CN113137999A - 一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤传感技术领域，公开了一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，包括光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器和光纤光栅解调仪；光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器包括光纤、布拉格光栅测点、毛细套管；光纤放置在毛细套管内；若干个布拉格光栅测点设置在光纤上，并形成测点阵列；光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器通过光纤接入光纤光栅解调仪。本发明能够解决现有技术中光纤光栅液位传感器存在的装置较复杂、测量精度较低、测量范围较小及油污环境适应性不强等问题，具有适用性强、测量精度高、响应速度快、稳定性强、尺寸小、体积小的优点。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统。
背景技术
目前，光纤传感器在各个领域都得到广泛使用，并具有高灵敏度、耐腐蚀、耐高温、抗电磁干扰、安全性好等优点。在液位传感器方面，摒弃了传统的电容式，电磁式以及超声波式的液位传感器，光纤光栅传感器测量液位已经成为当前研究主要方向。
当前出现的光纤光栅液位传感器，仍然存在各自的缺陷，测量中出现的问题还没有得到有效地解决。例如，基于光时域反射技术的塑料光纤液位传感器，其测量原理为皮秒激光器发出的皮秒脉冲可见光经光纤环形器耦合进入塑料光纤中，塑料光纤的液位敏感部分被制成了S型结构，后散射光沿塑料光纤原路返回再经光纤环形器后由光子计数器探测，通过探测到的光时域反射信号得到液面的位置信息。此现有技术的缺陷在于，装置的结构复杂，测量精度有限，无法准确获得三维空间，以及动态系统中的液位高度。例如，LPG液位传感器，其测量原理为根据各光纤长周期光栅LPG传感器返回的反射光的光强度变化和中心波长变化，分别确定各光纤长周期光栅LPG传感器的光损耗和中心波长变化趋势，再根据确定的光损耗以及中心波长变化趋势，从至少两个光纤长周期光栅LPG传感器中筛选得到位于溶液与空气接触面的光纤长周期光栅LPG传感器，从而确定液位。此现有技术的缺陷在于，LPG的反射过程损耗过大，降低了测量的精准度，其光栅直接暴露在外界环境中，容易造成损坏。
发明内容
本发明通过提供一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，解决现有技术中光纤光栅液位传感器存在的装置较复杂、测量精度较低、测量范围较小及油污环境适应性不强等问题。
本发明提供一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，包括：光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器和光纤光栅解调仪；
所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器包括：光纤、布拉格光栅测点、毛细套管；所述光纤放置在所述毛细套管内；若干个所述布拉格光栅测点设置在所述光纤上，并形成测点阵列；所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器通过所述光纤接入所述光纤光栅解调仪。
优选的，所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统还包括：螺纹接口和填充剂；
所述毛细套管的顶端开孔、底端密封，所述螺纹接口与所述毛细套管的顶端连接；所述毛细套管内全部或部分填充有所述填充剂，所述填充剂通过所述螺纹接口和所述毛细套管的顶端开孔进行填入。
优选的，所述填充剂包括第一填充剂，所述第一填充剂采用固化胶黏剂，所述固化胶黏剂选用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、橡胶中的一种；
所述毛细套管内填充有所述第一填充剂，所述螺纹接口与所述毛细套管的顶端的连接区域填充有所述第一填充剂。
优选的，所述填充剂包括第一填充剂和第二填充剂，所述第一填充剂采用固化胶黏剂，所述固化胶黏剂选用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、橡胶中的一种，所述第二填充剂采用非固化导热材料，所述非固化导热材料采用硅脂、硅油、凝胶中的一种；
所述毛细套管内填充有所述第二填充剂，所述螺纹接口与所述毛细套管的顶端的连接区域填充有所述第一填充剂。
优选的，所述布拉格光栅测点受环境温度以及环境温度引起的所述毛细套管的变形共同影响，产生波长漂移量。
优选的，所述布拉格光栅测点受环境温度影响，产生波长漂移量。
优选的，所述光纤光栅解调仪用于观测所有的所述布拉格光栅测点的波长漂移信息，并通过分析波长漂移量出现差异的突变节点位置得到油箱内的液位位置信息。
优选的，所述毛细套管内布置有多根所述光纤，通过对多根所述光纤上的所述布拉格光栅测点的错位布置，使得在所述毛细套管的整段长度上形成全覆盖的测点阵列。
优选的，所述毛细套管的制作材料为金属、聚合物、无机玻璃中的一种。
优选的，所述布拉格光栅测点通过直接写入或多段熔接方式形成所述测点阵列；若干个所述布拉格光栅测点的长度相同，所述拉格光栅测点的长度的取值范围为1mm至20mm；两个相邻的所述布拉格光栅测点之间的间距大于2mm。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，提供的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统包括光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器和光纤光栅解调仪；其中，光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器包括光纤、布拉格光栅测点、毛细套管；光纤放置在毛细套管内；若干个布拉格光栅测点设置在光纤上，并形成测点阵列；光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器通过光纤接入光纤光栅解调仪。即本发明提供的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器采用布拉格光栅，可以减少损耗，提高精度，采用毛细套管封装，能够有效地保护内部的光纤光栅结构，可延长其使用寿命，并且减少外界环境对于光纤光栅测量结果的影响，减少测量误差。此外，毛细套管尺寸小，壁厚薄，可以满足航天航空领域的重量要求，适用性强，且毛细套管可以拆卸，便于维修检查以及替换。本发明提供的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统制造成本低，适用性强，测量精度高，响应速度快，稳定性强，在高温以及腐蚀性的条件下依然可以使用；具有尺寸小、体积小、重量轻、精度可调、可实现连续性测量的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统中光纤部分浸入油液中，气体温度高于液体温度时液位下降，某一时刻布拉格光栅测点峰值波长漂移量的测量示意图；
图3为本发明实施例提供的一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统中光纤部分浸入油液中，气体温度低于液体温度时液位下降，某一时刻布拉格光栅测点峰值波长漂移量的测量示意图。
其中，1-光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器、2-光纤、3-布拉格光栅测点、4-填充剂、5-毛细套管、6-螺纹接口、7-光纤光栅解调仪。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，包括：光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器和光纤光栅解调仪。其中，所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器包括：光纤、布拉格光栅测点、毛细套管；所述光纤放置在所述毛细套管内；若干个所述布拉格光栅测点设置在所述光纤上，并形成测点阵列；所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器通过所述光纤接入所述光纤光栅解调仪。
所述光纤光栅解调仪用于观测所有的所述布拉格光栅测点的波长漂移信息，并通过分析波长漂移量出现差异的突变节点位置得到油箱内的液位位置信息。
此外，所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统还包括：螺纹接口和填充剂。所述毛细套管的顶端开孔、底端密封，所述螺纹接口与所述毛细套管的顶端连接；所述毛细套管内全部或部分填充有所述填充剂，所述填充剂通过所述螺纹接口和所述毛细套管的顶端开孔进行填入。
一种具体的实施方式为：所述填充剂包括第一填充剂，所述第一填充剂采用固化胶黏剂，所述固化胶黏剂选用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、橡胶中的一种；所述毛细套管内填充有所述第一填充剂，所述螺纹接口与所述毛细套管的顶端的连接区域填充有所述第一填充剂。所述布拉格光栅测点受环境温度以及环境温度引起的所述毛细套管的变形共同影响，产生波长漂移量。
此实施方式中，毛细套管内填充满第一填充剂，螺纹接口也用第一填充剂固定。第一填充剂是可固化的，将光纤光栅测点粘接到毛细套管内壁。因此这种方案传感器在受温度影响时，主要是毛细套管的热膨胀在拉伸光栅，毛细套管一般膨胀系数较光纤大，因此传感器灵敏度系数高。
另一种具体的实施方式为：所述填充剂包括第一填充剂和第二填充剂，所述第一填充剂采用固化胶黏剂，所述固化胶黏剂选用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、橡胶中的一种，所述第二填充剂采用非固化导热材料，所述非固化导热材料采用硅脂、硅油、凝胶中的一种；即所述第一填充剂是具有粘接作用的胶黏剂，所述第二填充剂是不具有粘接作用的导热剂。所述毛细套管内填充有所述第二填充剂，所述螺纹接口与所述毛细套管的顶端的连接区域填充有所述第一填充剂。所述布拉格光栅测点受环境温度影响，产生波长漂移量。
此实施方式中，毛细套管内填充第二填充剂，螺纹接口用第一填充剂固定。第二填充剂是不固化的导热材料，毛细套管是埋入到管内填充剂的，不与管内壁形成固定连接。这种方案中是外界温度通过热传递影响管内的光栅，响应幅值大小由光栅热膨胀系数决定，因此灵敏度较低，但是采用的填充剂导热快，响应速度更快。
本发明可以用单根光纤也可以用多根光纤，根据实际测量精度的需求可以选择。液位精度要求高，需要覆盖的测点就多，精度要求低，需要的测点就少。例如，在所述毛细套管内布置多根所述光纤，通过对多根所述光纤上的所述布拉格光栅测点的错位布置，使得在所述毛细套管的整段长度上形成全覆盖的测点阵列。
具体的，所述毛细套管的制作材料为金属、聚合物、无机玻璃中的一种。所述布拉格光栅测点通过直接写入或多段熔接方式形成所述测点阵列；若干个所述布拉格光栅测点的长度相同。
本发明的测量原理为：在不同温度下，竖直插入油箱的所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器上各布拉格光栅测点受环境温度以及环境温度引起的毛细套管的变形共同影响产生波长漂移量，或者，各布拉格光栅测点受环境温度影响产生波长漂移量，由于油箱中的油层与气层因其比热容差异，在运行过程中出现温差；因此，位于气层的布拉格光栅测点与位于油层的布拉格光栅测点的波长漂移量具有显著差异，通过所述光纤光栅解调仪分析波长漂移量出现差异的突变节点位置可确定油箱内液位位置。
下面对本发明做进一步的说明。
参见图1，本发明提供的一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统包括光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器1和光纤光栅解调仪7；其中，所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器1包括光纤2、布拉格光栅测点3、填充剂4、毛细套管5、螺纹接口6。
所述布拉格光栅测点3通过直接写入或多段熔接方式在所述光纤2上形成测点阵列；侧点写入方法包括紫外写入和飞秒激光写入，所述光纤2可以选取但不限于单模光纤、多模光纤、多芯光纤等，所有测点可感知环境温度及应变变化，并均通过所述光纤2接入所述光纤光栅解调仪7。
所述光纤2上的所述布拉格光栅测点3的布置可以针对应用场景对测量精度的要求不同调整，例如，所述布拉格光栅测点3形成的阵列间距可以在2mm以上范围取值，单个所述布拉格光栅测点3长度可以在1mm至20mm范围取值，间距越小、栅长越短获得的液位测量精度越高。
所述毛细套管5内可以布置多根写有所述布拉格光栅测点3的所述光纤2，通过对所述布拉格光栅测点3的错位布置，在所述毛细套管5整段长度上形成全覆盖的布拉格光栅测点阵列。
所述毛细套管5的上端开孔并设有所述螺纹接口6，带有所述布拉格光栅测点3的所述光纤2由开孔穿入所述毛细套管5的底部，所述填充剂4由开孔处充入所述毛细套管5内；所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器1通过所述光纤2与所述光纤光栅解调仪7连接，可同时观测所有的所述布拉格光栅测点3的波长漂移信号值。
所述毛细套管5可为直管或弯管，套管材料包括但不限于铜、铝合金、不锈钢、聚乙烯塑料等，封装材料体积小，重量轻，可靠性好。所述毛细套管的内径大于125微米即可装入光纤，所述毛细套管的外径越大或者壁厚越厚热传导越慢，传感器响应越慢，反之越小热传导越快，可根据应用需要选择所述毛细套管的尺寸。
利用所述光纤光栅解调仪7测量光纤布拉格光栅(FBG)的中心波长，通过紫外光曝光技术，使具有光敏性的光纤纤芯产生周期性的折射率分布，它对波长具有选择性，能够使特定波长的光反射，而使其他光透过，相当于一种窄带反射式滤波器。当FBG所处外界环境温度或应力变化，FBG的栅区长度或有效折射率改变，从而引起FBG特定中心波长的移动，进而得到测量中心波长的值。
所述填充剂4类型分为可固化胶黏剂，包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、橡胶等，以及非固化导热材料，包括但不限于硅脂、硅油、凝胶等。
在一具体实施例中，所述填充剂4采用固化胶黏剂，包括但不限于环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、橡胶等。先将距所述毛细套管5非螺纹端口2mm内填充固化，然后在施加预紧力的同时从螺纹端口填充固化胶黏剂，等待完全固化后便封装完毕。在不同温度下，竖直插入油箱的所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器1上各所述布拉格光栅测点3受温度及温度引起的所述毛细套管5变形效应影响导致产生不同的中心波长漂移，如图2、图3所示，位于气层的布拉格光栅测点a、b的波长漂移量与位于油层的布拉格光栅测点c、d的波长漂移量具有显著差异，通过所述光纤光栅解调仪7分析波长漂移量出现差异的突变节点位置可确定油箱内液位位置。此方式制作的传感器中的所述布拉格光栅测点3受温度及所述毛细套管5热应变共同影响，产生的波长漂移量大，适用于高灵敏度要求场合。
在另一具体实施例中，所述填充剂4主要采用非固化导热材料，包括但不限于硅脂、硅油、凝胶等。例如，可先将距所述毛细套管5非螺纹端口2mm内填充固化胶黏剂，等待其固化后，施加预紧力，再从螺纹口填充非固化导热材料，填充到距螺纹端口2mm处停止，再改用固化胶黏剂填充固化，完全固化后封装完毕。油箱中的油层与气层因其比热容差异，在系统运行过程中，气、液之间存在明显的温度差异，如图2、图3所示，经所述毛细套管5和非固化导热材料传热后，位于气层的布拉格光栅测点a、b与位于油层的布拉格光栅测点c、d受热不同，波长漂移量具有显著差异，通过所述光纤光栅解调仪7分析波长漂移量出现差异的突变节点位置可确定油箱内液位位置。此方式填充制作的传感器中布拉格光栅测点3仅受温度影响，但材料导热快，适用于高响应速度要求场合。
本发明实施例提供的一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统至少包括如下技术效果：
(1)本发明提供的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器系统制造成本低，适用性强，能够适用于航天航空领域、医疗、汽车、军事等领域。并且其测量精度高，响应速度快，误差小，灵敏度高，稳定性强，在高温以及腐蚀性的条件下依然可以使用。具有尺寸小，体积下，重量轻，精度可调，可实现连续性测量的优点。
(2)本发明提供的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器采用布拉格光栅，可以减少损耗，提高精度。
(3)本发明提供的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器采用毛细套管封装。该封装方式有效地保护了内部的光纤光栅结构，可延长其使用寿命，并且减少了外界油污环境对于光纤光栅测量结果的影响，减少测量误差。毛细套管尺寸小，壁厚薄，可以满足航天航空领域的重量要求，适用性强。此外，其可以拆卸，便于维修检查以及替换。
(4)本发明提供的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器改变了传统的感知原理，因比热容不同的油层和气层导致产生的温差及温度引起的毛细套管的变形共同影响产生了波长漂移，根据波长漂移量出现差异的突变节点位置来确定液面的位置，该感知方式反应速度更快，灵敏度更高。
(5)本发明利用固化胶黏剂填充制作的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器中布拉格光栅测点受环境温度以及环境温度引起的所述毛细套管的变形共同影响，毛细套管的热膨胀会拉伸光栅，毛细套管一般膨胀系数较光纤大，因此传感器灵敏度系数高，此方案适用于高灵敏度要求场合。
(6)本发明利用非固化导热材料、固化胶黏剂填充制作的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器中布拉格光栅测点仅受温度影响，利用非固化导热材料导热快的特点，此方案适用于高响应速度要求场合。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，其特征在于，包括：光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器和光纤光栅解调仪；
所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器包括：光纤、布拉格光栅测点、毛细套管；所述光纤放置在所述毛细套管内；若干个所述布拉格光栅测点设置在所述光纤上，并形成测点阵列；所述光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感器通过所述光纤接入所述光纤光栅解调仪。
2.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，其特征在于，还包括：螺纹接口和填充剂；
所述毛细套管的顶端开孔、底端密封，所述螺纹接口与所述毛细套管的顶端连接；所述毛细套管内全部或部分填充有所述填充剂，所述填充剂通过所述螺纹接口和所述毛细套管的顶端开孔进行填入。
3.根据权利要求2所述的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，其特征在于，所述填充剂包括第一填充剂，所述第一填充剂采用固化胶黏剂，所述固化胶黏剂选用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、橡胶中的一种；
所述毛细套管内填充有所述第一填充剂，所述螺纹接口与所述毛细套管的顶端的连接区域填充有所述第一填充剂。
4.根据权利要求2所述的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，其特征在于，所述填充剂包括第一填充剂和第二填充剂，所述第一填充剂采用固化胶黏剂，所述固化胶黏剂选用环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯、橡胶中的一种，所述第二填充剂采用非固化导热材料，所述非固化导热材料采用硅脂、硅油、凝胶中的一种；
所述毛细套管内填充有所述第二填充剂，所述螺纹接口与所述毛细套管的顶端的连接区域填充有所述第一填充剂。
5.根据权利要求3所述的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，其特征在于，所述布拉格光栅测点受环境温度以及环境温度引起的所述毛细套管的变形共同影响，产生波长漂移量。
6.根据权利要求4所述的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，其特征在于，所述布拉格光栅测点受环境温度影响，产生波长漂移量。
7.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，其特征在于，所述光纤光栅解调仪用于观测所有的所述布拉格光栅测点的波长漂移信息，并通过分析波长漂移量出现差异的突变节点位置得到油箱内的液位位置信息。
8.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，其特征在于，所述毛细套管内布置有多根所述光纤，通过对多根所述光纤上的所述布拉格光栅测点的错位布置，使得在所述毛细套管的整段长度上形成全覆盖的测点阵列。
9.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，其特征在于，所述毛细套管的制作材料为金属、聚合物、无机玻璃中的一种。
10.根据权利要求1所述的光纤布拉格光栅阵列式油箱液位传感系统，其特征在于，所述布拉格光栅测点通过直接写入或多段熔接方式形成所述测点阵列；若干个所述布拉格光栅测点的长度相同，所述拉格光栅测点的长度的取值范围为1mm至20mm；两个相邻的所述布拉格光栅测点之间的间距大于2mm。
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