CN111811616A - 一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，包括外管和设置在外管内部的光纤光栅、加热管，所述光纤光栅的外侧设置有加热管，所述外管的周向设置有若干个漏油孔。本发明创新式的应用光栅中心波长位置的气体和液体导热率之间的差异变化而变化，从而确定液位高度的原理，本发明具有精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、体积小的优点，尤其是在低温测量领域具有明显优势。
Description
技术领域
本发明属于液位传感器的技术领域，具体涉及一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器。
背景技术
目前，国内的航空/航天飞行器在液体液位测量中，大多采用电容式油量传感器和浮子电阻式油量传感器。电容式液位传感器是利用空气与被测液体的介电常数不同，将液位变化转变为电容变化来测量液位高度的原理。但电容信号易受干扰、需要进行单独的温度补偿，且不能测量导电液体介质。浮子电阻式液位传感器则是采用一个足够大的浮子，由杠杆机构连接至一个恒转矩或摆锤上，通过浮子随液位的升降带动齿轮机构的转动，从而带动电刷滑动，输出不同的电阻值，达到对液位的测量。这种测量原理的传感器的缺点是体积和重量较大，测量精度低，可靠性差等。以上这些液位测量传感器在许多低温领域的测量，由于低温的影响，如燃油、液压油、滑油等液体的流动性变差，粘度增加，这几类型的传感器的测量精度和可靠性都将大幅下降，甚至出现失效的可能。本发明为了解决上述技术问题而实现的一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，具有精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、体积小的优点，尤其是在低温测量领域具有明显优势。
为了更好地实现本发明，进一步的，。
本发明主要通过以下技术方案实现：一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，包括外管、法兰安装盘、转接板以及设置在外管内部的光纤光栅、加热管，所述光纤光栅的外侧设置有加热管，所述外管的周向设置有若干个漏油孔；所述外管的一端安装有法兰安装盘，且法兰安装盘靠近外管的一端内部安装有转接板，所述转接板上安装有光纤连接器和电源连接器，所述光纤光栅的顶部与光纤连接器，所述加热管与电源连接器连接。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述加热管为螺旋状结构。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述加热管按3mm螺距进行螺旋状紧密排列。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述连接板内嵌入安装有光纤连接器，并采用玻璃烧结的方法安装电源连接器。
为了更好地实现本发明，进一步的，还包括法兰安装盘，所述外管的一端与法兰安装盘连接，且法兰安装盘内从上至下依次设置有光纤调制解调板和加热脉冲控制板。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述加热脉冲控制板的电路包括微控制器以及分别与微控制器连接的线性稳压芯片、场效应管、LED指示灯和数码管；所述线性稳压芯片为整个电路提供电压；所述微控制器引脚输出PWM，用于控制场效应管的通断。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述微控制器的型号为N76E003AT20、线性稳压芯片的型号为LM317、场效应管的型号为AOD4184。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述法兰安装盘的一侧安装有电连接器，所述电连接器与光纤调制解调板连接，所述法兰安装盘的顶部设置有盖板。
为了更好地实现本发明，进一步的，所述外管圆周上均匀设置有16个漏油孔。
本发明中的光纤光栅温度传感器阵列是通过在一根光纤上采用准分子激光写入的方式，利用专用设备控制激光移动，对石英光纤进行刻制，形成光纤光栅，当周期满足布拉格条件时，作用到光栅上的温度应变会改变光纤光栅的有效折射率和光栅周期的大小。如图6所示，应变对光纤光栅布拉格波长的影响可以用下式表示：
ΔλB＝2·Δneff·Λ+2·neff·ΔΛ
其中λB是光纤布拉格波长，neff是光纤纤芯的折射率，Λ为光栅周期。
本发明的工作原理如下：
如图7所示，当对碳纤维管丝进行加热时，由于气体和液体的导热率之间的差异，因此气体区域的加热速率(dTG/dt)远大于液体的加热速率(dTT/dt)。
如图8所示，当气体和液体的两个区域内的电热丝同时加热时，气体介质的低导热率会导致热量在加热碳纤维管周围区域驻留，因此气体介质温度升高的速率比液体介质快得多，而这种温度变化的差异可以被同一区域布设的光纤光栅温度传感阵列准确获取。
同样的，当系统对碳纤维管停止加热时，气体区域和液体区域的温度降低的变化速率也会显著不同。在散热状态下，剩余热量在液体中被吸收的速率是在气体中被吸收速率的近20倍。
因此通过测量每个光栅温度传感器的波长随温度变化速率，而相邻两个光栅波长变化速率差异最大的位置就对应了测量燃油的液面和空气的交界位置，从而准确的确定液位的高度。
本发明的有益效果：
(1)测量精度高。本发明创新式的应用光栅中心波长位置的气体和液体导热率之间的差异变化而变化，从而确定液位高度的原理，本发明具有精度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、重量轻、体积小的优点，尤其是在低温测量领域具有明显优势。在石英光纤上写入高密度光纤光栅温度传感器并组成阵列，分辨率达到0.5mm，测量精度可达±1mm。
(2)体积小、重量轻。本发明基于温度测量的光纤液位传感器，全部采用轻质化材料，相较于同类型的电容式液位传感器重量轻70％以上。
(3)低温液体介质测量效果好。本发明基于温度测量的光纤液位传感器可以在温度极低的环境中使用，液体在极低环境下粘度增加，而本发明的测量原理是依据气体和液体导热率之间的差异，进行测量，具有原理上的测量优势。
(4)结构简单、安装方便。本发明基于温度测量的光纤液位传感器在结构上为一圆柱状，密闭结构，可更换测量单元，易于标准化生产制造。
(5)抗电磁兼容。本发明基于温度测量的光纤液位传感器主要是光信号的传导，可在复杂的电磁环境下使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为转接板的结构示意图；
图3为外管的结构示意图；
图4为加热脉冲控制原理框图；
图5为光线调制解调板的原理框图；
图6为外界温度变化后的布拉格波长偏移示意图；
图7为加热过程气体和液体吸热速率示意图；
图8为散热过程气体和液体释热速率示意图。
其中：1-电连接器、2-法兰安装盘、3-盖板、4-接线柱、5-光纤调制解调板、6-加热脉冲控制板、7-螺塞、8-转接板、9-密封垫、10-螺纹套管、11-外管、12-加热管、13-光纤光栅、14-底板、16-光纤连接器、17-接线杆。
具体实施方式
实施例1：
一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，如图3所示，包括外管11和设置在外管11内部的光纤光栅13、加热管12，所述光纤光栅13的外侧设置有加热管12，所述外管11的周向设置有若干个漏油孔。如图1、图2所示，所述外管11的一端安装有转接板8，所述转接板8上安装有光纤连接器16和电源连接器，所述光纤光栅13的顶部与光纤连接器16，所述加热管12与电源连接器连接。
如图7所示，当对碳纤维管丝进行加热时，由于气体和液体的导热率之间的差异，因此气体区域的加热速率(dTG/dt)远大于液体的加热速率(dTT/dt)。
如图8所示，当气体和液体的两个区域内的电热丝同时加热时，气体介质的低导热率会导致热量在加热碳纤维管周围区域驻留，因此气体介质温度升高的速率比液体介质快得多，而这种温度变化的差异可以被同一区域布设的光纤光栅13温度传感阵列准确获取。
同样的，当系统对碳纤维管停止加热时，气体区域和液体区域的温度降低的变化速率也会显著不同。在散热状态下，剩余热量在液体中被吸收的速率是在气体中被吸收速率的近20倍。因此通过测量每个光栅温度传感器的波长随温度变化速率，而相邻两个光栅波长变化速率差异最大的位置就对应了测量燃油的液面和空气的交界位置，从而准确的确定液位的高度。
本发明创新式的应用光栅中心波长位置的随体和液体导热率之间的差异变化而变化，从而确定液位高度的原理。在石英光纤上写入高密度光纤光栅13温度传感器并组成阵列，分辨率达到0.5mm，测量精度可达±1mm。
实施例2：
本实施例是在实施例1的基础上进行优化，使用一根满足测量量程的石英光纤，采用准分子激光写入的方式，利用专用设备控制激光移动，对石英光纤进行刻制，形成光纤光栅13，每个光纤光栅13的中心波长为1550nm，每隔0.5mm写入一串密集的光纤光栅13温度传感器阵列。使用硬铝合金制备厚度为3.5mm厚，外径为Φ8mm，台阶为Φ5mm，高度为1mm的转接板8，在其上安装光纤连接器16和电源连接器，用于光信号的传递和碳纤维管的加热。
使用聚酰亚胺管材制成外径为8mm，壁厚为1mm，并在外管11圆周上均匀加工16个漏油孔，以便碳纤维管更好的对光纤光栅13温度传感器进行温度调制。外管11的另一端为12mm，厚度为1.5的台阶，用于装配固定。
光纤光栅13的一端连接在底板14上，另一端连接在转接板8的光纤连接上，碳纤维管绕制成螺旋状，通过高温环氧树脂进行黏合在聚酰亚胺外管11上，使光纤光栅13温度传感器从中间穿过，在加热/散热时受热均匀。底板14用弹性橡胶密封剂来固定光纤光栅13传感器的末端，并使用乐泰高强度密封胶将其固定在聚酰亚胺外管11。
本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例是在实施例1或2的基础上进行优化，如图1所示，还包括法兰安装盘2，所述外管11的一端与法兰安装盘2连接，且法兰安装盘2内从上至下依次设置有光纤调制解调板5和加热脉冲控制板6。所述法兰安装盘2的内部设置有接线柱4，所述法兰安装盘2通过螺纹套管10与外管11的顶部连接，所述转接板8通过螺塞7安装在法兰盘靠近外管11的一端内部，且转接板8与法兰安装盘2之间设只有密封垫9。所述法兰安装盘2的一侧安装有电连接器1，所述电连接器1与光纤调制解调板5连接，所述法兰安装盘2的顶部设置有盖板3。
本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例是在实施例3的基础上进行优化，加热脉冲控制板6主要用于光纤光栅13温度传感器中碳纤维管的电压驱动和控制，加热控制单元向加热丝提供电压为5～36V，电流为15mA的直流电，通过对其进行周期性加热或关断，加热周期为2s，散热周期为6s。当进行加热时，LED1指示灯亮，数码管对加热时间进行倒计时；当停止加热时，LED1指示灯灭，数码管对停止加热时间进行倒计时。整个过程为一个周期，一个周期用来测量一次液位。
由于要精确获得加热和散热周期内，光纤光栅13温度传感器波长的偏移速率，如图4所示，因此设计的脉冲加热控制器电路主要由微控制器N76E003AT20、线性稳压芯片LM317、场效应管AOD4184、LED指示灯、数码管组成。线性稳压芯片为整个电路提供5V电压，利用微控制器编程，微处理器引脚输出PWM，控制MOS管的通断。当MOS管导通时，给碳加热管12两端加电压，处于加热状态；当MOS管断开时，碳加热管12两端没有电压，处于停止加热状态。控制微处理器的加热计数时间，为PWM的正脉冲数；以及停止加热计数时间，为PWM的负脉冲数，即控制PWM正负脉冲数。控制指令可调整加热/散热的周期。
本实施例的其他部分与上述实施例3相同，故不再赘述。
实施例5：
本实施例是在实施例3的基础上进行优化，如图5所示，光纤调制解调板5是经光电探测器后，干涉光信号转换为电信号，由低通滤波器取其差频信号，并在基于FPGA和DSP的数字处理模块中进行分析。在已知光纤中光速和扫频速率的前提下，利用线性扫频光源，测得的拍频信号频率通过傅里叶反变换，就可映射为物理距离和反射信号强度之间的关系，而拍频信号功率则反应了其相应反射点的反射率，而光纤上任何一点的温度变化都可以都通过该信号光反射率变化获得，从而实现对光纤上温度变化位置的高灵敏度检测和高空间定位。转接板8上面的接线杆17的一端连接加热管12的正负极，另一端连接在加热控制板的正负极上，光纤光栅13则连接在转接部件的光纤连接器16上，另一端连接在光纤调制解调板5的光口处。
本实施例的其他部分与上述实施例3相同，故不再赘述。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，其特征在于，包括外管（11）、法兰安装盘（2）、转接板（8）以及设置在外管（11）内部的光纤光栅（13）、加热管（12），所述光纤光栅（13）的外侧设置有加热管（12），所述外管（11）的周向设置有若干个漏油孔；所述外管（11）的一端安装有法兰安装盘（2），且法兰安装盘（2）靠近外管（11）的一端内部安装有转接板（8），所述转接板（8）上安装有光纤连接器（16）和电源连接器，所述光纤光栅（13）的顶部与光纤连接器（16），所述加热管（12）与电源连接器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，其特征在于，所述加热管（12）为螺旋状结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，其特征在于，所述加热管（12）按3mm螺距进行螺旋状紧密排列。
4.根据权利要求1所述的一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，其特征在于，所述连接板内嵌入安装有光纤连接器（16），并采用玻璃烧结的方法安装电源连接器。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，其特征在于，还包括法兰安装盘（2），所述外管（11）的一端与法兰安装盘（2）连接，且法兰安装盘（2）内从上至下依次设置有光纤调制解调板（5）和加热脉冲控制板（6）。
6.根据权利要求5所述的一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，其特征在于，所述加热脉冲控制板（6）的电路包括微控制器以及分别与微控制器连接的线性稳压芯片、场效应管、LED指示灯和数码管；所述线性稳压芯片为整个电路提供电压；所述微控制器引脚输出PWM，用于控制场效应管的通断。
7.根据权利要求6所述的一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，其特征在于，所述微控制器的型号为N76E003AT20、线性稳压芯片的型号为LM317、场效应管的型号为AOD4184。
8.根据权利要求5所述的一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，其特征在于，所述法兰安装盘（2）的一侧安装有电连接器（1），所述电连接器（1）与光纤调制解调板（5）连接，所述法兰安装盘（2）的顶部设置有盖板（3）。
9.根据权利要求1所述的一种基于气液导热率差异化测量的光纤液位传感器，其特征在于，所述外管（11）圆周上均匀设置有16个漏油孔。
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| CN113009617A (zh) * | 2021-02-01 | 2021-06-22 | 田江明 | 一种光纤光栅信号解调装置及解调方法 |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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