CN113280890A - 一种反射式螺旋形光纤液位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种反射式螺旋形光纤液位传感器,包括传感器固定座、接收光纤、若干根入射光纤和凹面反射镜；其特征在于:所述入射光纤呈螺旋形；所述传感器固定座的上部为实心体，传感器固定座的下部为空心体，所述实心体的中心沿轴向设置有接收光纤安装孔，在接收光纤安装孔外侧沿周向均匀设置有若干个入射光纤安装孔，所述接收光纤的后端和所有的入射光纤的后端分别通过接收光纤安装孔和入射光纤安装孔进入所述传感器固定座的空心体内；在传感器固定座的空心体内设置有凹面反射镜，该凹面反射镜位于所述入射光纤和接收光纤的后侧,本发明可广泛应用于各种液体的液位在线分布式测量。
Description
技术领域
本发明涉及传感器，具体涉及一种反射式螺旋形光纤液位传感器。
背景技术
液位传感在燃料储存、工业生产等领域有着广泛的需求和重要的应用。目前关于液位的检测主要是基于电气、机械、超声波、光纤等技术研发的传感器。虽然电气、机械、超声波传感器测量结果的稳定性高，但测量过程会受到液位深度及工质参数的影响，同时传感器存在测量盲区，难适用于易燃易爆和腐蚀性强的液体液位检测。而光纤传感器具有抗电磁干扰、耐酸碱腐蚀、使用寿命长、测量范围大、分辨率高、准确度高等显著优势，因此成为各类液体液位测量中最有前途的一类传感器。
目前光纤液位传感器主要包括光泄露式光纤液位传感器、侧面耦合式光纤液位传感器、光纤光栅式液位式传感器。光泄露式光纤液位传感器结构简单、检测范围大、强度解调、性价比高，是最具潜力应用到工程实践中的连续式光纤液位传感器。虽然光泄露式光纤液位传感器具有上诉诸多优势，但光泄露式光纤液位传感器往往需要将光纤包层或部分纤芯去除从而提升传感器检测灵敏度，增加了传感器制备工艺的复杂性、降低光纤机械性能与使用寿命；更为重要的是当光纤包层去除后，光纤纤芯直接暴露于液相中，会导致液相中的物质直接粘附在光纤纤芯表面、甚至扩散进入光纤纤芯内部，引起光纤光传输特性发生变化，导致传感器测量结果的重复性差、准确性低、使用寿命受限。此外，对于光泄露式光纤液位传感器，其测量结果还受到工质温度与折射率的影响，因此研究一种结构简单、灵敏度高、准确性高且不受被测液体折射率影响的光纤液位传感器十分必要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种反射式螺旋形光纤液位传感器。
本发明的技术方案是：一种反射式螺旋形光纤液位传感器,包括传感器固定座、接收光纤、若干根入射光纤和凹面反射镜；其特征在于:所述入射光纤呈螺旋形；所述传感器固定座的上部为实心体，传感器固定座的下部为空心体，所述实心体的中心沿轴向设置有接收光纤安装孔，在接收光纤安装孔外侧沿周向均匀设置有若干个入射光纤安装孔，所述接收光纤的后端和所有的入射光纤的后端分别通过接收光纤安装孔和入射光纤安装孔进入所述传感器固定座的空心体内；
在传感器固定座的空心体内设置有凹面反射镜，该凹面反射镜位于所述入射光纤和接收光纤的后侧，所述凹面反射镜与入射光纤和接收光纤的尾端具有一定的间距。所述凹面反射镜固定在传感器底座上。
本发明所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器，传感部分包括呈螺旋形缠绕在固定支杆上的侧发光光纤即入射光纤，以及固定在固定支杆上的直线型侧发光光纤即接收光纤。入射光纤上端与光源耦合，下端对应凹面反射镜，接收光纤上端与光探测器耦合，下端与凹面反射镜中心对应。本发明采用螺旋形结构侧发光光纤作为传感单元制成光纤液位传感器，不仅不需要破坏光纤自身的结构，而且可以在不破坏线性度的条件下，因其螺旋形结构进一步增大传感器光损耗，从而提升传感器的灵敏度；本发明通过设置凹面反射镜可以有效缩小传感器体积，且可以避免传感器底端由于过度弯曲而损伤光纤以及引起测量结果非线性。
本发明的工作原理是：由光源入射的光经螺旋形输入光纤传输至凹面反射镜中心四周，光束在凹面反射镜内发生反射并汇聚至中心处由接收光纤接收并传输至光探测器，通过读取光探测器的接收光强变化信息即可获取液位高度的信息。
根据本发明所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器的优选方案，所述接收光纤和所有的入射光纤均采用侧发光光纤。
根据本发明所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器的优选方案，光纤固定杆二上设置有螺旋形凹槽，所述入射光纤固定在所述光纤固定杆二上设置的螺旋形凹槽内。
根据本发明所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器的优选方案，光纤固定杆一上设置有直线型凹槽，所述接收光纤固定在所述光纤固定杆一上设置的直线型凹槽内。
本发明所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器的有益效果是:本发明所述的反射式螺旋形光纤液位传感器耐酸碱腐蚀、测量范围大、分辨率高、准确度高、线性度高、无测量盲区、且不受被测液体成分影响，可广泛应用于各种液体的液位在线分布式测量。
附图说明
图1是本发明所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器结构示意图。
图2是本发明所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器安装示意图。
图3a、图3b和图3c是一种反射式螺旋形光纤液位传感器连续三个周期对0-50cm去离子水液位高度动态测量响应曲线。
图4是本发明所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器的输出光强曲线。
图5是本发明所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器对0-20cm量程去离子水，葡萄糖溶液，NaCl溶液以及柴油-正己烷混合溶液动态测量响应曲线。
具体实施方式
参见图1、图2，一种反射式螺旋形光纤液位传感器,包括传感器固定座、接收光纤1、若干根入射光纤2和凹面反射镜4；所述入射光纤2呈螺旋形，螺距和螺旋直径可根据需要确定；所述传感器固定座的上部为实心体3，传感器固定座的下部为空心体5，所述实心体的中心沿轴向设置有接收光纤安装孔，在接收光纤安装孔外侧沿周向均匀设置有若干个入射光纤安装孔，所述接收光纤1的后端和所有的入射光纤的后端分别通过接收光纤安装孔和入射光纤安装孔进入所述传感器固定座的空心体内；
在传感器固定座的空心体内设置有凹面反射镜4，该凹面反射镜4位于所述入射光纤2和接收光纤1的后侧大约5-30mm，所述凹面反射镜4与入射光纤2和接收光纤1的尾端具有一定的间距。
在具体实施例中，所述接收光纤1和所有的入射光纤2均采用侧发光光纤。
光纤固定杆二7上设置有螺旋结构凹槽，所述入射光纤2固定在所述光纤固定杆二7上设置的螺旋结构凹槽内。
光纤固定杆一6上设置有直线型凹槽，所述接收光纤1固定在所述光纤固定杆一6上设置的直线型凹槽内。
为检测反射式螺旋形光纤液位传感器的液位检测响应性能，实验测试了本传感器对0-50cm去离子水液位高度连续三个周期循环响应性能，实验结果如图3a、3b、3c所示。从图中可以看出，随着去离子水液位高度的升高，传感器输出光强相对变化量会发生线性的下降，实验结果线性拟合度达到R2＝0.99052,检测灵敏度达到1.01％/cm。研究结果表明，反射式螺旋形光纤液位传感器能够准确、连续、重复地监测液位高度变化信息。
图4显示了传感器在360秒内对去离子水液位高度连续三个周期液位测量的输出光强曲线，从图4可以看出传感器可以动态循环地监测去离子水液位高度变化信息。
图5显示当液体的折射率从1.33增大至1.46时，传感器对不同折射率去离子水、葡萄糖溶液、NaCl溶液以及柴油-正己烷混合溶液响应灵敏度基本保持一致，且对液位测量的最大相对误差小于6.85％；说明本发明涉及的反射式螺旋形光纤液位传感器可实现对多种不同折射率液体液位的准确测量，且不需要对传感器进行折射率补偿。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施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宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (4)
1.一种反射式螺旋形光纤液位传感器,包括传感器固定座、接收光纤(1)、若干根入射光纤(2)和凹面反射镜(4)；其特征在于:所述入射光纤(2)呈螺旋形；所述传感器固定座的上部为实心体(3)，传感器固定座的下部为空心体(5)，所述实心体的中心沿轴向设置有接收光纤安装孔，在接收光纤安装孔外侧沿周向均匀设置有若干个入射光纤安装孔，所述接收光纤(1)的后端和所有的入射光纤的后端分别通过接收光纤安装孔和入射光纤安装孔进入所述传感器固定座的空心体内；
在传感器固定座的空心体内设置有凹面反射镜(4)，该凹面反射镜(4)位于所述入射光纤(2)和接收光纤(1)的后侧，所述凹面反射镜(4)与入射光纤(2)和接收光纤(1)的尾端具有一定的间距。
2.根据权利要求1所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器，其特征在于:所述接收光纤(1)和所有的入射光纤(2)均采用侧发光光纤。
3.根据权利要求1所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器，其特征在于:光纤固定杆二(7)上设置有螺旋形凹槽，所述入射光纤(2)固定在所述光纤固定杆二(7)上设置的螺旋形凹槽内。
4.根据权利要求1所述的一种反射式螺旋形光纤液位传感器，其特征在于:光纤固定杆一(6)上设置有直线型凹槽，所述接收光纤(1)固定在所述光纤固定杆一(6)上设置的直线型凹槽内。
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