CN107607175A

CN107607175A - 一种点式光纤液位传感器

Info

Publication number: CN107607175A
Application number: CN201710771853.9A
Authority: CN
Inventors: 葛俊锋; 叶林; 耿涛; 桂康; 龚英; 舒俊
Original assignee: Guangdong Provincial Institute Of Intelligent Robotics; Huazhong University of Science and Technology; Guangdong Hust Industrial Technology Research Institute
Current assignee: Guangdong Provincial Institute Of Intelligent Robotics; Huazhong University of Science and Technology; Guangdong Hust Industrial Technology Research Institute
Priority date: 2017-08-31
Filing date: 2017-08-31
Publication date: 2018-01-19

Abstract

本发明公开了一种点式光纤液位传感器，属于光电传感器，主要用于对高低液位进行报警和多点液位测量，传感器包括一束光纤和信号处理电路，光纤束包裹在外壳内，光纤束一端斜剖成楔形端面，作为传感器探头；光纤束另一端设置有分光镜，作为光源入射端和反射光探测端；其探头由一个或多个楔形端面组成，通过信号处理电路探测光纤内的反射光功率，便可获知探头的各个楔形端面处于何种介质中，从而实现液位高度的测量。本发明结构简单，容易实现，可用于高温高压、易燃易爆、强磁场等恶劣环境，并且具有高灵敏度、高精度等优点，具有广阔的应用前景。

Description

一种点式光纤液位传感器

技术领域

本发明属于光电传感器技术领域，具体涉及一种点式光纤液位传感器，主要用于对高低液位进行报警和多点液位测量。

背景技术

目前用于液位测量的传感器有多种，其中浮子液位传感器结构简单，但由于存在可动部件，难以克服液面晃动，不适合动态液位测量，且浮子较容易磨损；电容式液位传感器精度较高，但易受温度、电磁波等外界因素的干扰，且被测液体中水滴的存在可能导致传感器虚警甚至失效；超声波液位传感器安全性能好，但存在测量盲区，且液面晃动时将产生较大的测量误差。

光纤传感器由于其优良的性能得到飞速发展，并广泛应用于各大领域，而在点式液位测量方面，光纤传感器主要有以下几种：棱镜型光纤液位传感器利用受抑全内反射原理进行液位测量，当探头处于不同介质时，由于折射率不同，发生全内反射的光量不同，通过测量反射光功率便可知棱镜是否与液面接触，这种传感器需要将光纤与棱镜粘结在一起，存在断裂的风险；尖端反射式光纤液位传感器也是基于受抑全内反射原理，但其直接将光纤头加工成圆锥形代替棱镜成为探头，该传感器具有全光纤的优点，但加工难度高，难以保证重复性；泄漏式光纤液位传感器利用不同介质中泄漏的光功率不同来进行液位检测，但由于光功率变化量较低，传感器容易受到光源、光电器件等的影响，且泄露式光纤多为塑料光纤，因此传感器的温度适应性差。

现有技术中，CN201510413938.0公开了一种基于散射原理的光纤点式液位传感器，但其楔形端面的角度设置缺乏理论依据，需要反复试验才能确定，其原理的可行性也存在疑问；并且该传感器至少需要两束光纤束，传感器的整体结构相对繁琐复杂。

发明内容

为了克服现有点式光纤液位传感器存在的问题，本发明设计了一种新型光纤液位传感器。在不同介质当中，由于折射率不同，传感器中的反射光功率也不同，通过探测反射光功率即可实现点式液位测量，其中楔形探头的设计能使传感器获得最大的光强调制量,从而提高传感器的抗干扰能力。

为了实现上述目的，本发明提供了一种点式光纤液位传感器，所述传感器包括一束光纤和信号处理电路；光纤束包裹在外壳内；所述光纤束一端斜剖成楔形端面，作为传感器探头；所述光纤束另一端设置有分光镜，作为光源入射端和反射光探测端；信号处理电路包括光源和探测器，光源经由分光镜给光源入射端提供入射光，探测器通过分光镜探测来自反射光探测端的反射光。

具体地，所述光纤束由同种型号的光纤集合而成，每根光纤包括纤芯和包层。

进一步地，光纤束包裹在金属外壳内。

进一步地，所述传感器的入射光与光纤束垂直为平行光，分光镜与光纤束夹角为45°。

优选地，所述楔形端面的斜剖角度满足，同时满足，以实现最大光强调制量；其中，为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角，为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角。

进一步地，所述传感器探头包括多个楔形端面，形成多端面探头，每个楔形端面的斜剖角度相同，可在一个传感器上同时检测多个液位。

进一步地，多个楔形端面平行设置，或者，多个楔形端面错开并呈夹角设置。

优选地，所述光纤束与分光镜之间设置有聚光透镜。

进一步地，所述分光镜为半反半透镜。

此外，所述信号处理电路还包括光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路，探测器将反射光信号发送至光电转换电路；光电转换电路将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号发送至放大电路；放大电路将电信号放大后发送至数据采集分析电路；数据采集分析电路将电信号由模拟量转化为数字量，进而分析信号得出液位信息。

有益效果：本发明提供的点式光纤液位传感器，结构简单，容易实现，可用于高温高压、易燃易爆、强磁场等恶劣环境，并且具有高灵敏度、高精度等优点，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明点式光纤液位传感器的结构示意图；

图2为本发明一实施例中点式光纤液位传感器的探头在空气中时的光纤内光传输路径示意图，其中楔形端面的斜剖角度为45度；

图3为本发明一实施例中点式光纤液位传感器的探头在液体中时的光纤内光传输路径示意图，其中楔形端面的斜剖角度为45度；

图4为本发明的另一种实施例的传感器探头的结构示意图。

附图标记说明：

1- 光源； 2-探测器； 3-分光镜；

4-聚光透镜； 5-外壳； 6-光纤束；

7-楔形端面； 8-斜剖角度； 9-液体；

10-容器； 11-入射光； 12-反射光；

13-折射光。

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。

本发明实施例提供的点式光纤液位传感器包括一束光纤和信号处理电路，光纤束包裹在外壳内，优选地，将光纤束包裹在金属或其它高反射率材料的外壳内；信号处理电路包括光源1、探测器2、光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路；光纤束一端作为传感器探头，并按照满足一定条件的角度斜剖成楔形端面，楔形端面的数目可以是一个或多个；所述光纤束另一端则为非探测端，作为光源入射端和反射光探测端；所述光纤束另一端上方设置有一个分光镜3。作为优选实施例，分光镜3可以采用半反半透镜。

如图1所示，光源1经由分光镜3给光纤液位传感器（光源入射端）提供入射光，探测器2则通过分光镜3探测来自传感器（反射光探测端）的反射光，为便于反射光探测，传感器顶端会放置一个聚光透镜4用来汇聚光线。探测器2将探测到的反射光信号发送至光电转换电路；光电转换电路将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号发送至放大电路；放大电路将电信号放大后发送至数据采集分析电路，之后数据采集分析电路将电信号由模拟量转化为数字量，进而分析信号得出液位信息。

光纤液位传感器主要包括外壳5和光纤束6，其中外壳5优先选用反射率较高的金属材料，如铝合金，以避免反射光过多的衰减，光纤束6中单根光纤皆为同种型号。为了尽可能地获得最大的光强调制量，以增加传感器的抗干扰能力，传感器探头可由三个楔形端面7组成，其斜剖角度8满足，且，其中为斜剖角度，为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角，为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角。楔形端面的设计不仅能大大提高传感器的灵敏度，而且能够降低液滴黏附的干扰。

光纤液位传感器的工作原理为：光源1发出的光经分光镜3耦合进入光纤束6中，当光到达楔形端面7时，若液体9未接触到楔形端面7，光线会发生全反射，此时反射光功率近似等于入射光功率；若液体9浸没楔形端面7，光线会发生菲涅耳反射，部分光功率随折射光线透射至液体9中，此时反射光功率小于入射光功率。反射光通过外壳5的不断反射到达传感器顶端，通过聚光透镜4将其汇聚起来，再借由分光镜3被探测器2所接收，通过探测器2接收到的反射光功率的大小，便可知液体9是否接触到传感器探头的楔形端面7，以及浸没了多少个楔形端面7，从而实现单点和多点式液位的检测。

以单个楔形端面的传感器为例，图2、图3为斜剖角度8等于45度时，传感器内光纤的光传输路径示意图，其中图2表示楔形端面7在空气中时的情形，图3表示楔形端面7在液体9中时的情形。在空气中时，进入光纤内的入射光11到达楔形端面7后反生全反射，其反射光12经由外壳5的反射按照原路径返回至传感器顶端，之后再通过分光镜3被探测器2探测。由于当斜剖角度8为45度时，从传感器顶端出来的反射光不会发散，因此这里可不采用聚光透镜4。在液体9中时，反射光12的路径与空气中的一致，但由于有折射光13从光纤内透射出去，根据能量守恒原理，此时反射光12的功率相对于空气中的会减少，因此通过反射光功率的大小便可知楔形端面7在空气中还是在液体9中，由此便可知液面高度信息。

在图1中，传感器探头由3个楔形端面7构成，在探头端面分叉的光纤束在另一端仍然集中成一束，保证与单个楔形端面时采用相同的信号处理电路，并且由于3个端面可以分别与液体接触，反射光功率将有3个变化，通过对反射光功率的测量，可以实现对3个点液位进行测量。

本发明还提供了多端面传感器探头的另一种实施例，如图4所示，传感器探头由2个楔形端面7构成，2个楔形端面错开并呈夹角设置，在探头端面分叉的光纤束在另一端仍然集中成一束，保证与单个楔形端面时信号处理电路的兼容，并且由于2个端面可以分别与液体接触，反射光功率将有2个变化，通过对反射光功率的测量，可以实现对2个点液位进行测量。

本发明的传感器探头由一个或多个楔形端面组成，当探头在空气中时，光纤中的光在楔形端面上发生全内反射，没有光透射至空气中；当探头的楔形端面浸没在液体中时，光纤中的光在楔形端面上发生菲涅耳反射，部分光功率会随折射光透射至液体中，通过探测光纤内的反射光功率，便可获知探头的各个楔形端面处于何种介质中，从而实现液位高度的测量。

本发明实施例提供的点式光纤液位传感器，结构简单，只需一束光纤即可实现，原理清晰可靠，可行性好，灵敏度高，精度高，抗干扰能力强，可真正用于多种环境下液位的测量，尤其适合石油、化工、航空等这些非常重视安全性能的领域。

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

1.一种点式光纤液位传感器，其特征在于，所述传感器包括一束光纤和信号处理电路；光纤束包裹在外壳内；所述光纤束一端斜剖成楔形端面，作为传感器探头；所述光纤束另一端设置有分光镜，作为光源入射端和反射光探测端；信号处理电路包括光源和探测器，光源经由分光镜给光源入射端提供入射光，探测器通过分光镜探测来自反射光探测端的反射光。

2.如权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述光纤束由同种型号的光纤集合而成，每根光纤包括纤芯和包层。

3.如权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：光纤束包裹在金属外壳内。

4.如权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述传感器的入射光与光纤束垂直，分光镜与光纤束夹角为45°。

5.如权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述楔形端面的斜剖角度为，且；其中，为光线在纤芯-空气分界面发生全反射时的临界角，为光线在纤芯-液体分界面发生全反射时的临界角。

6.如权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述传感器探头包括多个楔形端面，形成多端面探头，每个楔形端面的斜剖角度相同。

7.如权利要求6所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：多个楔形端面平行设置，或者多个楔形端面错开并呈夹角设置。

8.如权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述光纤束与分光镜之间设置有聚光透镜。

9.如权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述分光镜为半反半透镜。

10.如权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述信号处理电路还包括光电转换电路、放大电路和数据采集分析电路，探测器将反射光信号发送至光电转换电路；光电转换电路将接收到的光信号转换为电信号，并将电信号发送至放大电路；放大电路将电信号放大后发送至数据采集分析电路；数据采集分析电路将电信号由模拟量转化为数字量，进而分析信号得出液位信息。