信号，结构简单、成本低、测量过程安全稳定、测量精度高；
3.本发明还可通过改变光纤结构排布来改善传感器的结构和性能，当环境稳定时，可以通过“一发一收”的光纤排布方式来获得电压v-液位高度h曲线以及测量液位高度h；
4.发射光纤束和接收光纤束的分支束进行交叉排布，减小了接收光纤束距离发射光纤束较远时对采集散射光的不利影响，并且通过增加分支束来扩大传感面，接收光纤束接收的散射光量越多，变化趋势越明显，测量越准确；
5.第一接收器5和所述第二接收器6各自所对应的光电转换电路，通过所述差分放大电路，消除环境光、光源波动和其他共模噪声的影响，测量结果更准确。
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 (7)

1.一种光纤连续液位传感器，其特征在于，包括：楔形光纤束和信号处理电路；所述楔形光纤束包括至少一个测量段，所述测量段包括至少一束发射光纤束和至少一束接收光纤束，所述发射光纤束和所述接收光纤束的底端平齐；所述楔形光纤束的楔形面为传感面；所述信号处理电路包括至少一个发光器、至少一个接收器、光电转换电路；所述发光器与所述发射光纤束一一对应，所述接收器与所述接收光纤束一一对应；所述接收器连接所述光电转换电路。
2.按照权利要求1所述的光纤连续液位传感器，其特征在于：所述测量段包括依次并列排列的发射光纤束、第一接收光纤束、第二接收光纤束；所述信号处理电路包括对应所述第一接收光纤束的第一接收器和对应所述第二接收光纤束的第二接收器。
3.按照权利要求2所述的光纤连续液位传感器，其特征在于：所述第一接收器和所述第二接收器各连接一路所述光电转换电路，所述光电转换电路连接差分放大电路。
4.按照权利要求1～3任意一项所述的光纤连续液位传感器，其特征在于：所述楔形光纤束包括依次连接的多个所述测量段，多个所述测量段的各个楔形面构成连续面；所述信号处理电路包括分时复用信号处理电路；所述分时复用信号处理电路中预存有单个所述测量段完全位于液面以上时的电压值v1，以及单个所述测量段完全位于液面以下时的电压值v2；所述分时复用信号处理电路用于从下至上依次进行各个所述测量段的电压检测扫描，当扫描到第n个所述测量段发现电压值v介于v1和v2之间时，所述分时复用信号处理电路不再依次从下至上进行全程扫描，仅扫描该第n个所述测量段，得出具体的电压值vn，以结合“电压v-液位高度h”关系曲线得出液位处于该第n个所述测量段内的高度h，进而得出最终液位高度为(n-1)*H+h，其中，H为每个测量段自身的高度。
5.按照权利要求1所述的光纤连续液位传感器，其特征在于：楔形面与竖直方向的夹角范围为5度～30度。
6.按照权利要求1所述的光纤连续液位传感器，其特征在于：所述测量段包括一束发射光纤束及一束接收光纤束。
7.按照权利要求5所述的光纤连续液位传感器，其特征在于：所述一束发射光纤束具有至少两个第一分支，所述一束接收光纤束具有至少两个第二分支，所述第一分支与所述第二分支一一对应交叉排列。
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