CN108759983A - 一种开腔压差式光纤法珀液位传感器及其液位测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种开腔压差式光纤法珀液位传感器及其液位测量方法，该传感器包括由单晶硅膜片(1)、圆管状的高硼硅玻璃套管(2)、圆柱形的D型高硼硅玻璃管(3)和光纤(4)以及所构成的一个法珀腔(8)，其中：所述单晶硅膜片(1)作为弹性膜片，用于感受压力；所述高硼硅玻璃套管(2)、D型高硼硅玻璃管(3)同时作为传感器的支撑结构和光纤(4)的容纳结构，通孔(7)使法珀腔(8)与外界连通；光纤端面与D型高硼硅玻璃(3)管端面持平；法珀腔腔长6与单晶硅膜片中心位置的形变量的关系式为：LP＝L‑ω。本发明提出的传感器具有良好的线性响应度以及温度稳定性，可用于高精度液位测量。
Description
技术领域
本发明涉及于光纤传感领域，特别是涉及一种具有敞开式F-P腔结构的压差式光纤液位传感器及其液位测量方法。
背景技术
液位测量在工业和日常生活应用中发挥着重要作用。传统的电气传感器在导电、易燃、易爆以及腐蚀性强的恶劣环境下不能满足液位测量要求。与电气传感器相比，光纤传感器重量轻，抗电磁干扰，灵敏度高，并且可以多路复用。
近年来，已经提出了多种类型的光纤传感器来实现液位测量，以光栅为核心的传感器如光纤布拉格光栅，长周期光栅、倾斜光纤布拉格光栅和法布里-珀罗传感器，由于对温度敏感而导致了测量范围不广。光纤法珀压力传感器虽然具有较宽的测量范围，可灵活设计、具有广泛的应用范围；但是在其封闭结构的FP腔体中会存在残留气体。残余气体会在隔膜的内表面上产生的压力受到温度的影响，成为不希望的压力，会削弱传感器的温度稳定性。封闭结构FPI传感器中膜片外侧的压力是液体和其上方空气的压力，因此空气压力会影响液位测量。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种开腔压差式光纤法珀液位传感器及其液位测量方法，通过两个不同规格的玻璃套管的组合，将法珀腔与外界联通，以消除残留气体的影响，同时构成压差式传感结构。当环境温度升高时，没有残留气体的热膨胀引起的误差，从而显着降低温度压力交叉敏感性。
本发明的一种开腔压差式光纤法珀液位传感器，该传感器包括由单晶硅膜片1、圆管状的高硼硅玻璃套管2、圆柱形的D型高硼硅玻璃管3和光纤4以及所构成的一个法珀腔8，其中：所述单晶硅膜片1作为弹性膜片，用于感受压力；所述高硼硅玻璃套管2、D型高硼硅玻璃管3同时作为传感器的支撑结构和光纤4的容纳结构；其中：
高硼硅玻璃套管2和单晶硅膜片1贴紧；D型高硼硅玻璃管3与单晶硅膜片1非接触，D型高硼硅玻璃管3外径与高硼硅玻璃套管2内径相同；光纤4从D型高硼硅玻璃管3中穿过，D型高硼硅玻璃管3外侧具有一个与轴平行的平面，插入高硼硅玻璃套管2后，与轴平行的平面与高硼硅玻璃套管2内壁构成一个轴向的通孔7；通孔7使法珀腔8与外界连通；光纤端面与D型高硼硅玻璃3管端面持平；
所述光纤4的端面和单晶硅膜片1的内表面形成法珀腔8的两个反射面，光纤4与单晶硅膜片1的距离决定了单晶硅膜片不发生形变时法珀腔8的初始腔长6。
本发明的利用一种开腔压差式光纤法珀传感器的液位测量方法，该测量方法包括以下步骤：
经过光纤4输出的一部分光在光纤端面上发生第一次反射，形成反射参考光9，其余部分光传播到膜片1内表面上发生第二次反射，形成反射传感光10；
反射参考光9耦合到光纤4中，与反射传感光10叠加，形成干涉；
干涉信号中包含光程差信息，该光程差是对应腔长的2倍；当膜片1上的液体压力发生变化时，膜片1发生偏转，从而导致干涉信号的变化和法珀腔8腔长的变化；
依据液位与液压的关系式和液压与单晶硅膜片中心位置的形变量的关系式：
P＝ρgh
其中，P表示液压，ρ表示液体密度，g表示重力加速度，h表示液位高度度；ω表示单晶硅膜片中心位置的形变量，a表示膜片半径，d表示膜片厚度，γ表示泊松比，E表示杨氏模量；
得到，法珀腔腔长6与单晶硅膜片中心位置的形变量的关系式为：
LP＝L-ω
其中，L表示初始腔长，LP表示液压作用下的腔长；ρ、g，a，d，γ，E，L均为已知，因此通过测量法珀腔腔长即得到液位信息。
与现有技术相比，本发明的一种开腔压差式光纤法珀液位传感器及其液位测量方法，具有良好的线性响应度以及温度稳定性，可用于高精度液位测量；并且，由于制造过程中不涉及加热，所以传感器制造简单并且不同材料之间不存在热应力。
附图标记
图1为本发明的开腔压差式光纤法珀液位传感器结构示意图，(a)主视图，(b)仰视图；
图2为本发明的开腔压差式光纤法珀液位传感器处于内外压力共同作用下的受力图；
图3为将本发明的开腔压差式光纤法珀液位传感器应用于液体储存罐的液位高度传感时结构示意图；
图4为本发明的开腔压差式光纤法珀液位传感器的实验室测试装置图；
图5为本发明的开腔压差式光纤法珀液位传感器的实验室测试装置中的解调装置示意图；
图6为本发明的开腔压差式光纤法珀液位传感器的实验室测试结果，其中(a)为10℃-40℃条件下，0.5MPa-1.3MPa压力范围的压力响应曲线图，(b)为以10℃下数据为基准，各温度下的平均温度漂移误差；
附图标记：1、单晶硅膜片，2、高硼硅玻璃套管，3、D型高硼硅玻璃管，4、光纤，5、胶，6、单晶硅膜片不发生形变时法珀腔(8)的初始腔长，7、通孔，8、法珀腔，9、反射参考光，10、反射传感光，11、腔内压力，12、腔外压力，13、大气压力，14、液压，15、开腔压差式光纤法珀液位传感器，16、油压控制器，17、温箱，18、光源，19、解调设备，20、油压延长管，21、光纤跳线，22、环形器，23、柱面镜，24、起偏器，25、光楔，26、检偏器，27、线阵CCD。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。
如图1所示，本发明的开腔压差式光纤法珀液位传感器包括由单晶硅膜片1、高硼硅玻璃套管2、D型高硼硅玻璃管3和光纤4构成的一个法珀腔8。单晶硅膜片1用作弹性膜片，感受压力。高硼硅玻璃套管(2)和单晶硅膜片(1)贴紧，D型高硼硅玻璃管(3)不与单晶硅膜片(1)接触，光纤(4)从D型高硼硅玻璃管(3)中穿过，光纤端面与D型高硼硅玻璃(3)管端面持平，光纤(4)种类包括单模光纤和多模光纤；
高硼硅玻璃套管(2)、D型高硼硅玻璃管(3)用作传感器的支撑结构和传输光纤的容纳结构，高硼硅玻璃套管(2)形状为圆管状，D型高硼硅玻璃管(3)形状为圆柱形，外径与高硼硅玻璃套管(2)内径相同，圆柱外侧磨出一个与轴平行的平面，插入高硼硅玻璃套管(2)后平面与高硼硅玻璃套管(2)内壁组成轴向通孔(7)；高硼硅玻璃套管(2)、D型高硼硅玻璃管(3)组合构成的通孔(7)使法珀腔(8)与外界连通；光纤(4)的端面和单晶硅膜片(1)的内表面形成法珀腔(8)的两个反射面，光纤(4)与单晶硅膜片(1)的距离决定了单晶硅膜片不发生形变时法珀腔(8)的初始腔长(6)。
如图2所示，本发明的开腔压差式光纤法珀液位传感器处于内外压力共同作用下的受力图，经过光纤4输出的一部分光在光纤端面上发生第一次反射，形成反射参考光9；其余部分光传播到膜片1内表面上发生第二次反射，形成反射传感光10；反射参考光9耦合到光纤4中，与反射传感光10叠加，形成干涉。干涉信号中包含光程差信息，该光程差是对应腔长的2倍。当膜片1上的液体压力发生变化时，膜片1发生偏转，从而导致干涉信号的变化和法珀腔(8)腔长的变化。
法珀腔8与外界连通时，腔内气压与外界相同，影响传感器温度稳定性的主要因素为高硼硅玻璃和单晶硅的热膨胀以及单晶硅的杨氏模量的温度响应，由温度引起的腔长变化表示为：
ΔL＝αLΔT-ω(αωΔT-βωΔT)；
其中，α、αω、βω、L，ω分别表示高硼硅玻璃的线性膨胀系数、单晶硅的线性膨胀系数、单晶硅的杨氏模量的温度系数。
室温下，α、αω、βω的取值分别为3.3*10^-6/K、2.3*10^-6/K和-64.73*10^-6/K，初始腔长6以及单晶硅膜片1中心位置的形变量分别是：初始腔长6的长度变化百分比为0.00033％/K，单晶硅膜片形变量的长度变化百分比为0.006703％/K，传感器的温度敏感度非常低。
液位与液压的关系可表示为P＝ρgh，其中P表示液压，ρ表示液体密度，g表示重力加速度，h表示液位高度度；
液压与单晶硅膜片中心位置的形变量的关系式为
其中，ω表示单晶硅膜片中心位置的形变量，a表示膜片半径，d表示膜片厚度，γ表示泊松比，E表示杨氏模量；
法珀腔腔长6与单晶硅膜片中心位置的形变量的关系表示为
LP＝L-ω
其中，L表示初始腔长(6)LP表示液压作用下的腔长；ρ、g，a，d，γ，E，L均为已知，因此通过测量法珀腔腔长即可得到液位信息。
通过两个不同规格的高硼硅玻璃套管的组合，将法珀腔与外界联通，以消除残留气体的影响，同时构成压差式传感结构。环境温度升高时，没有残留气体的热膨胀引起的误差，从而显着降低温度压力交叉敏感性。由于制造过程中不涉及加热，所以传感器制造简单并且不同材料之间不存在热应力。
如图4所示，为实验室环境下开腔压差式光纤法珀液位传感器的测试系统的示意图，测试系统由油压控制器16、油压延长管20、开腔压差式光纤法珀液位传感器15、温箱17、光纤跳线21、环形器22、光源18、解调设备19组成。测试过程为：将开腔压差式光纤法珀液位传感器15和与之相连的油压延长管20、光纤跳线21放置在温箱17中；油压控制器16产生油压力经过油压延长管20作用在开腔压差式光纤法珀液位传感器15上；光源18产生低相干光信号，经过光纤跳线21和环形器22传输到开腔压差式光纤法珀液位传感器15，返回的干涉光信号经过光纤跳线21和环形器22传输到解调设备19，经过解调即可获得干涉信号的相位信息和对应的法珀腔长信息。
如图5所示，本发明的开腔压差式光纤法珀液位传感器的实验室测试装置中的解调装置图，其中：解调装置19包括柱面镜23、起偏器24、光楔25、检偏器26及线阵CCD27。柱面镜23使光纤出射的光信号聚焦在线阵CCD27的感光元件处。起偏器24及检偏器26为偏振片，偏振方向相互垂直，光楔25为α-BBO晶体，光轴方向与起偏器24、检偏器26偏振方向夹45°角。柱面镜23、起偏器24、光楔25、检偏器26以及线阵CCD27在同一水平位置，线性排列。经过传感器回传，经光纤出射的干涉光信号经柱面镜23聚焦后，经过起偏器24形成线偏振光，线偏振光在光楔25中平均分解为o光和e光，分别在光楔25中传输，由于光楔25中o光和e光具有不同的折射率，经过同一厚度的α-BBO晶体后o光和e光光程不一样，产生光程差，在检偏器26处o光和e光相叠加，照射在线阵CCD27上。在光楔25内产生的光程差和传感器内产生的光程差相等时会在线阵CCD27上产生低相干干涉信号，因此线阵CCD27上采集到的信号强度的空间分布携带了传感器的腔长信息。进行实验时，设定温箱内温度，待温箱内温度稳定后，通过油压控制器控制作用在传感器上的压力大小，同时利用解调设备采集光信号并进行信号处理，最终得到传感器在该温度下的压力响应曲线。
图6为实验室环境下的测试结果，(a)为传感器在10℃，20℃，30℃，40℃下的绝对相位-压力响应曲线，各温度下均有很好的单调线性度，(b)显示了以10℃下数据为基准，其余各温度下的温度漂移。由于测量范围为0.8MPa，由温度漂移引起的测量误差低于0.09％F.S./K。说明了本发明提出的传感器具有良好的温度稳定性。
Claims (2)
1.一种开腔压差式光纤法珀液位传感器，其特征在于，该传感器包括由单晶硅膜片(1)、圆管状的高硼硅玻璃套管(2)、圆柱形的D型高硼硅玻璃管(3)和光纤(4)以及所构成的一个法珀腔(8)，其中：所述单晶硅膜片(1)作为弹性膜片，用于感受压力；所述高硼硅玻璃套管(2)、D型高硼硅玻璃管(3)同时作为传感器的支撑结构和光纤(4)的容纳结构；其中：
高硼硅玻璃套管(2)和单晶硅膜片(1)贴紧；D型高硼硅玻璃管(3)与单晶硅膜片(1)非接触，D型高硼硅玻璃管(3)外径与高硼硅玻璃套管(2)内径相同；光纤(4)从D型高硼硅玻璃管(3)中穿过，D型高硼硅玻璃管(3)外侧具有一个与轴平行的平面，插入高硼硅玻璃套管(2)后，与轴平行的平面与高硼硅玻璃套管(2)内壁构成一个轴向的通孔(7)；通孔(7)使法珀腔(8)与外界连通；光纤端面与D型高硼硅玻璃(3)管端面持平；
所述光纤(4)的端面和单晶硅膜片(1)的内表面形成法珀腔(8)的两个反射面，光纤(4)与单晶硅膜片(1)的距离决定了单晶硅膜片不发生形变时法珀腔(8)的初始腔长(6)。
2.利用权利要求1所述的开腔压差式光纤法珀液位传感器的液位测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
经过光纤(4)输出的一部分光在光纤端面上发生第一次反射，形成反射参考光(9)，其余部分光传播到膜片(1)内表面上发生第二次反射，形成反射传感光(10)；
反射参考光(9)耦合到光纤(4)中，与反射传感光(10)叠加，形成干涉；
干涉信号中包含光程差信息，该光程差是对应腔长的2倍；当膜片(1)上的液体压力发生变化时，膜片(1)发生偏转，从而导致干涉信号的变化和法珀腔(8)腔长的变化；
依据液位与液压的关系式和液压与单晶硅膜片中心位置的形变量的关系式：
P＝ρgh
其中，P表示液压，ρ表示液体密度，g表示重力加速度，h表示液位高度度；ω表示单晶硅膜片中心位置的形变量，a表示膜片半径，d表示膜片厚度，γ表示泊松比，E表示杨氏模量；
得到法珀腔腔长与单晶硅膜片中心位置的形变量的关系式为：
LP＝L-ω
其中，L表示初始腔长，LP表示液压作用下的腔长；ρ、g，a，d，γ，E，L均为已知，因此通过测量法珀腔腔长即得到液位信息。
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