CN107941306A - 一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器及液位测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器及测量方法，包括：双仓金属结构架，双仓金属结构架内部设有间隔壁，间隔壁将双仓金属结构架分成压力仓和温度仓；压力仓远离间隔壁的一端设有金属膜片，压力仓内设有压力光纤光栅，温度仓内设有温度补偿光纤光栅；压力光纤光栅的一端连接金属膜片，另一端经过预拉伸穿过间隔壁与温度补偿光纤光栅一端熔接；温度补偿光纤光栅另一端穿过双仓金属结构架与信号采集装置连接。本发明有益效果：温度光栅处于适度自由状态仅对环境的温度敏感，温度光栅与应力光栅处于同一温度场中起到液位补偿的作用，有效的提高测量精度。

Description

一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器及液位测量方法

技术领域

本发明属于光纤传感器制备技术领域，涉及光纤光栅的封装尤其是带温度补偿的补偿型光栅封装方式和相对应的液位测量方法。

背景技术

光纤光栅由于体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、易于组网复用等特点，在传感器领域越来越受重视。在水深测量领域，光纤光栅压力传感器具有广泛的应用前景，但由于裸光栅的压力系数仅为3pm/MPa,如此低的压力系数不能满足实际应用中的常规测量要求。另一方面，光纤光栅对应变和温度同时敏感，在传感过程中容易引起交叉敏感问题。因此，为了达到压力测量的目标，需对光纤光栅进行压力增敏，同时还要进行温度补偿。

传统的压力传感器尽管结构各异，一般均采用双光栅形式，但并没有有效解决温度的交叉敏感问题，这是由于传感器处于一个温度实时变化的环境中，温度补偿光栅对温度的响应速度小于压力敏感光栅，导致无法获得准确的实时水位信息。

发明内容

为了解决背景技术中传统光纤光栅压力传感器无法实时精确测量液位深度的缺点，本发明公开了一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器及液位测量方法，首先选择线性响应水压变化的弹性膜片，使粘接在膜片上的压力光栅的波长变化能线性响应水压变化。然后压力光栅与温度光栅处于相同的温度场中，保证两个光栅对温度同一响应。并且采用一致的环氧树脂胶封装，消除因不同材料导致温度膨胀系数的不同对光栅的影响。测量时先通过对压力光栅初始波长的标定和温度光栅初始温度波长的标定，计算时从读取的波长数据中消除温度变化对压力光栅波长的影响，通过波长与水压的换算从而准确得到液位深度的信息。有效解决传统光纤光栅压力传感器不能实时精确测量液位深度的缺点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，包括：双仓金属结构架，所述双仓金属结构架内部设有间隔壁，所述间隔壁将双仓金属结构架分成压力仓和温度仓；所述压力仓远离间隔壁的一端设有金属膜片，所述压力仓内设有压力光纤光栅，所述温度仓内设有温度补偿光纤光栅；所述压力光纤光栅的一端连接金属膜片，另一端经过预拉伸穿过间隔壁与温度补偿光纤光栅一端熔接；所述温度补偿光纤光栅另一端穿过双仓金属结构架与信号采集装置连接。

进一步地，所述金属膜片通过激光焊接与双仓金属结构架紧密固定形成周边夹紧结构，所述金属膜片中央与金属毛细管焊接形成中央硬心，所述压力光纤光栅的一端固定在所述中央硬心上。

进一步地，所述压力光纤光栅和温度补偿光纤光栅剥除涂覆层后通过光纤熔接在一起。

进一步地，所述间隔壁上设有第一开槽毛细管，所述压力光纤光栅通过第一开槽毛细管与双仓金属结构架连接。

进一步地，所述温度补偿光纤光栅通过第二开槽毛细管与双仓金属结构架连接。

进一步地，还包括：外筒，所述外筒与双仓金属结构架通过螺纹槽衔接；外筒与双仓金属结构架之间设置O型密封圈。

本发明公开了一种光纤光栅液位监测系统，包括：权利上述的任一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器、波长解调仪和上位机解调系统；

所述液位传感器、波长解调仪和上位机解调系统依次连接。

本发明公开了一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器的液位测量方法，包括：

(1)在放入水中之前对液位传感器进行标定，得到压力光纤光栅的初始波长数据和温度补偿光纤光栅的波长数据；

(2)将液位传感器放入水中静置设定时间，再次读取温度补偿光纤光栅的波长作为初始温度补偿光纤光栅波长的标定；

(3)根据上述得到的波长数据，按以下公式进行计算：

H＝((λ-λ₀)-(λ_T-λ_T0)*K_T)/K；

其中，λ₀为液位传感器放入水中之前，压力光纤光栅的初始波长数据；λ和λ_T分别为液位传感器放入水中之后，压力光纤光栅和温度补偿光纤光栅获得的实时波长数据；λ_T0为液位传感器放入水中之后，温度补偿光纤光栅稳定后读取的波长数据；K_T是为了消除光栅温度交叉敏感影响的补偿因子，K为水压灵敏度系数；H为液位深度。

本发明有益效果：

1.金属平膜片对水压线性响应，并且将压强的变化线性转化为应力光栅波长的变化；

2.温度光栅处于适度自由状态仅对环境的温度敏感，温度光栅与应力光栅处于同一温度场中起到液位补偿的作用，有效的提高测量精度；

3.液位计内金属结构架与外筒通过螺纹槽衔接，内金属架与外筒间放置O型密封圈，具有良好的防水密封性能；

4.从光栅一端引出的裸纤通过松套管和金属开槽毛细管的保护，并再由铠装作为外保护层固定，提升液位计整体的机械性能，易适用于复杂的施工环境。

5.上位机解调系统对液位传感器的初始波长和水下的初始温度进行标定，计算中消除了温度的交叉敏感问题，使获得的液位信息实时准确。

附图说明

图1为光纤光栅液位监测系统结构示意图；

图2为内部结构架上双光栅的封装结构示意图；

图3(a)为光栅与铠装缆连接所用夹具的夹片结构示意图；

图3(b)为光栅与铠装缆连接所用夹具的基座结构示意图；

图4是装配完成后液位计的整体结构示意图；

其中，1金属膜片、2金属毛细管、3压力光纤光栅、4温度补偿光纤光栅、5第一开槽毛细管、6第二开槽毛细管、7双仓金属结构架、8夹具、9热固化胶、10铜筛、11标准格兰接头、12铠装缆、13O型密封圈、14外筒。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的说明。

本发明公开了一套完整光纤光栅液位计的液位监测系统，如图1所示，包括：波长解调仪(内含激光器)、光纤光栅液位传感器和上位机解调系统。

波长解调仪为传感器提供光源和采集传感器获得的液位信号。

上位机解调系统通过对采集的数据进行计算，还原出液位信息并予以显示。

光纤光栅传感器部分作为整个监测系统的关键，首先选择挠度较小的金属平膜片直接感受水压的变化，在金属膜片1中央小硬心部分将压力光纤光栅3与膜片永久固定，使水压变化等比例传导于压力光纤光栅3。而温度补偿光纤光栅4并不受压力传导的影响，并且与压力光纤光栅3处于同一温度场中，实现对压力光纤光栅3中因温度敏感产生应变的消除。

本发明提出了一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，如图2所示，包括：双仓金属结构架7，双仓金属结构架7内部设有间隔壁，间隔壁将双仓金属结构架7分成压力仓和温度仓；压力仓远离间隔壁的一端设有金属膜片1，压力仓内设有压力光纤光栅3，温度仓内设有温度补偿光纤光栅4；压力光纤光栅3的一端连接金属膜片1，另一端经过预拉伸穿过间隔壁与温度补偿光纤光栅4一端熔接；温度补偿光纤光栅4另一端穿过双仓金属结构架7与信号采集装置连接。

金属膜片1通过激光焊接与双仓金属结构架7紧密固定形成周边夹紧结构，膜片中央与金属毛细管2焊接形成中央硬心；压力光纤光栅3和温度补偿光纤光栅4剥除涂覆层后通过光纤熔接在一起并分别穿过第一开槽毛细管5、第二开槽毛细管6，通过填胶粘接相连；第一开槽毛细管5和第二开槽毛细管6在双仓金属结构架7开槽位置处通过填充热固化胶9使液位计整个内部结构构成一个整体；夹具8和铠装缆12将光栅尾纤保护并固定在双仓金属结构架7上；夹具8结构如图3(a)和图3(b)所示。外筒14和双仓金属结构架7通过螺纹槽衔接，内嵌防水密封圈；通过标准格兰接头11将铠装缆12与外筒14紧密连接，并具有防水密封性。

本发明中通过金属毛细管2与金属膜片1相连的压力光纤光栅3定义为应力光栅，它通过预拉伸后在第二开槽毛细管6位置处与金属结构架连接；温度补偿光纤光栅4定义为温补光栅，它不受预拉伸作用保持适度自由状态，通过第一开槽毛细管5固定在金属结构架顶端。当水压作用于金属膜片1时，金属膜片1产生的形变线性传导于应力光栅，导致应力光栅的波长发生漂移，漂移量与水压成线性关系，温补光栅处于适度自由状态仅对温度变化敏感。由于应力光栅和温补光栅处于同一温度场中，双光栅对温度的敏感变化一致，因此温补光栅对温度的变化量可用于抵消应力光栅对温度的变化量，使应力光栅的波长漂移量仅剩水压作用的结果。该结构设计解决了应力光栅的温度交叉敏感问题，使应力光栅波长的变化量线性反映出水压的变化从而实时准确获得液位信息。

采用本发明制作的光纤光栅液位计具有实时准确性和长久稳定性。该结构中光栅与金属结构间用热固化环氧树脂胶粘接，胶水通过添加石英粉后使光栅与金属间的热膨胀系数接近。金属膜片1与双仓金属结构架7通过激光紧密焊接，整个内部结构形成一个有效的整体。另一方面如图2所示的双仓金属结构架7通过螺纹与液位计外筒14紧密衔接，双仓金属结构架7与外筒14间加O型密封圈13，有效保证液位计的防水密封性能。整体上使光栅液位传感器处于长久稳定工作状态。整个装配过程简单快速且成本较低，易于批量生产。

为了对本光纤光栅液位传感器获取的液位信息进行准确的计算和结果显示，根据解调仪采集的波长信息开发了上位机解调系统，具体的实现方式如下：

1)在传感器放入水下前首先对系统进行标定，主要是得到应力光栅的初始波长数据λ₀。

2)将传感器放入水中静置5min，读取温度光栅的波长作为初始温度光栅波长的标定λ_T0。

3)得到双光栅的波长后按以下公式进行计算：

H＝((λ-λ₀)-(λ_T-λ_T0)*K_T)/K

其中，波长λ和λ_T为传感器浸入水中后获得的实时波长，K_T是为了消除光栅温度交叉敏感影响的补偿因子，该系数通过对传感器做温度敏感实验获得。K为水压灵敏度系数，它通过液位传感器的水压敏感实验获得。从公式可看出该技术方案很好的消除温度漂移对液位的影响，实现对液位的实时精确监测。

金属膜片1为小挠度平膜片或波纹膜片，材料为铍铜、不锈钢316L、或其他性能相类似的弹性合金材料；金属毛细管2为的标准件；压力光纤光栅3和温度补偿光纤光栅4均为布拉格光栅；双仓金属结构架7材料为黄铜或不锈钢；热固化胶9为环氧树脂353ND；标准格兰接头11材料为不锈钢；外筒14的材料为不锈钢。

整个制作过程包括以下步骤：

1)将15mm长的金属毛细管2与金属膜片1通过激光焊接在一起。金属膜片1与双仓金属结构架7通过激光焊接在一起。

2)选取两个布拉格光栅，在紧邻栅区的一侧剥除涂覆层后通过熔接机相互熔接一体，熔接区长度20mm。

3)在应力光栅的另一侧留40mm处剥除涂覆层，并通过环氧树脂胶353ND与金属毛细管2粘接在一起；在双光栅的熔接区通过353ND与第二开槽毛细管6粘接在一起；在温补光栅的另一端裸纤套上松套管20cm，将靠近栅区一端的裸纤预留部分剥除涂覆层后通过353ND与第一开槽毛细管5(40mm)粘接在一起，一并放入85度恒温箱待固化后取出。

4)应力光栅的预拉伸。将双仓金属结构架7固定在光学平台调整架上，第一开槽毛细管5用于夹持；水平移动光学调整架使应力光栅得到拉伸，拉伸的长度与液位的量程有关；待拉伸过程结束后，用夹具8--固定住第一开槽毛细管5。取出双仓金属结构架7在第一开槽毛细管5的位置处填充带有石英粉的353ND胶，然后放入85C°恒温箱，

待胶固化后取出。

5)松开在开槽毛细管处的夹具8，在其于双仓金属结构架7的结合处填充353ND胶，放入85C°恒温箱，待胶固化后取出。

6)光栅与铠装缆12的连接。将带有松套管的尾纤与铠装缆12的一芯通过光纤熔接机连接在一起，拉伸移动缆的铠装部分至双仓金属结构架7的顶端。再用夹具88—把铠装缆12与双仓金属结构架7用螺丝固定在一起。

7)装配。将铜筛10与外筒14底部通过螺丝固定，避免泥沙接触膜片；将带有铠装缆12的双仓金属结构架7与外筒14通过螺纹槽旋紧，金属结构架底座内嵌O型密封圈13，起到防水密封的作用。铠装缆12通过标准格兰接头11与外筒14紧密相连，保证整个装置的防水密封性能。至此完成液位传感器的整个制作过程。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，包括：双仓金属结构架，所述双仓金属结构架内部设有间隔壁，所述间隔壁将双仓金属结构架分成压力仓和温度仓；所述压力仓远离间隔壁的一端设有金属膜片，所述压力仓内设有压力光纤光栅，所述温度仓内设有温度补偿光纤光栅；所述压力光纤光栅的一端连接金属膜片，另一端经过预拉伸穿过间隔壁与温度补偿光纤光栅一端熔接；所述温度补偿光纤光栅另一端穿过双仓金属结构架与信号采集装置连接。

2.如权利要求1所述的一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，所述金属膜片通过激光焊接与双仓金属结构架紧密固定形成周边夹紧结构，所述金属膜片中央与金属毛细管焊接形成中央硬心，所述压力光纤光栅的一端固定在所述中央硬心上。

3.如权利要求1所述的一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，所述压力光纤光栅和温度补偿光纤光栅剥除涂覆层后通过光纤熔接在一起。

4.如权利要求1所述的一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，所述间隔壁上设有第一开槽毛细管，所述压力光纤光栅通过第一开槽毛细管与双仓金属结构架连接。

5.如权利要求1所述的一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，所述温度补偿光纤光栅通过第二开槽毛细管与双仓金属结构架连接。

6.如权利要求1所述的一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，还包括：外筒，所述外筒与双仓金属结构架通过螺纹槽衔接；外筒与双仓金属结构架之间设置O型密封圈。

7.一种光纤光栅液位监测系统，其特征在于，包括：权利要求1-6所述的任一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器、波长解调仪和上位机解调系统；

所述液位传感器、波长解调仪和上位机解调系统依次连接。

8.一种如权利要求1或者7所述的改进型双光纤光栅封装的液位传感器的液位测量方法，其特征在于，包括：

(1)在放入水中之前对液位传感器进行标定，得到压力光纤光栅的初始波长数据和温度补偿光纤光栅的波长数据；

(2)将液位传感器放入水中静置设定时间，再次读取温度补偿光纤光栅的波长作为初始温度补偿光纤光栅波长的标定；

(3)根据上述得到的波长数据，按以下公式进行计算：

H＝((λ-λ₀)-(λ_T-λ_T0)*K_T)/K；

其中，λ₀为液位传感器放入水中之前，压力光纤光栅的初始波长数据；λ和λ_T分别为液位传感器放入水中之后，压力光纤光栅和温度补偿光纤光栅获得的实时波长数据；λ_T0为液位传感器放入水中之后，温度补偿光纤光栅稳定后读取的波长数据；K_T是为了消除光栅温度交叉敏感影响的补偿因子，K为水压灵敏度系数；H为液位深度。