CN112697231A - 一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液位检测技术领域，具体一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器。该传感器通过将光纤光栅进行螺旋排列缠绕在碳纤维加热管的测量区域，通过液体和气体对外界热源的热量吸收速率差异的测量，实现对液体液位高度的连续精确检测。本发明传感器满足对易燃易爆的危险液体，以及低温介质液体的液位检测；同时相较于现有直线型分布的光纤光栅阵列，去除了测量阵列中光纤光栅之间的间隔的影响，消除测量盲区，实现在液位高度上的连续精确测量，通过螺旋分布减少了光纤光栅的纵向长度，进一步提高了测量精度。

Description

一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器

技术领域

本发明涉及光纤传感技术、液位检测技术领域，尤其涉及一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器。

背景技术

在当今工业生产领域，对储存液体的液位测量需求一直广泛存在。其需求具体表现在要求液位传感器的测量对象广、测量精度尽可能高、在面对易燃易爆类的液体测量时能够保证安全且精确地进行检测，能够具有良好的实用性和可靠性。光纤传感器可以对温度、压力等物理量有良好的响应度，且可以用于高温高压、腐蚀、电气噪声的恶劣测量环境。因此将光纤传感器应用于液位测量领域是具有重大意义的。

光纤液位传感器根据测量原理可以分为三类：基于光纤内法布里－珀罗干涉结构(FPI)、基于光纤内马赫-曾德尔干涉结构(MZI)、光纤光栅结构。相较于其他两种结构，光纤光栅结构具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，可以应对液位检测环境对光纤的要求。在检测的响应上，由于光纤光栅的谐振波长对温度的变化敏感，在单根光纤上易于复用，因此光纤光栅结构对于温度检测具有良好的响应度。

近些年在液位检测领域上的光纤光栅技术不断涌现，2014年11月在专利号为CN104154968A的专利中公布了一种基于细芯倾斜光纤光栅的液位传感器，2018年8月在专利号为CN108398163A的专利中公布了一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器。可以看出应用在液位检测的光纤光栅结构依然存在值得改进的空间，液位检测的需求仍然广泛存在于工业的各个领域，其具体表现在经常需要对工业液体原料和成品的液体量有精确的反映。考虑到液位检测的过程是在工业领域下完成的，这样测量的环境要求较高，需要在确保安全的前提下测量结构尽可能做到简单、具有自参考纠错能力。光纤液位传感器具有无源、自参考的特性，非常适合应用于工业液位检测。

在专利号为200320017647.x的中国专利中，光纤光栅的测量工作原理是依托液体对于传感器的压力变化，通过对光栅的受拉或者受压来监测光纤光栅的反射波长变化获取液位的变化。但是对于温度补偿只是从光纤光栅的自身出发，而没有考虑传感器金属结构在温度变化的前提下产生的形变量，降低了整个传感器系统的测量精度和线性度。在专利号为CN111678615A的专利中，光纤光栅的阵列分布选择直线分布，这样做当液位位于两个光栅之间的间隔或是一个光栅之上时，很难仅通过光纤阵列的波长变化来对液体的液位进行进一步的确认，会导致其测量精度相对较低。

发明内容

针对上述存在的问题或不足，为了解决现有光纤光栅液位传感器对于测量物理量选取和测量精度提升需求的问题，本发明提供一种螺旋排列的光纤光栅传感器，在能够适用于易燃易爆的危险测量环境的前提下减小外界其他物理量影响并提高测量的精度。

一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器，由直流电源、脉冲加热控制器、碳纤维加热管、光纤光栅和信号解调仪所构成。

所述直流电源作为碳纤维加热管的激励源，通过导线与脉冲加热控制器相连，以确保对碳纤维加热管能够形成周期性的电流脉冲激励。

所述光纤光栅是光纤布拉格光栅以螺旋缠绕的方式环绕设置在碳纤维加热管的外部，其一端与信号解调仪连接在一起，未与信号解调仪连接的另一端选取第一个布拉格光栅，并确保该布拉格光栅与目标容器的底部相接触。同时碳纤维加热管被光纤光栅缠绕的部分要高于目标容器的可盛放液体的液面高度，以确保量程能够满足液位测量的要求，即碳纤维加热管轴向的测量长度区域均被光纤光栅分布。

具体的光纤光栅在碳纤维加热管上的缠绕方式为：以未与解调仪连接的一端选取第一个布拉格光栅开始沿碳纤维加热管的轴向缠绕；光纤光栅的各间隔部分保持横向与碳纤维加热管的端面平行绕置分布，且光纤光栅的间隔部分长度相同不超过碳纤维加热管的外径；各布拉格光栅部分的长度相同实现碳纤维加热管的轴向缠绕分布，其缠绕角度即间隔部分所在平面与布拉格光栅部分所在平面构成的角度相同，并低于90度，直至缠绕过的碳纤维加热管长度高于量程。

所述碳纤维加热管作为加热源，以其端面与待测液面平行的方式置于待测液体的容器中，在接收到脉冲加热控制器发出的周期性电流脉冲信号后，会对其周围的空气介质和液体介质传递周期性的热量；碳纤维加热管同时对以螺旋缠绕其外部的光纤光栅进行周期性的加热。碳纤维加热管的特点是电热转换效率高、需要直流电源提供的电压较低，可以有效避免漏电对于易燃易爆的液体产生危险。整个光纤光栅横跨两种介质，由于空气介质和待测的液体介质对于相同时间内碳纤维加热管散发的相同热量的吸收速率不同，导致光纤光栅接收到的温度信号存在差异，信号解调器针对这种差异进行测量和解调。

所述信号解调仪连接光纤光栅，信号解调仪的宽带光源对光纤光栅输出光信号，并且信号解调仪对光纤光栅反射回的传感信号采集，通过对采集的反射信号进行解调和处理，得出不同介质的吸热速率，以实现对液气分界面的位置进行精准定位。

进一步的，所述光纤光栅的间隔部分长度为碳纤维加热管端面的圆周长度的一半，以确保光纤光栅的栅区部分和光栅间隔部分分别置于碳纤维加热管圆柱体的两侧。

进一步的，所述布拉格光栅部分的缠绕角度为45度。

相比现有技术，本发明利于光纤光栅的几何适应性，将其进行特定的布置(缠绕在碳纤维加热管的测量区域)，采用了与直线排列的光纤布拉格光栅温度传感阵列不同的排布方式。通过对光纤光栅阵列的螺旋排列，将光纤光栅的间隔部分对液位测量精度的影响消除，提升了测量的精度；同时光纤光栅中的布拉格光栅部分成角度缠绕分布于碳纤维加热管外部，光纤光栅在参考纵向(碳纤维加热管的轴向)的长度也得到了减少，当液位处于其中一个光栅时，由于光栅的纵向长度的减少，测量的精度范围也同时得到缩小，从而对测量的精度有很大提高。

其次，本发明对于加热元件的选取采用了碳纤维加热管。碳纤维加热管相较于传统的金属加热线，有着更好的电热转换效率，缩短加热时间以提高检测的实时性。同时碳纤维加热管可以避免漏电和电磁干扰造成的危害，提高了易燃易爆液体作为探测对象可能存在的安全隐患。现阶段光纤布拉格光栅阵列的制备工艺成熟，能够达到螺旋阵列所需要的光栅长度和光栅间隔长度需求。光栅制备工艺的成熟也使得整个传感器系统对于温度的变化稳定度更高，接收的信号强度更高。而在对信号的解调上，可以采用简单的可调谐F-P滤波器来进行对接收进来的光纤光栅信号的解调，以降低整个系统的成本。

综上所述，本发明不仅在工作的环境要求上满足了其应能够适用于对易燃易爆液体中能安全稳定工作的需求，更是在原有的直线排布的光纤布拉格光栅阵列基础上从两方面提高了探测的精度。该传感器可以作为实际生产工作中面对易燃易爆液体测量液位高度的需求的一种可靠精确方案。

附图说明

图1为本发明的光纤光栅的直线结构示意图；

图2为实施例中光纤光栅缠绕在碳纤维加热管上的正视图；

图3为实施例中光纤光栅缠绕在碳纤维加热管上的后视图；

图4为实施例中光纤光栅缠绕后的立体图；

图5为本发明实施例的整体传感系统示意图；

图6为实施例在使用过程中解调仪在计算机输出的光纤光栅中心波长变化曲线；

附图标记：1-单个光纤布拉格光栅，2-缠绕角度，3-单个光栅单元，4-PWM脉宽调制器，5-信号解调仪，6-碳纤维加热管，7-空气，8-光纤光栅，9-待测液体。

具体实施方式

为了使本发明的技术描述的更加清楚，下面结合实施例和附图，对本发明进行详细和全面的描述，本实施例并不是本发明的全部实施方式，只是一种较好的实施方式。

图1为本发明光纤光栅的直线示意图。对于该光纤光栅传感阵列的制作过程如下：首先在普通的单模光纤前放置好预先制作好的相位掩膜版，以波长为244nm的紫外准分子激光通过相位掩膜版来对光纤进行照射，从而写入周期为掩膜版周期一半的单个布拉格光栅单元1.重复以上操作，在该重复操作的过程中可以控制光栅的间隔，即可在单根单模光纤上写入多个光栅，达到进行光纤光栅阵列写入的目的。

图2为本实施例光纤光栅缠绕在碳纤维加热管上的正视图。碳纤维管作为装有碳纤维的玻璃圆柱体，当光纤光栅中的光栅螺旋缠绕在玻璃圆柱体表面时，其斜切面是一个椭圆。该椭圆的长轴为光栅正视图长度的一半、短轴为碳纤维加热管的横截面即圆形的半径。

在本实施例中，碳纤维加热管采用的是装有碳纤维的石英玻璃管，其具体尺寸为长度120cm，直径为0.5cm，功率为120W。光栅光纤的缠绕角度与水平面成45度。所以可以确定该实例中的光纤布拉格光栅温度传感阵列的具体规格如下：单个布拉格光栅的栅区长度为上述椭圆周长的一半，即1.985cm，相邻光栅的间隔为碳纤维加热管的横截面周长的一半，即0.785cm。相邻的布拉格光栅的中心波长之间的间隔为1nm。在C+L波段内可以连续设置80个光纤布拉格光栅，其构成的阵列监测总长度为80cm，测量的精度可以达到5mm。

图3为本实施例光纤光栅缠绕在碳纤维加热管上的后视图。为了消除在光纤光栅阵列在制备的过程中不可避免出现光栅之间的间隙对于测量液位产生的误差，选择借助螺旋缠绕的方式来使得光栅之间的间隙部分与水平面(待测液面)平行。这样在测量的过程中就可以将光栅之间的间隙排除于测量过程。消除当液面位于光栅间隙部分时无法进一步精准定位产生的困扰。

图4为本实施例中光纤光栅缠绕后的立体图，以能够更加直观展现光纤光栅在碳纤维加热管的缠绕方式。在整个螺旋缠绕的过程中，一个光栅与一个光栅的间隔组成一个周期单元，整个光纤光栅的构成就是周期单元的不断重复。

图5为本发明的整体传感系统图。由脉冲加热控制器、碳纤维加热管、光纤光栅、待测液体容器和信号解调仪构成。碳纤维加热管垂直放置在待测液体容器的底部，首先由信号解调仪中的宽带光源输出光并传输至光纤光栅中，启动脉冲加热控制器，对待测液体容器进行周期性的加热，在系统受温度影响后返回的光中心波长发生偏移，信号解调仪再接收返回的光波进行扫描滤波，通过光电探测器将光信号转变为电信号，并将电信号送入采集数据卡进行信号处理，将波长的变化直观显示在计算机上。

在本实施例中，选取PWM脉宽调制器作为脉冲加热控制器。PWM脉宽调制器的参数如下：输入电压为5-36V，静态电流为15mA，加热或者散热的时间可以设置为0.1秒-999分钟。为了能够得到合适的探测响应时间，可以选取一个周期为6分钟，其中加热时间为1分钟，散热时间为5分钟。在加热的过程中PMW脉宽调制器处于工作打开状态，直流电源作用于碳纤维加热管进行加热，引起空气与液体两部分的温度发生差异。在散热时脉宽调制器将直流电源阻隔，在5分钟后散去热量，恢复至初始温度，为下一次测量做好准备。

图6为本发明在使用过程中解调仪在计算机输出的光纤光栅中心波长变化曲线。由曲线可以看出，在加热的过程中，虽然两种介质所接触的碳纤维加热管加热的时间是相同的。但是由于两种介质对于热量的吸收速率是不同的，具体表现在气体区域的吸热速率要远大于液体区域的吸热速率。光纤布拉格光栅的中心波长根据光栅周围感受到的温度变化而变化。且当温度变化得越快，布拉格光栅的中心波长变化的越快。通过对光纤光栅阵列中各个光栅的中心波长的变化速率来判断各个光栅相对应位置的介质吸热速率。借此判断出介质分界面即液面的所在高度。

通过以上实施例可见，本发明通过将光纤光栅进行螺旋排列缠绕在碳纤维加热管的测量区域，通过液体和气体对外界热源的热量吸收速率差异的测量，实现对液体液位高度的连续精确检测。本发明传感器满足对易燃易爆的危险液体，以及低温介质液体的液位检测；同时相较于现有直线型分布的光纤光栅阵列，去除了测量阵列中光纤光栅之间的间隔的影响，消除测量盲区，实现在液位高度上的连续精确测量，通过螺旋分布减少了光纤光栅的纵向长度，进一步提高了测量精度。

Claims (4)

1.一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器，由直流电源、脉冲加热控制器、碳纤维加热管、光纤光栅和信号解调仪所构成，其特征在于：

所述直流电源作为碳纤维加热管的激励源，通过导线与脉冲加热控制器相连，以确保对碳纤维加热管能够形成周期性的电流脉冲激励；

所述光纤光栅是光纤布拉格光栅以螺旋缠绕的方式环绕设置在碳纤维加热管的外部，其一端与信号解调仪连接在一起，未与信号解调仪连接的另一端选取第一个布拉格光栅，并确保该布拉格光栅与目标容器的底部相接触；同时碳纤维加热管被光纤光栅缠绕的部分要高于目标容器的可盛放液体的液面高度，即碳纤维加热管轴向的测量长度区域均被光纤光栅分布；

所述碳纤维加热管作为加热源，以其端面与待测液面平行的方式置于待测液体的容器中，在接收到脉冲加热控制器发出的周期性电流脉冲信号后，对其周围的空气介质和液体介质传递周期性的热量；碳纤维加热管同时对以螺旋缠绕其外部的光纤光栅进行周期性的加热；

所述信号解调仪连接光纤光栅，其中的宽带光源对光纤光栅输出光信号，并对光纤光栅反射回的传感信号采集，通过对采集的反射信号进行解调和处理，得出不同介质的吸热速率，以实现对液气分界面的位置进行精准定位。

2.如权利要求1所述螺旋排列的光纤光栅液位传感器，其特征在于：

具体的光纤光栅在碳纤维加热管上的缠绕方式为：以未与解调仪连接的一端选取第一个布拉格光栅开始沿碳纤维加热管的轴向缠绕；光纤光栅的各间隔部分保持横向与碳纤维加热管的端面平行绕置分布，且光纤光栅的间隔部分长度相同不超过碳纤维加热管的外径；各布拉格光栅部分的长度相同实现碳纤维加热管的轴向缠绕分布，其缠绕角度即间隔部分所在平面与布拉格光栅部分所在平面构成的角度相同，并低于90度，直至缠绕过的碳纤维加热管长度高于量程。

3.如权利要求1所述螺旋排列的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述光纤光栅的间隔部分长度为碳纤维加热管端面的圆周长度的一半，以确保光纤光栅的栅区部分和光栅间隔部分分别置于碳纤维加热管圆柱体的两侧。

4.如权利要求1所述螺旋排列的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述布拉格光栅部分的缠绕角度为45度。

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