CN106441511A - 基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器，包括宽带光源、3dB光纤耦合器、FBG传感阵列、波长解调模块和微控单元。宽带光源输出的光经3dB光纤耦合器，依次经过FBG传感阵列内粘附于悬臂梁结构上的温度参考光栅和应力传感光栅，传感探头的封装材料、浮子材料和光栅粘附材料均为碳纤维；液位变化会改变浮子上磁铁对碳纤维板上铁片的作用力，使碳纤维板发生形变，从而改变传感光栅的反射波长，反射的光经3dB光纤耦合器，输入波长解调模块，完成反射波长的解调；然后将信号传输到带有温度-应力补偿算法的微控单元进行数据处理。本发明结构简单可靠、检测精度高、灵敏度高，可应用于高温、高腐蚀等恶劣环境，实现不同高度的液位的非连续性检测。

Description

基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器

技术领域

本发明涉及一种非连续型液位监测传感器，特别是涉及一种基于光纤布拉格光栅技术和非接触式悬臂梁机械结构的可应用于恶劣环境下的液位传感器。

背景技术

液位监测是过程控制的主要工作之一，液位传感器是检测液体高度的装置，它在日常生活和现代化的生产中有着重要而广泛的应用。随着控制系统的智能化、统一化，液位测量的对象也愈加广泛，要求液位传感器的测量精度更高、可靠性更好、实用性更强、且更加适用于特殊的测量环境。尤其是当被测介质具有粘滞性、导电性，或液面具有波动或存在气泡，或需要考虑容器的密闭性以及液体是否具有腐蚀性、毒性和易爆性等情况，选择合适的液位测量技术尤为重要。

目前，主要的非连续型液位测量方法主要有电极式液位测量、热学式液位测量和基于光的全反射式液位测量。其中，电极式液位测量是通过液体与两电极的接触构成的导通回路来实现液位的检测，该方法简单，价格低廉，但不能应用于绝缘物质的液位测量，易受电磁干扰影响；热学式液位测量是通过热敏电阻检测环境温度与液体温度的差异，其装置小巧，但是当环境温度与液体温度相近时，检测分辨率低，测量效果差；以国内发明专利号为CN101140181A的发明专利为例，基于光的全反射式液位测量方法是利用反射光或透射光来进行液位的检测，该类传感器同时包含了光源和光接收器，光源发出的光入射到棱镜或光纤中，构成了传感器的前端结构。当没有液体存在时，光源发出的光被棱镜或光纤反射到接收器中，当液体浸没棱镜或光纤时，光源发出的光被棱镜或光纤折射入液体中，只有很少甚至没有光被反射到接收器中，通过接收器检测上述情况下光功率的变化，从而驱动电子开关或控制电路以实现预警功能。因为该技术中大多数都采用光纤或棱镜端部作为传感探头去接触液体，裸露的传感探头可能会受到漂浮物、振动、灌装产生的动态干扰的影响，另外，由于光纤或棱镜表面的生物附着或化学污染，传感器需要日常维护，工作量大大增加。

布拉格光纤光栅（FBG）作为一种性能优越的传感敏感元件，与传统的传感器相比，传感技术较新颖，光纤光栅体积较小、灵敏度高、且不受电磁干扰。根据光纤光栅耦合模理论可知，FBG是在纤芯内形成一个窄带滤波器和反射镜，对入射到光栅上的光谱进行反射和透射。当FBG受应变和温度影响时布拉格波长会发生偏移，通过机械敏感装置的引入，可利用光纤光栅测量压力、振动等物理量；如果所置环境液位的变化影响上述物理量的变化，结合光纤光栅的波长反射调制原理可实现液位的间接测量，具有较好的结构及理论新颖性，且具有较强的实用价值。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器。通过光纤布拉格光栅技术的应用以及非接触式悬臂梁机械结构的设计可实现恶劣环境下的非连续性液位测量，本发明具有稳定的机械结构、较高的灵敏度和良好的检测性能。

本发明所采用的技术方案是：一种基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器如图1所示，其特点是：包括宽带光源，与宽带光源的输出端连接的3dB光纤耦合器，与3dB光纤耦合器输出端连接的FBG传感探头，与3dB光纤耦合器回光端连接的波长解调模块，与波长解调模块连接的微控单元。该传感器的3dB光纤耦合器也可由环形器代替，可通过波分复用技术（WDM）、时分复用技术（TDM）或空分复用技术（SDM）实现多个传感器的复用，以实现不同高度液位的非连续性测量。

一种基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器，所述的宽带光源的输出光谱具有极好的平坦度，覆盖传感探头内应力传感光栅和温度参考光栅的反射谱，同时光源具有极高精度的自动温度控制（ATC）电路和自动功率控制（APC）电路以维持光源工作的高稳定性和高可靠性。

一种基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器，涉及了FBG传感探头的设计，其结构如图2所示，包括FBG传感器和浮子两部分。FBG传感器采用悬臂梁机械结构，其特点是：包括固定于悬臂梁支架上碳纤维板以及松弛放置于碳纤维板支架区域的温度参考光栅和固定于碳纤维板悬空区域的应变传感光栅和铁片。浮子材质为碳纤维，其上部分嵌入磁铁；其位置由浮子限位块限制，这样当液位高度超过装置检测范围时，可以避免浮子对传感光栅造成伤害。

一种基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器，所述的波长解调模块采用可调谐光纤Fabry-Perot（F-P）滤波法实现温度参考光栅和应变传感光栅反射中心波长的高精度解调。

一种基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器，所述的微控单元根据波长解调模块提供的实时数据以及传感系统起始标定数据，实现波长变化量与微应变，微应变与液位的转换，最后根据所测液位值进行预警判别，以决定是否启动预警控制电路。

与现有的非连续型液位传感器相比，本发明具有如下优势：

（1）具有诸多优势的传感技术，基于FBG技术的传感器具有稳定性好、检测精度高、灵敏度高、功耗低、抗电磁干扰等优点。

（2）自制的传感探头结构简单、尺寸较小、造价低、易于安装和故障检测，独特的机械结构设计使液体不直接接触传感元件而实现液位测量。

（3）传感探头的封装材料、浮子材料以及光栅粘附材料均为碳纤维，使探头具有耐高温、耐腐蚀、耐磨、抗拉伸和抗冲击等优良特性。

（4）多个传感探头的复用，可同时进行多种液体或不同高度的液位检测。

附图说明

图1是基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器结构图。

图2是FBG传感探头结构图。

图3是多个FBG传感探头组装结构图。

图4是四通道液位传感系统结构图。

具体实施方式

光纤光栅的布拉格方程为λ= 2 n_effΛ，光纤布拉格光栅的中心反射波长λ会随着光栅周期Λ和纤芯有效折射率n_eff的变化而变化。当FBG受到一个纵向的应变作用或周围的温度发生改变时，Λ和n_eff的大小会发生改变，从而引起光栅布拉格中心波长发生偏移dλ=2 n_eff dΛ+2Λdn_eff。

一种基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器中用于液位检测的FBG传感探头结构如图2所示，展示了内部安有磁铁的浮子示意图和置于封装壳中的FBG传感器示意图。FBG传感器是由光纤布拉格光栅悬臂梁结构组成的，当液面上升时，浮子也随之向上移动，此时浮子中的磁铁吸引着带有铁皮的碳纤维板。碳纤维板的弯曲使粘附其上的布拉格应变传感光栅发生应变，继而FBG传感器的应变传感光栅波长发生偏移。相反，如果浮子随液位下降向下移动，作用在悬臂梁铁皮上的磁力就会减小，悬臂梁自然就恢复到原始的位置，继而布拉格光栅的波长也移回到初值。

理论上，光栅受到作用于其上的应力而产生的响应灵敏度可以表述为：Δλ = λG_εε，其中，Δλ是FBG由于受应力作用而产生的中心波长的漂移，λ是FBG的布拉格波长，G_ε 是光纤的轴向应变系数，ε 是相对应变量。例如，当布拉格波长为1550nm时，G_ε 对于硅石英光纤是0.78，波长的应变系数是1.2pm/με。因此，当对FBG传感器施加1000µε时其波长会产生1.2nm的变化量。

设计中，应变传感光栅的波长会同时受到应力和温度的影响，因此温度参考光栅需要进行应变隔离，使其波长只受温度影响。实施中，我们将温度参考光栅松弛放置于碳纤维板支架区域，将应变传感光栅两端固定于碳纤维板的悬空区域，将两个波长的光栅利用WDM实现应力和温度光栅的多路复用，用以区分反射回来的携带温度和应变信息的不同波长的光信号，然后将信号传输到带有温度应力补偿算法的微控单元进行数据处理，以实现对应力传感光栅中由温度引起的波长变化进行温度补偿，然后将所得到的液位值与预先设定好的阈值进行对比，以判定是否驱动控制电路向外界系统发送预警信号。

如图3所示，为了监测不同的液位高度，通过将多个光纤传感探头封装在一个碳纤维管内来做成一个传感阵列，利用一根光缆来传送光信号，在整个传感阵列中通过工作波长的不同来实现探头编码。

图4为四通道液位传感系统结构图，光由宽带光源发出后（中心波长1550nm，带宽40nm，光功率20mW），注入一个1×4光纤耦合器中，注入的光被四等分，每一部分光都通过3dB光纤耦合器后传输到具有不同中心波长的光栅传感探头中；反射回来的光波通过3dB光纤耦合器后再通过另一个1×4光纤耦合器，把反射回来的光信号整合到一起；整合后的光信号再传输到波长解调模块，对每一个峰值功率的波长进行解调；然后将得到的数据传输到带有温度补偿算法的微控单元，最后实现不同液位的测量及预警。

Claims (8)

1.一种基于光纤布拉格光栅技术的非连续型液位传感器，包括宽带光源，与宽带光源的输出端连接的3dB光纤耦合器，与3dB光纤耦合器输出端连接的FBG传感探头，与3dB光纤耦合器回光端连接的波长解调模块，与波长解调模块连接的微控单元，通过波分复用技术（WDM）、时分复用技术（TDM）或空分复用技术（SDM）可实现FBG传感探头的复用，形成传感阵列，进行不同液位高度的非连续性测量。

2.根据权利要求1所述的3dB光纤耦合器可由环形器代替。

3.根据权利要求1所述的FBG传感探头包括FBG传感器、浮子和封装管三部分。

4.根据权利要求3所述的FBG传感器采用悬臂梁机械结构，其特征是：包括固定于悬臂梁支架上碳纤维板以及松弛放置于碳纤维板支撑区域的温度参考光栅和固定于碳纤维板悬空区域的应变传感光栅和铁片。

5.根据权利要求3所述的浮子，其特征是其材质为聚丙烯腈基碳纤维碳纤维，上部分嵌入钐钴磁铁。

6.根据权利要求4所述的温度参考光栅，其特征在于其中心反射波长与应变传感光栅的中心反射波长不同。

7.根据权利要求4所述的碳纤维板，其特征在于其厚度为0.5-2mm。

8.根据权利要求1所述的波长解调模块，其特征在于它是采用可调谐Fabry-Perot滤波法实现波长的解调。