CN112325983B - 一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，包括液位传感器本体，所述液位传感器本体包含第一参考臂、第一测量臂、第二测量臂、第二参考臂和第三参考臂，所述第一参考臂的上端靠近两侧的位置安装有第一测量臂和第二测量臂，所述第一测量臂的上端安装有第二参考臂，所述第二测量臂的上端安装有第三参考臂，所述第一参考臂呈U字形；所述第一测量臂和第二测量臂的外表面靠近前方的位置均设置有测量槽，该测量槽的内表面安装有洁净膜，所述洁净膜在测量槽内呈倾斜状分布；本发明公开的各个方面，可以解决现有的光纤传感器测量结果准确度低、分辨率低、灵敏度低以及检测范围小的缺陷。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器。
背景技术
光纤传感器具有几何尺寸小、耐酸碱腐蚀、耐高低温、抗电磁干扰、分辨率高、准确度高、量程大、使用寿命长、价格低、与云平台智能互联等优点，已广泛应用于物理量、化学量和生物量等参数的监测。因此采用光纤研制的光纤液位传感器同样具有上述诸多优点，使其在电力、石油、化工、冶金、环保、船舶、汽车、飞机、航天、建筑、食品等各种应用领域都同样有着广泛的应用和市场。
目前光纤液位传感器还处于实验研究阶段，还未见成熟的光纤液位传感器销售。其主要原因在于现有光纤液位传感器测量过程受环境温度、油质附着、光纤形变、光衰减不均匀等因素的影响，导致光纤传感器测量结果准确度低、分辨率低、灵敏度低、检测范围小及使用寿命受限。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器；解决的问题包括：
如何解决现有的光纤传感器测量结果准确度低、分辨率低、灵敏度低以及检测范围小的缺陷。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，包括液位传感器本体，所述液位传感器本体包含第一参考臂、第一测量臂、第二测量臂、第二参考臂和第三参考臂，所述第一参考臂的上端靠近两侧的位置安装有第一测量臂和第二测量臂，所述第一测量臂的上端安装有第二参考臂，所述第二测量臂的上端安装有第三参考臂，所述第一参考臂呈U字形；
所述第一测量臂和第二测量臂的外表面靠近前方的位置均设置有测量槽，该测量槽的内表面安装有洁净膜，所述洁净膜在测量槽内呈倾斜状分布，该测量槽的上下端均呈锲形。
作为本发明的进一步改进方案：所述第一测量臂的结构和第二测量臂的结构相同，所述液位传感器本体的后表面设置有若干个固定叶片，若干个固定叶片的内部设置有固定轴。
作为本发明的进一步改进方案：所述固定轴的下端固定安装有固定底座，若干个所述固定叶片的外表面靠近前方的位置设置有固定槽。
作为本发明的进一步改进方案：所述液位传感器本体通过固定槽与固定叶片抵接固定。
作为本发明的进一步改进方案：所述第二参考臂的上端连接有第一光纤，所述第三参考臂的上端连接有第二光纤。
作为本发明的进一步改进方案：该高分辨率光纤液位传感器的工作方法包括以下步骤：
步骤一：将液位传感器本体放置在油液中，光线通过第一光纤进入至第二参考臂时，获取光线的强度，得到第一光线强度，光线在第二参考臂内传输后进入至第一测量臂内，光线通过第一测量臂时产生第一倏逝波；
步骤二：光线通过第一测量臂后进入至第一参考臂，光线在第一参考臂内传输后进入至第二测量臂，光线通过第二测量臂时产生第二倏逝波，光线穿过第二测量臂后进入至第三参考臂；
步骤三：光线穿过第三参考臂并进入第二光纤时，得到衰减光线，衰减光线通过第二光纤继续传输；
步骤四：利用第一倏逝波和第二倏逝波进行计算，获取光线的衰减系数，利用衰减系数对第一光线强度进行计算，得到衰减光线的第二光线强度；
步骤五：利用第一光线强度和第二光线强度获取油液的测量结果。
作为本发明的进一步改进方案：利用第一倏逝波和第二倏逝波进行计算，获取光线的衰减系数，涉及的计算式为：
其中，ζ表示为衰减系数，θc表示为第一倏逝波的全反射临界角，
表示为第一倏逝波的入射角，θ'表示为第二倏逝波的入射角，n1表示为光密介质折射率，n2表示为光疏介质折射率，n1＞n2，α表示为预设的光密介质修正因子，λ表示为预设的光疏介质修正因子，r表示为光线波长。
作为本发明的进一步改进方案：利用衰减系数对第一光线强度进行计算，得到衰减光线的第二光线强度，涉及的计算式为：
Iout＝Iine-ξ*L
其中，Iout表示为第二光线强度，Iin表示为第一光线强度，L表示为测量槽的高度。
本发明公开的各个方面带来的有益效果是：
本发明公开的各个方面，通过设置的测量槽以及锲形的上下端设计，光线传输到测量槽时，会产生倏逝波，当倏逝波与油液接触时，倏逝波会产生衰减，从而导致输出的光线强度减弱，可以通过对倏逝波进行计算，获取光线在油液中传输后光强的衰减情况，测量槽采用锲形设计，能促使光纤表面发散的光线均匀泄漏，从而提高液位传感器本体测量的分辨率、准确度和灵敏度，并且液位传感器本体可以应用于不同的液体环境并进行测量，可以有效提高液位传感器本体测量的范围，洁净膜起到隔离油液达到防护的作用。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器的正面剖视图。
图2为本发明中洁净膜与液位传感器本体的连接结构图。
图3为本发明中固定轴与液位传感器本体的连接立体图。
图4为本发明中固定轴与固定叶片的俯视立体图。
图中：1、固定底座；2、固定轴；3、固定叶片；4、固定槽；5、液位传感器本体；501、第一参考臂；502、第一测量臂；503、第二测量臂；504、第二参考臂；505、第三参考臂；506、洁净膜。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-4所示，一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，包括液位传感器本体5，所述液位传感器本体5包含第一参考臂501、第一测量臂502、第二测量臂503、第二参考臂504和第三参考臂505，所述第一参考臂501的上端靠近两侧的位置安装有第一测量臂502和第二测量臂503，所述第一测量臂502的上端安装有第二参考臂504，所述第二测量臂503的上端安装有第三参考臂505，所述第一参考臂501呈U字形；
所述第一测量臂502和第二测量臂503的外表面靠近前方的位置均设置有测量槽，该测量槽的内表面安装有洁净膜506，所述洁净膜506在测量槽内呈倾斜状分布，该测量槽的上下端均呈锲形。
本发明实施例中，光线传输到测量槽时，会产生倏逝波，当倏逝波与油液接触时，倏逝波会产生衰减，从而导致输出的光线强度减弱，测量槽采用锲形设计，能促使光纤表面发散的光线均匀泄漏，从而提高液位传感器本体5的分辨率、检测范围和灵敏度。
所述第一测量臂502的结构和第二测量臂503的结构相同，所述液位传感器本体5的后表面设置有若干个固定叶片3，若干个固定叶片3的内部设置有固定轴2。
所述固定轴2的下端固定安装有固定底座1，若干个所述固定叶片3的外表面靠近前方的位置设置有固定槽4。
所述液位传感器本体5通过固定槽4与固定叶片3抵接固定。
所述第二参考臂504的上端连接有第一光纤，所述第三参考臂505的上端连接有第二光纤。
该高分辨率光纤液位传感器的工作方法包括以下步骤：
步骤一：将液位传感器本体5放置在油液中，光线通过第一光纤进入至第二参考臂504时，获取光线的强度，得到第一光线强度，光线在第二参考臂504内传输后进入至第一测量臂502内，光线通过第一测量臂502时产生第一倏逝波；
步骤二：光线通过第一测量臂502后进入至第一参考臂501，光线在第一参考臂501内传输后进入至第二测量臂503，光线通过第二测量臂503时产生第二倏逝波，光线穿过第二测量臂503后进入至第三参考臂505；
步骤三：光线穿过第三参考臂505并进入第二光纤时，得到衰减光线，衰减光线通过第二光纤继续传输；
步骤四：利用第一倏逝波和第二倏逝波进行计算，获取光线的衰减系数，利用衰减系数对第一光线强度进行计算，得到衰减光线的第二光线强度；
步骤五：利用第一光线强度和第二光线强度获取油液的测量结果。
本发明实施例中，获取第三参考臂505输出的衰减光线的衰减量，利用衰减量实现对油液的准确测量。
利用第一倏逝波和第二倏逝波进行计算，获取光线的衰减系数，涉及的计算式为：
其中，ζ表示为衰减系数，θc表示为第一倏逝波的全反射临界角，
表示为第一倏逝波的入射角，θ'表示为第二倏逝波的入射角，n1表示为光密介质折射率，n2表示为光疏介质折射率，n1＞n2，α表示为预设的光密介质修正因子，λ表示为预设的光疏介质修正因子，r表示为光线波长；其中，光密介质为油液，光疏介质为测量槽。
利用衰减系数对第一光线强度进行计算，得到衰减光线的第二光线强度，涉及的计算式为：
Iout＝Iine-ξ*L
其中，Iout表示为第二光线强度，Iin表示为第一光线强度，L表示为测量槽的高度。
本发明实施例的工作原理：通过设置的测量槽以及锲形的上下端设计，光线传输到测量槽时，会产生倏逝波，当倏逝波与油液接触时，倏逝波会产生衰减，从而导致输出的光线强度减弱，可以通过对倏逝波进行计算，获取光线在油液中传输后光强的衰减情况，测量槽采用锲形设计，能促使光纤表面发散的光线均匀泄漏，从而提高液位传感器本体5测量的分辨率、准确度和灵敏度，并且液位传感器本体5可以应用于不同的液体环境并进行测量，可以有效提高液位传感器本体5测量的范围，洁净膜506起到隔离油液达到防护的作用。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以及特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。此外，“第一”、“第二”仅由于描述目的，且不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (8)
1.一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，其特征在于，包括液位传感器本体(5)，所述液位传感器本体(5)包含第一参考臂(501)、第一测量臂(502)、第二测量臂(503)、第二参考臂(504)和第三参考臂(505)，所述第一参考臂(501)的上端靠近两侧的位置安装有第一测量臂(502)和第二测量臂(503)，所述第一测量臂(502)的上端安装有第二参考臂(504)，所述第二测量臂(503)的上端安装有第三参考臂(505)，所述第一参考臂(501)呈U字形；
所述第一测量臂(502)和第二测量臂(503)的外表面靠近前方的位置均设置有测量槽，该测量槽的内表面安装有洁净膜(506)，所述洁净膜(506)在测量槽内呈倾斜状分布，该测量槽的上下端均呈锲形。
2.根据权利要求1所述的一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，其特征在于，所述第一测量臂(502)的结构和第二测量臂(503)的结构相同，所述液位传感器本体(5)的后表面设置有若干个固定叶片(3)，若干个固定叶片(3)的内部设置有固定轴(2)。
3.根据权利要求2所述的一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，其特征在于，所述固定轴(2)的下端固定安装有固定底座(1)，若干个所述固定叶片(3)的外表面靠近前方的位置设置有固定槽(4)。
4.根据权利要求3所述的一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，其特征在于，所述液位传感器本体(5)通过固定槽(4)与固定叶片(3)抵接固定。
5.根据权利要求1所述的一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，其特征在于，所述第二参考臂(504)的上端连接有第一光纤，所述第三参考臂(505)的上端连接有第二光纤。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，其特征在于，该高分辨率光纤液位传感器的工作方法包括以下步骤：
步骤一：将液位传感器本体(5)放置在油液中，光线通过第一光纤进入至第二参考臂(504)时，获取光线的强度，得到第一光线强度，光线在第二参考臂(504)内传输后进入至第一测量臂(502)内，光线通过第一测量臂(502)时产生第一倏逝波；
步骤二：光线通过第一测量臂(502)后进入至第一参考臂(501)，光线在第一参考臂(501)内传输后进入至第二测量臂(503)，光线通过第二测量臂(503)时产生第二倏逝波，光线穿过第二测量臂(503)后进入至第三参考臂(505)；
步骤三：光线穿过第三参考臂(505)并进入第二光纤时，得到衰减光线，衰减光线通过第二光纤继续传输；
步骤四：利用第一倏逝波和第二倏逝波进行计算，获取光线的衰减系数，利用衰减系数对第一光线强度进行计算，得到衰减光线的第二光线强度；
步骤五：利用第一光线强度和第二光线强度获取油液的测量结果。
7.根据权利要求6所述的一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，其特征在于，利用第一倏逝波和第二倏逝波进行计算，获取光线的衰减系数，涉及的计算式为：
其中，ζ表示为衰减系数，θc表示为第一倏逝波的全反射临界角，
表示为第一倏逝波的入射角，θ'表示为第二倏逝波的入射角，n1表示为光密介质折射率，n2表示为光疏介质折射率，n1＞n2，α表示为预设的光密介质修正因子，λ表示为预设的光疏介质修正因子，r表示为光线波长。
8.根据权利要求6所述的一种用于油位测量的高分辨率光纤液位传感器，其特征在于，利用衰减系数对第一光线强度进行计算，得到衰减光线的第二光线强度，涉及的计算式为：
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