CN106643972A - 一种获取液体测量参数及液体测量的方法、装置、设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种获取液体测量参数及液体测量的方法、装置、设备，包括：向光纤光栅发送光波，所述光纤光栅是沿二次曲线固定于应变敏感部件上的；接收经光纤光栅反射出的光波。通过光波转换的电信号确定输出的光波的光谱宽度Δλ；根据Δλ确定应变敏感部件的应变ε；根据应变ε确定压力F；根据压力F与应变敏感部件的表面积A确定液体高度h。采用本发明，温度变化不会影响测量结果。不会对所测液体产生污染。能够保证测量结果的及时性。

Description

一种获取液体测量参数及液体测量的方法、装置、设备

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种获取液体测量参数及液体测量的方法、装置、设备。

背景技术

目前，油箱液位测量方法主要有力学(机械式)方法和电学方法两类。

力学方法主要有超声波法和压力差法。超声波法由传感器发出脉冲超声波，经油表面反射后被同一传感器接收，转换成电信号。通过超声波的发射和接收之间的时间计算传感器到被油箱液面的距离，得到液位。压力差法则利用压力表测量基准面上液柱的静压就可测得液位。但其不足在于：力学液位测量方法精度较低，接入器件复杂，压力差法须对油箱开孔，实时性较差。

电学方法主要有浮子法、霍尔元器件法以及压阻式压力传感器法等，电学方法利用液位两侧介质物理性质差异或者液位改变引起电容、电阻或电感等电学物理量参数变化来实现。但其不足在于：目前电学液位测量方法在安全性和实时性以及对油品污染方面存在严重限制。

发明内容

本发明提供了一种获取液体测量参数及液体测量的方法、装置、设备，用以解决液位测量中实时性较差或对油品有污染的问题。

本发明实施例中提供了一种液体测量装置，包括：环行器、光纤光栅、应变敏感部件，其中：

环行器，与光纤光栅相连，接收光波后传入光纤光栅，并将经光纤光栅反射出的光波输出；

光纤光栅，沿二次曲线固定于应变敏感部件。

较佳地，所述光纤光栅是沿二次曲线粘贴于应变敏感部件表面的。

较佳地，一步包括：

传感器主机，与环行器相连，向环行器输出宽谱光波。

较佳地，进一步包括：

光电探测器，与环行器相连，将环行器输出的光波转换为电信号。

本发明实施例中提供了一种获取液体测量参数的方法，包括：

向光纤光栅发送光波，所述光纤光栅是沿二次曲线固定于应变敏感部件上的；

接收经光纤光栅反射出的光波。

较佳地，所述光纤光栅是沿二次曲线粘贴于应变敏感部件表面的。

较佳地，进一步包括：

将接收的光波转换为电信号。

本发明实施例中提供了一种液体测量的方法，包括：

通过电信号确定输出的光波的光谱宽度Δλ，所述电信号是从上述的装置获取的，和/或，是通过上述的方法获取的；

根据Δλ确定应变敏感部件的应变ε；

根据应变ε确定压力F；

根据压力F与应变敏感部件的表面积A确定液体高度h。

较佳地，在确定液体高度h时，根据以下关系确定：

h＝Δλ/(s2×s1×ρg×A)＝s3×Δλ；

ε(x)＝(1-x2)×s1×ρgh×A；

其中：

s3为液位对光纤光栅反射光谱谱宽Δλ的灵敏度；

s2为光纤光栅反射光谱谱宽对光纤光栅承受的应变ε的灵敏度；

s1为光纤光栅应变对应变敏感部件所受压力的灵敏度；

ε是根据应变敏感部件的应变确定的；

x为光纤光栅一点在应变敏感部件上的相对位置；

ρ为所测液体的平均密度；

g为重力加速度。

本发明实施例中提供了一种液体测量的设备，包括：

光谱宽度模块，用于通过电信号确定输出的光波的光谱宽度Δλ，所述电信号是从上述的装置获取的，和/或，是通过上述的方法获取的；

液体高度模块，用于根据Δλ确定应变敏感部件的应变ε；根据应变ε确定压力F；根据压力F与应变敏感部件的表面积A确定液体高度h。

较佳地，液体高度模块进一步用于在确定液体高度h时，根据以下关系确定：

h＝Δλ/(s2×s1×ρg×A)＝s3×Δλ；

ε(x)＝(1-x2)×s1×ρgh×A；

其中：

s3为液位对光纤光栅反射光谱谱宽Δλ的灵敏度；

s2为光纤光栅反射光谱谱宽对光纤光栅承受的应变ε的灵敏度；

s1为光纤光栅应变对应变敏感部件所受压力的灵敏度；

ε是根据应变敏感部件的应变确定的；

x为光纤光栅一点在应变敏感部件上的相对位置；

ρ为所测液体的平均密度；

g为重力加速度。

本发明有益效果如下：

由于在本发明实施例提供的技术方案中，将光纤光栅沿二次曲线固定于应变敏感部件上，这样，悬臂梁受到汽油压力作用发生形变时，由于采用均匀光纤光栅，通过非线性曲线粘贴在悬臂梁结构上，悬臂梁的形变导致均匀光纤光栅的非线性形变，非线性形变在光栅长度上处处不同，使原有的均匀光纤光栅表现为一个啁啾光纤光栅的性质(光谱展宽)。进一步的，也就能够通过光纤光栅反射光谱谱宽Δλ来确定出液体高度h。

进一步的，本方案可以采用均匀光纤光栅作为传感元件，由于均匀光纤光栅成本低，因此便于制作批量化推广应用。

进一步的，由于采用了光纤光栅反射的光谱谱宽得到液量，因此温度变化不会影响测量结果。

进一步的，也由于采用的是光纤光栅，因此不会对所测液体产生污染。

进一步的，由于测量的参数是通过光纤光栅反射的光波确定的，因此能够保证测量结果的及时性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例中光纤光栅油量传感器悬臂梁示意图；

图2为本发明实施例中光纤光栅Chirp(啁啾)调制示意图；

图3为本发明实施例中光纤光栅相对形变示意图；

图4为本发明实施例中基于光纤光栅的油箱油量测量环境示意图；

图5为本发明实施例中测量主机原理示意图；

图6为本发明实施例中获取液体测量参数的方法实施流程示意图；

图7为本发明实施例中液体测量装置结构示意图；

图8为本发明实施例中液体测量的方法实施流程示意图；

图9为本发明实施例中液体测量的设备结构示意图。

具体实施方式

发明人在发明过程中注意到，目前，油箱液位测量方法主要有力学(机械式)方法和电学方法两类。但力学液位测量方法精度较低，接入器件复杂，压力差法须对油箱开孔，实时性较差；电学方法在安全性和实时性以及对油品污染方面存在严重限制。然而，作为一种先进测量、计量技术，光纤传感技术具有灵敏度高、精度高、本质安全、介入性低、抗电磁干扰以及快速响应等技术优势，已经成为测试和计量领域发展的重要趋势。

基于此，本发明实施例中提出一种基于光纤Chirp光栅的液位测量方案，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明。

实施中，因机动车油箱油量测量在通常情况下需要满足温度不敏感，测量环境封闭，测量对象价值大等原因，所以当本发明实施例提供的技术方案应用在温度不敏感机动车油箱油量测量上更具价值，因此实施例中将主要以油量的测量为例来进行说明，但这并不意味着在其他环境、或者其他液体的测量中不能应用，事实上，本领域技术人员容易理解，只要是因压力而会使应变敏感部件产生应力形变的液体均可采用本发明实施例提供的技术方案，下面也还会通过实施例进行详细阐述。

下面对方案中涉及的特征光纤光栅、Chirp进行简单说明。

光纤光栅是在光纤纤芯中刻写的短周期波导光栅，能够反射特定波长的光波。它是一种通过一定方法使光纤纤芯的折射率发生轴向周期性调制而形成的衍射光栅，是一种无源滤波器件。由于光栅光纤具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且其谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，波长选择性好、不受非线性效应影响、极化不敏感、易于与光纤系统连接、便于使用和维护、带宽范围大、附加损耗小、器件微型化、耦合性好、可与其他光纤器件融成一体等特性，而且光纤光栅制作工艺比较成熟，易于形成规模生产，成本低，因此它具有良好的实用性，其优越性是其他许多器件无法替代的。

Chirp是编码脉冲技术，是通信技术有关编码脉冲技术中的一种术语，是指对脉冲进行编码时，其载频在脉冲持续时间内线性地增加，当将脉冲变到音频地，会发出一种声音，听起来像鸟叫的啁啾声，故名“啁啾”。后来就将脉冲传输时中心波长发生偏移的现象叫做“啁啾”。例如在光纤通信中由于激光二极管本身不稳定而使传输单个脉冲时中心波长瞬时偏移的现象，也叫“啁啾”。Chirp信号是一个典型的非平稳信号。均匀光纤光栅是指光纤光栅的栅格周期(即折射率变化的空间周期)在光纤光栅长度上是恒定不变的。在光纤光栅中，啁啾的概念是指光纤光栅的栅格周期在光纤光栅长度上发生变化，不是恒定的。

应变敏感部件，是受到压力作用会发生形变的部件，其在不同位置处的形变量不同，具体实施中，该种可以感受压力应变的部件可以是合金金属结构、矩形薄片等，例如悬臂梁。

下面先以采用悬臂梁进行的油量测量为例对本申请要旨进行说明。

图1为光纤光栅油量传感器悬臂梁示意图，图2为光纤光栅Chirp(啁啾)调制示意图，图3为光纤光栅相对形变示意图，则有：

如图1所示，将光纤光栅沿二次曲线粘贴于感受压力应变的悬臂梁表面。这样，悬臂梁受到汽油压力作用发生形变，在不同位置处的形变量不同，具体如图3所示，此时，光纤光栅将表现出Chirp(啁啾)光栅的性质，也即：反射光谱展宽，其效果如图2所示。

也即，由于采用均匀光纤光栅，通过非线性曲线(二次曲线)粘贴在悬臂梁结构上，悬臂梁的形变导致均匀光纤光栅的非线性形变，非线性形变在光栅长度上处处不同，使原有的均匀光纤光栅表现为一个啁啾光纤光栅的性质(光谱展宽)。

下面再给出利用测量出的光谱展宽得出液体高度的要旨进行说明。

首先对测量的环境以及测量涉及的软硬件设备进行简要介绍。

图4为基于光纤光栅的油箱油量测量环境示意图，如图4所示，测量主机是通过光纤光栅获取参数进行结果处理的设备，采用光纤光栅对图中的油箱的油量进行测量，以悬臂梁为基准，设其高度为h0，悬臂梁距离油面的高度(图中具体示意为汽油液位)为h。

图5为测量主机原理示意图，如图所示，可以采用传感器主机输出宽谱光波，通过环形器进入光纤光栅，反射后通过环形器达到光电探测器，转换为电信号后，通过采集卡进入计算机进行处理。需要说明的是，测量主机是用于说明本申请方案要旨的由多个现有的电子元器件等组成的具体的设备，该设备并不是能够完全体现本申请技术要点的技术方案。

在采用图5所示的设备对图4所示的环境进行测量时，则通过光谱展宽获知液面高度的过程可如下：

油箱中底部基准h0处安装悬臂梁作为应变敏感单元，其厚度忽略不计。汽油液位为h时，作用在悬臂梁的压强P为：

P＝ρgh (1)

其中，ρ＝0.72g/ml＝7.2×10⁵g/m³为汽油平均密度，g＝9.8m/s²为重力加速度。则，作用在悬臂梁的压力F为：

F＝ρgh×A (2)

其中，A为悬臂梁的表面积。在汽油压力作用下，导致悬臂梁产生应变，悬臂梁上方粘贴封装后的光纤光栅，可以近似认为光纤光栅承受的应变与悬臂梁应变相同，为ε，则有：

ε(x)＝(1-x²)×s1×ρgh×A (3)

其中，x为光纤光栅一点在悬臂梁上的相对位置(设：x＝0时为左侧起点，x＝1时为右侧终点)，s1为光纤光栅(悬臂梁)应变对悬臂梁所受压力的灵敏度。s1由悬臂梁密度、弹性模量、泊松比以及形状等多个因素决定。传感器主机光源输出光波，经过光纤光栅后反射光波被传感器检测，得到反射光谱宽度Δλ。Δλ与悬臂梁所受应变ε存在线性关系：

Δλ＝s2×s1×ρgh×A (4)

其中，s2为光纤光栅反射光谱谱宽对应变悬臂梁ε的灵敏度。根据(4)，可以得到液位h与光纤光栅反射光谱谱宽Δλ之间的线性定量关系：

h＝Δλ/(s2×s1×ρg×A)＝s3×Δλ (5)

其中，s3＝1/(s2×s1×ρg×A)为液位对光纤光栅反射光谱谱宽Δλ的灵敏度，可以通过实验标定得到。(5)为光纤光栅油量测量的标定式。安装好测量装置后，对装置进行标定，得到s3。

根据上述要旨，本发明实施例中提供了能够获取供计算设备处理的参数的获取液体测量参数的方法、液体测量装置，并提供了进一步处理的液体测量的方法，且根据同一发明构思提供了液体测量的设备，下面进行说明。

图6为获取液体测量参数的方法实施流程示意图，如图所示，可以包括：

步骤601、向光纤光栅发送光波，所述光纤光栅是沿二次曲线固定于应变敏感部件上的；

步骤602、接收经光纤光栅反射出的光波。

实施中，所述光纤光栅可以是沿二次曲线粘贴于应变敏感部件表面的。

实施中，还可以进一步包括：

将接收的光波转换为电信号。

图7为液体测量装置结构示意图，如图所示，包括：环行器701、光纤光栅702、应变敏感部件703，其中：

环行器701，与光纤光栅702相连，接收光波后传入光纤光栅，并将经光纤光栅反射出的光波输出；

光纤光栅，沿二次曲线固定于应变敏感部件703。

实施中，所述光纤光栅是沿二次曲线粘贴于应变敏感部件表面的。

实施中，还可以进一步包括：

传感器主机704，与环行器相连，向环行器输出宽谱光波。

实施中，还可以进一步包括：

光电探测器705，与环行器相连，将环行器输出的光波转换为电信号。

图8为液体测量的方法实施流程示意图，如图所示，可以包括：

步骤801、通过电信号确定输出的光波的光谱宽度Δλ；

其中，所述电信号是从上述的装置获取的，和/或，是通过上述的方法获取的；

步骤802、根据Δλ确定应变敏感部件的应变ε；

步骤803、根据应变ε确定压力F；

步骤804、根据压力F与应变敏感部件的表面积A确定液体高度h。

实施中，在确定液体高度h时，根据以下关系确定：

h＝Δλ/(s2×s1×ρg×A)＝s3×Δλ；

ε(x)＝(1-x2)×s1×ρgh×A；

其中：

s3为液位对光纤光栅反射光谱谱宽Δλ的灵敏度；

s2为光纤光栅反射光谱谱宽对光纤光栅承受的应变ε的灵敏度；

s1为光纤光栅应变对应变敏感部件所受压力的灵敏度；

ε是根据应变敏感部件的应变确定的；

x为光纤光栅一点在应变敏感部件上的相对位置；

ρ为所测液体的平均密度；

g为重力加速度。

图9为液体测量的设备结构示意图，如图所示，可以包括：

光谱宽度模块901，用于通过电信号确定输出的光波的光谱宽度Δλ，所述电信号是从上述的装置获取的，和/或，是通过上述的方法获取的；

液体高度模块902，用于根据Δλ确定应变敏感部件的应变ε；根据应变ε确定压力F；根据压力F与应变敏感部件的表面积A确定液体高度h。

实施中，液体高度模块进一步用于在确定液体高度h时，根据以下关系确定：

h＝Δλ/(s2×s1×ρg×A)＝s3×Δλ；

ε(x)＝(1-x2)×s1×ρgh×A；

其中：

s3为液位对光纤光栅反射光谱谱宽Δλ的灵敏度；

s2为光纤光栅反射光谱谱宽对光纤光栅承受的应变ε的灵敏度；

s1为光纤光栅应变对应变敏感部件所受压力的灵敏度；

ε是根据应变敏感部件的应变确定的；

x为光纤光栅一点在应变敏感部件上的相对位置；

ρ为所测液体的平均密度；

g为重力加速度。

为了描述的方便，以上所述装置的各部分以功能分为各种模块或单元分别描述。当然，在实施本发明时可以把各模块或单元的功能在同一个或多个软件或硬件中实现。

综上所述，在本发明实施例提供的技术方案中，采用光纤光栅沿二次曲线轨迹在悬臂梁表面，使得悬臂梁形变实现对光纤光栅的Chirp(啁啾)调制，从而能够通过检测光纤光栅反射光谱谱宽得到油量。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器和光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (11)

1.一种液体测量装置，其特征在于，包括：环行器、光纤光栅、应变敏感部件，其中：

环行器，与光纤光栅相连，接收光波后传入光纤光栅，并将经光纤光栅反射出的光波输出；

光纤光栅，沿二次曲线固定于应变敏感部件。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤光栅是沿二次曲线粘贴于应变敏感部件表面的。

3.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，进一步包括：

传感器主机，与环行器相连，向环行器输出宽谱光波。

4.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，进一步包括：

光电探测器，与环行器相连，将环行器输出的光波转换为电信号。

5.一种获取液体测量参数的方法，其特征在于，包括：

向光纤光栅发送光波，所述光纤光栅是沿二次曲线固定于应变敏感部件上的；

接收经光纤光栅反射出的光波。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述光纤光栅是沿二次曲线粘贴于应变敏感部件表面的。

7.如权利要求5或6所述的方法，其特征在于，进一步包括：

将接收的光波转换为电信号。

8.一种液体测量的方法，其特征在于，包括：

通过电信号确定输出的光波的光谱宽度Δλ，所述电信号是从如权利要求1至4任一所述的装置获取的，和/或，是通过如权利要求5至7任一所述的方法获取的；

根据Δλ确定应变敏感部件的应变ε；

根据应变ε确定压力F；

根据压力F与应变敏感部件的表面积A确定液体高度h。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在确定液体高度h时，根据以下关系确定：

h＝Δλ/(s2×s1×ρg×A)＝s3×Δλ；

ε(x)＝(1-x2)×s1×ρgh×A；

其中：

s3为液位对光纤光栅反射光谱谱宽Δλ的灵敏度；

s2为光纤光栅反射光谱谱宽对光纤光栅承受的应变ε的灵敏度；

s1为光纤光栅应变对应变敏感部件所受压力的灵敏度；

ε是根据应变敏感部件的应变确定的；

x为光纤光栅一点在应变敏感部件上的相对位置；

ρ为所测液体的平均密度；

g为重力加速度。

10.一种液体测量的设备，其特征在于，包括：

光谱宽度模块，用于通过电信号确定输出的光波的光谱宽度Δλ，所述电信号是从如权利要求1至4任一所述的装置获取的，和/或，是通过如权利要求5至7任一所述的方法获取的；

液体高度模块，用于根据Δλ确定应变敏感部件的应变ε；根据应变ε确定压力F；根据压力F与应变敏感部件的表面积A确定液体高度h。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，液体高度模块进一步用于在确定液体高度h时，根据以下关系确定：

h＝Δλ/(s2×s1×ρg×A)＝s3×Δλ；

ε(x)＝(1-x2)×s1×ρgh×A；

其中：

s3为液位对光纤光栅反射光谱谱宽Δλ的灵敏度；

s2为光纤光栅反射光谱谱宽对光纤光栅承受的应变ε的灵敏度；

s1为光纤光栅应变对应变敏感部件所受压力的灵敏度；

ε是根据应变敏感部件的应变确定的；

x为光纤光栅一点在应变敏感部件上的相对位置；

ρ为所测液体的平均密度；

g为重力加速度。