CN112763024B - 一种点式光纤液位传感器 - Google Patents
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Abstract
一种点式光纤液位传感器，包括：壳体，包含中心通孔、空腔、侧壁孔及安装辅助结构；扁球头光纤，包含扁球光纤头和尾纤，穿过所述壳体中心通孔伸入所述空腔内，扁球光纤头和尾纤都各自包含纤芯和包层；固定部件，用于将扁球头光纤固定在壳体上。本发明采用扁球头光纤，使得液体不再因表面张力作用吸附在光纤头纤芯部位，而是通过重力和表面张力共同作用使其被快速转移流至包层部位，进而大幅减少液位测量延迟时间，同时液位敏感部位尺寸减小到0.1mm以下，进而获得高精度液位测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及液位测量技术领域，尤其涉及一种点式光纤液位传感器。
背景技术
液位传感器是化工行业中的一种常用仪表，广泛应用于军事和民用领域。
早期出现的液位传感器为机械式，比如测量尺或磁翻板式，这种液位传感器只能靠人为目测读数，不便于液位信息自动化。而后发展的电学液位传感器，较常见的包括电容式、微波式、压差式、光电管式等等。一方面，对于很多化学品液位测量场合，电学传感器漏电问题都会对测量安全造成威胁问题；另一方面，受敏感结构尺寸限制，现有测量方法的液位分辨精度几乎不能够达到0.5mm以下水平。
光纤液位传感器是一种利用光纤的传光特性以及它与周围环境相互作用产生的各种调制效应，探测周围液位信息的仪器。它与传统电学液位传感器相比，有以下主要优势：兼具信息传感及光信息传输于一身，抗电磁干扰，不放电、体积小、重量轻、精度高等优点。鉴于光纤液位传感器具有如上技术优势，非常适合用于化学液体介质的，目前各国已经在此方面积极展开研究。
点式光纤液位传感器主要包含双纤式和单纤式。双纤式光纤液位传感器主要有对射型和同向型。如于春和等人提出的“一种光纤液位传感器及其测量方法”(CN201410532700.5)，采用两根对射光纤黏贴在对液体压力敏感的弹性圆片上的方法进行液位测量，该方法将两根外径125微米、纤芯直径9微米在空间上对准难度非常大，且为了配合对准也使得液位传感器整体尺寸非常大；Nemeth Frank A提出的“Multi-level fiber-optic liquid level sensing system”(US07418157)，采用两根光纤和90度棱镜构成液位传感器，该方法基于菲涅尔反射原理，但是受棱镜结构限制，传感器尺寸远远大于光纤尺寸。因此，双纤式光纤液位传感器因其结构复杂、敏感结构较大等问题，导致传感器精度不能达到100微米级(即光纤直径尺寸级别)。单纤式液位传感器具有结构简单、尺寸小巧、精度高等优点。Kameswara Rao Lolla等人提出的“Fiber optic liquid level detector”(US13375834)，采用端面倾斜光纤和附着的透光介质层组成液体介质折射率敏感的点式液位传感器。不过该方法形成的大斜平面结构，易受表面张力作用吸附待测液体，进而导致液位测量结果存在延迟甚至出错误报。
综上，一方面，点式光纤液位传感器敏感区域普遍为大平面结构，易被待测液体吸附导致液位测量结果存在延迟甚至出错；另一方面，现有点式光纤液位传感器敏感结构普遍大于光纤直径尺寸，几乎不能实现0.1mm的高液位测量精度。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种点式光纤液位传感器，以解决现有点式光纤液位传感器敏感区域易被液体吸附导致液位测量结果存在延迟甚至出错，以及敏感结构过大导致液位测量精度不高的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种点式光纤液位传感器，包括壳体、扁球头光纤和固定部件；
壳体内加工有相互连通的空腔和中心通孔，扁球头光纤穿过所述中心通孔伸入所述空腔内，扁球头光纤通过固定部件固定在壳体上；
扁球头光纤包含扁球光纤头和尾纤，其中，扁球光纤头包含扁球光纤头纤芯和扁球光纤头包层，尾纤包含尾纤纤芯和尾纤包层；扁球光纤头纤芯的直径不小于尾纤纤芯直径的50％；
扁球光纤头侧视投影形状为包含至少半个椭圆曲线的不封闭曲线，光纤轴线方向为椭圆曲线的短轴，长度记为a，光纤径向为椭圆曲线的长轴，长度记为b；
椭圆曲线的长轴长度值b大于扁球光纤头包层直径值d；或椭圆曲线的长轴长度值b等于扁球光纤头包层直径值d；或椭圆曲线的长轴长度值b小于扁球光纤头包层直径值d且大于扁球光纤头纤芯直径值c。
所述扁球头光纤的扁球光纤头，制作方法为紫外胶固化法、激光热熔法、电弧热熔法、高温热熔挤压法或机械打磨法。
所述扁球头光纤的材料为石英光纤、塑料光纤或蓝宝石光纤。
所述壳体上沿周向均布有侧壁孔，所述侧壁孔与空腔连通，所述侧壁孔为圆形、正方形、长方形、多边形或跑道形，所述侧壁孔形状的最大内切圆直径不小于2mm。
所述壳体的中心通孔为圆形、正方形、长方形或多边形，所述中心通孔的最大外切圆直径不大于0.5mm。
所述壳体上加工有安装辅助结构，所述安装辅助结构为通孔、螺纹孔、外螺纹或卡具。
所述固定部件为粘结剂、焊接剂或具体的机械零件。
一种点式光纤液位传感系统，包括所述的点式光纤液位传感器，还包括：
光源模块，提供测量光；
光路转换模块，将所述测量光传输至所述点式光纤液位传感器，并接收由该点式光纤液位传感器返回的反馈光信号；
信号处理模块，对所述点式光纤液位传感器的反馈光信号进行光电转换、数据处理，输出所述点式光纤液位传感器所处位置的液位信息。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)通过在点式光纤液位传感器中采用本发明所述的扁球头光纤，使得液体不再因表面张力作用吸附在光纤头纤芯部位，而是通过重力(或过载力)和表面张力共同作用使其被快速转移流至包层部位，进而大幅减少液位测量延迟时间；
(2)通过在点式光纤液位传感器中采用本发明所描述的扁球头光纤，使得液位敏感部位尺寸减小到0.1mm以下，进而获得高精度液位测量结果；
(3)通过在点式光纤液位传感器中采用壳体，使得敏感光纤结构得到保护，进而更适合工程化应用；
(4)本发明采用全光测量方法，未采用任何电阻、电容等电学元件，可以在强电磁干扰、极端温度、雷雨天气等恶劣环境下可靠应用，适合于长期连续液位测量使用。
附图说明
图1为根据本发明点式光纤液位传感器的结构示意图；
图2为根据本发明点式光纤液位传感器的液位测量方式示意图；
图3为普通平光纤头与本发明点式光纤液位传感器扁球光纤头液体吸附比对效果图；
图4A为点式光纤液位传感器扁球光纤头侧视投影长轴大于光纤包层直径的示意图；
图4B为点式光纤液位传感器扁球光纤头侧视投影长轴等于光纤包层直径的示意图；
图4C为点式光纤液位传感器扁球光纤头侧视投影长轴小于光纤包层直径且大于纤芯直径的示意图；
图5为点式光纤液位传感系统组成图；
图6为采用点式光纤液位传感系统进行介质为水的液位测量结果。
100-点式光纤液位传感；110-壳体；111-中心通孔；112-空腔；113-侧壁孔；114-安装辅助结构；120-扁球头光纤；121-扁球光纤头；1211-扁球光纤头纤芯；1212-扁球光纤头包层；122-尾纤；1221-尾纤纤芯；1222-尾纤包层；130-固定部件；200-光源模块；300-光路转换模块；400-信号处理模块；500-液体介质；600-空气介质。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。
本发明提供了一种点式光纤液位传感器。图1为本发明点式光纤液位传感器的结构示意图，图2为本发明点式光纤液位传感器的液位测量方式示意图；
请参照图1，点式光纤液位传感器100，包括：
壳体110，包含中心通孔111、空腔112、侧壁孔113及安装辅助结构114；
扁球头光纤120，包含扁球光纤头121和尾纤122，穿过所述壳体110中心通孔111伸入所述空腔112内，其中，扁球光纤头121包含扁球光纤头纤芯1211和扁球光纤头包层1212，尾纤122包含尾纤纤芯1221和尾纤包层1222；
固定部件130，用于将扁球头光纤120固定在壳体110上。
进行液位测量时，通过所述壳体安装辅助结构将所述点式光纤液位传感器安装在待测位置，所述扁球头光纤中心轴与液体介质表面平行；所述扁球光纤头端面会形成由光纤材料与外部介质材料组成的光学反射界面，反射率遵循菲涅尔反射计算公式；当液面上升或下降进而经过所述点式光纤液位传感器时，待测液体会经过所述壳体侧壁孔平缓流入所述空腔，并浸没或脱离所述扁球光纤头部位，导致所述光学反射界面的光学反射率发生变化，进而通过监测光学反射率变化情况获得液位信息。
具体地，请参照图1和图2，点式光纤液位传感器100进行液位测量时，通过壳体110安装辅助结构114将所述点式光纤液位传感器100安装在待测位置，所述扁球头光纤120中心轴须与液体介质500表面平行；所述扁球光纤头121端面会形成由扁球光纤头纤芯1211材料与外部介质(液体介质500或空气介质600)材料组成的光学反射界面，反射率R遵循菲涅尔反射计算公式：
其中，nf为光纤折射率，n0为外部介质的折射率。
在一个实施例中，光纤采用石英光纤，折射率为1.45；液体介质500采用水，折射率为1.33；空气介质600采用普通空气，折射率为1.00003。则对应的反射率分别为0.186％和3.37％。当液面上升或下降进而经过所述点式光纤液位传感器100时，待测液体介质500会经过所述壳体110侧壁孔113平缓流入所述空腔112，并浸没或脱离所述扁球光纤头121部位，导致所述光学反射界面的光学反射率在0.186％和3.37％两个数值间发生切换，进而通过监测光学反射率变化情况获得液位信息。
请参照图3，当普通平头光纤浸润待测液体介质500再脱离后，由于百微米尺寸平面的表面张力作用，液体介质500会吸附在光纤表面，覆盖光纤纤芯，进而导致液位传感器即使离开液面所述光学反射率也未发生变化，进而造成测试结果误报；当本发明所述扁球光纤头121浸润待测液体介质500再脱离后，由于表面张力和重力的共同作用，液体介质500会沿扁球光纤头121端面向重力方向迅速运动至底端，最终仅有极少的液体介质500吸附在包层的重力方向最下沿，纤芯不会被覆盖，进而解决现有点式光纤液位传感器敏感区域易被液体吸附进而导致液位测量结果存在延迟的问题。
以下分别对点式光纤液位传感器100的各个组成部分进行详细说明。
请参考图4A，所述扁球头光纤120的扁球光纤头121，侧视投影形状为包含至少半个椭圆线的不封闭曲线，光纤轴线方向为椭圆曲线的短轴，长度记为a，光纤径向为椭圆曲线的长轴，长度记为b。椭圆曲线的长轴长度值b大于光纤包层直径值d；
请参考图4B，所述扁球头光纤120的扁球光纤头121，侧视投影形状为包含半个椭圆线的不封闭曲线，光纤轴线方向为椭圆曲线的短轴，长度记为a，光纤径向为椭圆曲线的长轴，长度记为b。椭圆曲线的长轴长度值b等于光纤包层直径值d；
请参考图4C，所述扁球头光纤120的扁球光纤头121，侧视投影形状为包含半个椭圆线的不封闭曲线，光纤轴线方向为椭圆曲线的短轴，长度记为a，光纤径向为椭圆曲线的长轴，长度记为b。椭圆曲线的长轴长度值b小于光纤包层直径值d且大于纤芯直径值c。
请参考图1～4，所述扁球头光纤120的扁球光纤头121部分的纤芯1211直径为6μm，所述扁球头光纤120的尾纤122部分的纤芯1221直径为9μm，即扁球光纤头纤芯1211不小于尾纤纤芯1221的50％。
请参考图1～4，所述扁球头光纤120的扁球光纤头121，制作方法为紫外胶固化法，也可以为激光热熔法、电弧热熔法、高温热熔挤压法、机械打磨法等。
请参考图1～4，所述扁球头光纤120的材料为石英光纤，也可以为塑料光纤、蓝宝石光纤等。
请参考图1，所述壳体110上的侧壁孔113为圆形，周向4个均匀布局，直径4mm。侧壁孔113也可以为正方形、长方形、多边形或跑道形，所述侧壁孔形状的最大内切圆直径不小于2mm，避免液体集聚不能顺利通过导致传感器误报。
请参考图1，所述壳体110的中心通孔111为圆形，所述中心通孔111的直径为0.5mm；所述中心通孔111也可以为正方形、长方形或多边形。
请参考图1，所述壳体110的安装辅助结构114为通孔，采用螺钉穿过并通过螺纹安装使用，所述壳体110也可以为螺纹孔、外螺纹、卡具等；
请参考图1，所述固定部件130为502粘结剂，也可以为焊接剂或机械挤压零件；
本发明还提供了一种点式光纤液位传感系统。
请参照图5，该点式光纤液位传感系统，包括：点式光纤液位传感器100；光源模块200，提供测量光，其依解调原理的不同可以为单色光源或宽带光源；光路转换模块300，用于将测量光传输至点式光纤液位传感器100，并接收由该点式光纤液位传感器100的反馈光信号，其可以是光环形器或光耦合器等；信号处理模块400用于对反馈光信号进行光电转换、数据处理，输出上述点式光纤液位传感器100所处液体有无的判断信息。
点式光纤液位传感系统的工作原理为：点式光纤液位传感器100放置或安装在待测环境(含有液体介质500和空气介质600)中，其反馈光信号的光强随所接触介质的变化而变化；该点式光纤液位传感器100通过光路转换模块300与信号处理模块400相连，由信号处理模块400从点式光纤液位传感器100输出的光强信号中反演出点式光纤液位传感器100所在位置的介质变化信息。
参照图6，为上述采用点式光纤液位传感系统进行介质为水的液位测量结果。可见，0～40s时点式光纤液位传感器反射率约为0.18％，说明外部介质为水；40～80s时点式光纤液位传感器反射率约为3.4％，说明外部介质为空气；80s以后点式光纤液位传感器反射率又降为0.18％，说明外部介质为水。可见，在点式光纤液位传感器安装位置不变的情况下，水液位出现了下降又上升的变化。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种点式光纤液位传感器，其特征在于：包括壳体(110)、扁球头光纤(120)和固定部件(130)；
壳体(110)内加工有相互连通的空腔(112)和中心通孔(111)，扁球头光纤(120)穿过所述中心通孔(111)伸入所述空腔(112)内，扁球头光纤(120)通过固定部件(130)固定在壳体(110)上；
扁球头光纤(120)包含扁球光纤头(121)和尾纤(122)，其中，扁球光纤头(121)包含扁球光纤头纤芯(1211)和扁球光纤头包层(1212)，尾纤(122)包含尾纤纤芯(1221)和尾纤包层(1222)；扁球光纤头纤芯(1211)的直径不小于尾纤纤芯(1221)直径的50％；
扁球光纤头(121)侧视投影形状为包含至少半个椭圆曲线的不封闭曲线，光纤轴线方向为椭圆曲线的短轴，长度记为a，光纤径向为椭圆曲线的长轴，长度记为b；
椭圆曲线的长轴长度值b大于扁球光纤头包层(1212)直径值d；或椭圆曲线的长轴长度值b等于扁球光纤头包层(1212)直径值d；或椭圆曲线的长轴长度值b小于扁球光纤头包层(1212)直径值d且大于扁球光纤头纤芯(1211)直径值c。
2.根据权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述扁球头光纤的扁球光纤头，制作方法为紫外胶固化法、激光热熔法、电弧热熔法、高温热熔挤压法或机械打磨法。
3.根据权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述扁球头光纤的材料为石英光纤、塑料光纤或蓝宝石光纤。
4.根据权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述壳体(110)上沿周向均布有侧壁孔(113)，所述侧壁孔(113)与空腔(112)连通，所述侧壁孔为圆形、正方形、长方形、多边形或跑道形，所述侧壁孔形状的最大内切圆直径不小于2mm。
5.根据权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述壳体的中心通孔为圆形、正方形、长方形或多边形，所述中心通孔的最大外切圆直径不大于0.5mm。
6.根据权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述壳体上加工有安装辅助结构(114)，所述安装辅助结构为通孔、螺纹孔、外螺纹或卡具。
7.根据权利要求1所述的点式光纤液位传感器，其特征在于：所述固定部件为粘结剂、焊接剂或具体的机械零件。
8.一种点式光纤液位传感系统，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的点式光纤液位传感器，还包括：
光源模块，提供测量光；
光路转换模块，将所述测量光传输至所述点式光纤液位传感器，并接收由该点式光纤液位传感器返回的反馈光信号；
信号处理模块，对所述点式光纤液位传感器的反馈光信号进行光电转换、数据处理，输出所述点式光纤液位传感器所处位置的液位信息。
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