CN202075015U - 螺旋形侧发光光纤液位传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种螺旋形侧发光光纤液位传感器，包括传感器轴、液位测量光纤、入射光纤和出射光纤，液位测量光纤为侧发光光纤，其呈螺旋形缠绕在传感器轴上，两端分别与入射光纤和出射光纤相连。通过使螺距由上至下呈分段阶跃增长或线性增长或指数型增长，或同时使传感器轴的直径在垂直方向上的变化，使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。本实用新型使用螺旋形侧发光光纤进行，实现了液位的线性连续测量。本实用新型还通过加入折射率测量光纤，自动根据液体折射率修正测量结果，通过加入光纤温度传感器，进一步消除了温度变化的干扰，提高了传感器的抗干扰能力。

Description

螺旋形侧发光光纤液位传感器

技术领域

本实用新型涉及一种液位传感器，特别涉及一种螺旋形侧发光光纤液位传感器，用于对可燃液体的液位进行测量，特别适用于对轻质低粘度燃油液位测量。

背景技术

易燃液体液位测量是工业生产中的难题，其测量环境恶劣，测量对象复杂，例如容易起火和爆炸，很多液体具有腐蚀性，还有些液体粘度比较大，在化工生产中还伴随着高温、高压、强电磁干扰。目前已有液位传感器存在诸多问题，难以满足需要，如浮子式结构复杂、可靠性差，差压式液位计容易受气压、温度等环境影响；电容式液位计容易发生短路，并且在测量点带电，有产生电火花，从而引起事故的可能(这也是目前飞机上大量使用的液位传感器)；核辐射法对人体影响太大，应用领域有限；热敏电阻法反应太慢，加热点温度高，容易引起火灾；磁致法有可动部件，不能用于运动中液体液位测量；超声波法有测量死区，易受干扰，探头易被污染；雷达法成本高昂，对被测液体介电常数有要求；激光测距法镜头易受污染。特别是普通测量方法都存在传感器带电，引发起火爆炸的危险。

光纤测量是传感器发展的热点领域，光纤传感器性能优良，特别是它在测量现场不带电，具有本质安全防爆的特性，十分适合化工生产中的易燃易爆液体液位测量。目前可见于资料中的光纤式液位传感器可分为两大类：一类是与传统液位测量方法相结合，通过光纤传感器对传统液位传感器的物理量进行测量，从而实现对液位的间接测量。这类传感器中应用最广泛的是光纤压强式液位传感器，它通过光纤测量置于液体底部的压力膜片的形变来测量液位，其缺点是，当外部环境的气压发生变化时，会对测量结果产生影响，并且传感器必须位于液体最底部，当容器发生倾斜时也会对测量结果产生影响。一类是光纤与液体接触，利用菲涅耳公式，通过光纤在不同介质中光损失率的不同进行液位测量。目前人们对这种传感器进行了许多研究，但还没有得到成功应用。2007年西班牙人M Lomer在《Measurement Science & Technology》杂志中发表的《A quasi-distributedlevel sensor based on a bent side-polished plastic optical fibre cable》中提出了一种具体的螺旋形光纤液位传感器设计方法，该方法将普通有包层有护套的光纤紧密缠绕在轴上，在轴的侧面的一条垂直直线上对光纤的侧面进行打磨损耗，通过损耗处进行测量。该方法的缺点是只能在轴的侧面的损耗点处测量液位，所测得液位是不连续的(如果在所有位置进行损耗，就会导致光强损失太大，影响传感器量程)；由于光强的累积性，传感器的分辨率沿垂直方向呈指数型变化。2009年国内吉林大学徐晓峰指导学生完成的硕士论文《新型聚合物光纤液位传感器的精确测量技术研究》中也提出了与西班牙人的文章相同的液位传感器。

实用新型内容

为解决可燃液体液位测量难题，本实用新型的目的在于提供一种能够实现连续测量、线性度好且抗干扰能力强的螺旋形侧发光光纤液位传感器。

本实用新型提供了一种螺旋形侧发光光纤液位传感器，包括传感器轴、液位测量光纤、入射光纤和出射光纤，液位测量光纤为侧发光光纤，其呈螺旋形缠绕在传感器轴上，两端分别与入射光纤和出射光纤相连。

进一步的，所述液位测量光纤在传感器轴上缠绕的螺距由上至下逐渐增大，且能够使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。

进一步的，所述螺距由上至下呈分段阶跃增长或线性增长或指数型增长。

进一步的，所述液位测量光纤的一端通过一个光纤转接头与入射光纤相连，所述液位测量光纤的另一端通过另一个光纤转接头与出射光纤相连。

进一步的，所述传感器轴的直径由上至下逐渐增大，且能够使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。

进一步的，它还包括一折射率测量光纤，该折射率测量光纤的一端为尖端，该尖端位于传感器轴的底部中心，另一端延伸至传感器轴的外部，用于与折射率测量电路连接。

进一步的，它还包括一光纤式温度传感器和一传光光纤，该光纤式温度传感器位于传感器轴内，通过传光光纤延伸至传感器轴的外部，用于与温度测量电路连接。

本实用新型所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器具有以下有益效果：

(1)与现有的螺旋形光纤液位传感器相比，其在光纤的侧面对包层进行损伤，在损伤点处光强损耗较大，只能选取轴侧面一条线上的点进行损伤，即使光纤是紧密的缠绕在一起，这些损伤点之间还是存在间隙，因而不能实现连续测量。而本实用新型中创造性的使用侧发光光纤进行测量，该光纤的整个侧面都可以发生光损耗，并且光损耗的强度合适，因此可以实现连续测量。

(2)与现有的螺旋形光纤液位传感器相比，其光纤紧密地缠绕在轴上，根据光损耗的特性，传感器的输出与液位的变化呈指数型变化，在传感器的下部分辨率更高(单位高度液位变化产生的传感器输出光强变化更大)，在传感器的上部分辨率更低(单位高度液位变化产生的传感器输出光强变化更小)。而本实用新型利用侧发光光纤的损耗系数随着光纤弯曲曲率的增大而增大的特性，使螺旋形光纤的螺距以及传感器轴的直径在垂直方向上产生变化，在传感器的上部采用更小的螺距和更小的直径，这样光纤的曲率更大，增大了传感器上部低分辨率区域的分辨率；在传感器的下部采用更大的螺距和更大的直径，这样光纤的曲率更小，减小了传感器下部高分辨率区域的分辨率，也减少了传感器下部的光损耗；这样，本实用新型的传感器更为线性化。

(3)与现有的光纤压强式液位传感器相比，其所测量的压强为液体重力产生的压强与容器内大气压强之和，这样容器内的气压变化会给测量带来误差。而本实用新型使用光纤侧面的损耗对液位进行测量，光损耗值与气压没有任何关系，因此本实用新型的抗干扰能力更强。

(4)本实用新型所述的光纤液位传感器还采用了折射率测量光纤，可自动根据液体折射率修正测量结果，能够适应各种不同折射率的液体液位测量而不用进行重新标定。本实用新型还通过加入光纤温度传感器，进一步消除了温度变化的干扰，提高了传感器的抗干扰能力。

(5)本实用新型所用材料为侧发光光纤，与光纤压强式液位传感器中使用的光纤光栅相比，该材料成本低廉；本实用新型的较佳实施方式只对光强进行检测，与光纤压强式液位传感器中需要对波长进行检测相比，信号处理电路的成本更低。

附图说明

图1是本实用新型所述的较佳实施方式的剖面示意图；

图2是本实用新型所述的较佳实施方式的立体示意图；

图3是侧面发光光纤液位测量传光示意图；

图4是光纤转换接头示意图；

图5是传感器轴直径变化的一种实施方式示意图；

图6是折射率修正实施方式示意图；

图7是折射率测量传光示意图；

图8是温度修正实施方式示意图。

具体实施方式

现结合图1至图8分别说明本实用新型螺旋形侧发光光纤液位传感器的较佳实施方式。

螺旋形侧发光光纤液位传感器的较佳实施方式如图1、图2所示，其由传感器轴1、液位测量光纤L1、第一光纤转接头L2、第二光纤转接头L3、入射光纤L4、出射光纤L5、第一电光转换模块L6和第一光电转换模块L7组成。传感器轴1为传感器的主体结构，其为一空心轴，安装在容器2的内部；液位测量光纤L1为侧发光光纤，呈螺旋形缠绕在传感器轴1上，螺距由上至下随液位降低而增大，可以呈分段阶跃增长或呈线性增长或呈指数型增长，也可以呈其他类型函数增长，只要能够使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。第一光纤转接头L2安装在传感器轴1的顶部侧壁，将液位测量光纤L1的上端与入射光纤L4相接；入射光纤L4的另一端延伸到容器2外，与第一电光转换模块L6相接。第二光纤转接头L3安装在传感器轴1的底部侧壁，将液位测量光纤L1的下端与出射光纤L5相接；出射光纤L5的另一端延伸到容器2外，与第一电光转换模块L7相接。外部电路产生方波驱动电-光转换模块L6发出峰值为580nm的调制光，并通过入射光纤L4与第一光纤转接头L2耦合到液位测量光纤L1中去；调制光在液位测量光纤L1中产生衰减，当光纤处于空气4中时衰减较小，当光纤处于液体3中时衰减较大；调制光经过液位测量光纤L1的损耗后，通过第二光纤转接头L3耦合到出射光纤L5中，并在出射光纤L5的终端被第一光电转换模块转换成电信号，并由外部电路对电信号进行处理，将其转换为液位测量值。

在此实施方式中，也可以交换第一电光转换模块L6与第一光电转换模块L7的位置，使第一电光转换模块L6与出射光纤L5相接，使第一光电转换模块L7与入射光纤L4相接。

液位测量光纤L1的测量原理如图3所示，其材料是侧发光光纤，由纤芯F1和包层F2组成，在包层F2靠近F1的内表面有许多细微的结晶体F3，外环包层的外面为被测介质3，内环包层的外面为传感器轴1。根据波动光学理论，即使光纤中传输光线LI1能在纤芯F1-包层F2界面发生全反射，光波也会进入包层F2内表面一定的深度。当光波LI1进入包层F2后遇到结晶体F3时，会发生散射，如图中LI2等散射光向包层F2的外表面传播，LI3等散射光透过纤芯F1-包层F2界面重新耦合到纤芯F1中向前传播。到达包层F2外表面的光波LI2会发生反射与折射现象，因而光纤中传输的光会发生损耗。

定义传感器光损耗系数k为传感器单位高度光纤中产生的功率衰减分贝数，可表示为

$k=\frac{10}{H}\lg \frac{P_i}{P_o}---\left(1\right)$

设传感器在空气中的光损耗系数为k_a，在被测液体中的光损耗系数为k_l，传感器高度为H，液位高度为h，传感器输入光强为P_i，由公式(1)可得到传感器输出光强P_o为

$P_o={10}^{-\frac{(k_l-k_a)h}{10}}\·{10}^{-\frac{k_{a}H}{10}}{P}_i---\left(2\right)$

由公式(2)可看出，输出光强P_o与输入光强P_i之间的关系由传感器损耗系数k与液位高度h确定：

(1)传感器损耗系数k值与被测介质的折射率有关：根据菲涅耳公式，包层F2外表面的反射系数、透射系数与入射角、包层F2折射率、被测介质3的折射率有关，且反射系数与折射系数的和为1。当入射角确定时，包层F2折射率已定，折射系数就只与被测介质3的折射率有关，介质折射率越大，折射系数就越大，透过包层F2外表面损失的光就越多，光损耗系数k也越大；介质折射率越小，折射系数就越小，透过包层F2外表面损失的光就越少，光损耗系数k也越小。空气中的光损耗系数k_a小于液体中的光损耗系数k_l，因此k_l-k_a＞0，这样传感器输出光强P_o就是液位h的单调下降函数。

(2)传感器损耗系数k值与螺旋形光纤的螺距有关：螺距越小，光纤的弯曲半径越小，入射光LI1在纤芯F1的表面的入射角越大，散射光强也越强；同时散射光LI2的入射角也越大，根据菲涅耳公式，折射系数也越大。改变光纤螺距，可以改变传感器损耗系数。按照一定的规律设计光纤螺距，使传感器光损耗系数按如下公式分布：

$k_l=\frac{1}{h}{k}_a(h-H)-\frac{10\lg (1-\mathrm{Ah})}{h}---\left(3\right)$

这样，传感器的输出光强就变为：

P_o＝(1-Ah)·P_i                        (4)

其中，A为一个固定系数，传感器输出光强与输入光强为一线性函数。

通过理论确定传感器光强损耗系数非常困难，因此实际应用中可根据传感器量程设定合适的A值，并将传感器分为数段，通过试验方法确定各段的光纤螺距，使螺距呈分段阶跃增长，就可以得到一个输出与输入光强关系接近于线性函数的传感器；也可设定A值以后，确定一个线性增长或者指数型增长的螺距变化函数，通过试验方法调整函数参数，使得传感器输出曲线接近与公式(4)的变化曲线。

在传感器中，液位测量光纤L1与入射光纤L4、出射光纤L5之间进行连接的第一光纤转接头L2与第二光纤转接头L3的设计很重要。首先，它要能以尽可能小的损耗完成传光光纤与液位测量光纤L1之间的光路转换；其次，它的传光性能要不受被测液体变化的影响；此外，它的安装还不能改变测量光纤的曲率。本实用新型所述的较优的一种光纤转接头，如图4所示，包括光导管C1，外壳C2和密封胶C3。光导管C1由高透光率玻璃构成，两端弯曲成90°角，分别与入射光纤L4与液位测量光纤L1对接且同轴，入射光纤L4与液位测量光纤L1均保持自己的方向而不用特意弯曲以便和光导管对接；光导管C1的侧面镀有一层银镜，以提高光反射率；其两端的端面打磨得很光滑，以减少光能损耗；光导管C1的外面包有外壳C2以保护光路结构；外壳C2与入射光纤L4之间、外壳C2与液位测量光纤L1之间都用密封胶C3严密封住；密封胶C3在油中性质稳定，不容易老化、溶化。通过该转接头，可以实现测量光纤与传光光纤之间的良好耦合。

光纤液位传感器在测量的时候一般必须知道被测液体的折射率才能够正确解算出液位值，这样就需要在实验室获得被测液体的传感器标定曲线，或者是在传感器安装后进行一次标定，这样增加了传感器的维护成本，也限制了传感器的应用。同时液体的纯度变化，以及环境温度、压力变化带来的液体密度变化都会改变液体的折射率，从而给测量带来影响。

前面所述实施方式中，光纤的最小弯曲半径以及光纤弯曲半径的增大速率(弯曲半径变化：传感器高度变化)都受制于传感器轴的直径，使得传感器无法达到最佳实施效果。图5为传感器轴直径变化的一种实施方式剖面示意图，传感器轴的上部直径变小，减小了光纤上部的弯曲半径，下部直径变大，增大了光纤下部的弯曲半径。传感器轴的形状可按如下两种方法确定：

(1)使光纤按照等螺距缠绕在轴上，根据传感器的输出液位特性曲线，在曲线斜率较小的部分减小轴的半径，增大光纤曲率，以提高曲线斜率；在曲线斜率较大的部分增大轴的半径，减小光纤曲率，以降低曲线斜率。经过调整后，使得传感器的液位特性曲线成为一条直线，即：传感器的输出与液位的变化呈线性关系。应用该方法时，须注意不要让传感器的底部半径太大，以免增加传感器尺寸，增大传感器的应用难度。

(2)使光纤的螺距从上至下呈由小到大的线性变化，按照上面所述同样的方法来调整轴的半径，使得传感器的液位特性曲线成为一条直线，即：传感器的输出与液位的变化呈线性关系。该方法可以控制传感器的底部的半径，减小了传感器的应用难度。

本实用新型提出了在传感器中增加一根光纤来测量液体的折射率，在实验室对传感器在不同折射率液体中进行一系列的标定，在实际测量时根据折射率实时测量结果由测量电路自动选择对应的标定曲线进行测量。折射率修正实施方式如图6所示，该方案在上述实施例的基础上增加了一根光纤R2，光纤R2的尖端R1位于传感器轴1的最底部圆心位置，另一端延伸至传感器外部连接光-电/电-光转换模块R3。外部电路产生的调制电信号通过光-电/电-光转换模块R3转换为调制光进入光纤R2，并通过光纤R2的尖端R1反射回来，再通过光-电/电-光转换模块R3转换为测量电信号，外部电路对测量电信号进行处理得到被测液体折射率值。

图7为折射率测量光纤的测量原理图，其结构与点测量光纤液位传感器相同，但在本实用新型中用它来测量折射率而不是用来监测液位有无。光纤R2为石英光纤(因为该光纤的尖端要进行打磨，打磨后的塑料光纤的耐腐蚀性较差，因此用石英光纤，同时红外波段的光在石英光纤中损耗较小，因此光-电/电-光转换模块R3选用红外波段的器件)，其尖端R1制作成圆锥形或其他能够将光纤中的光反射回去的形状，其表面可进行打磨以增强出光强度。折射率测量光纤R2中向下传播的光束LI6在遇到光纤尖端R1与被测液体3的界面时，会发生反射与折射，反射光束与折射光束分别为LI7与LI9，其中光束LI7向着光纤尖端R1的另一面传播；光束LI7在到达光纤尖端R1的另一面时，同样也会发生反射与折射，分别为光束LI8与光束LI10，其中光束LI8沿着光纤向上传播。根据前面提到的菲涅耳公式，反射系数与被测液体3的折射率有关，对光束LI8进行测量，就可以得到液体折射率。

在一些温度变化比较大的场合，如飞机在空中飞行与地面的温度相差很大。温度的变化不仅会导致液体密度、折射率的变化，也会导致光纤的物理性质发生一些改变，因此在折射率修正实施方式中增加装温度测量光纤，形成温度修正实施方式，可以提高液位传感器的抗温度干扰能力。

以下根据图8说明温度修正实施方式的具体实施方式。如图8所示，在传感器轴1的中部的内侧壁上安装了一个光纤式温度传感器T1(其位置可在圆周上的任意位置，但不得影响其他光纤的安装)，并通过传光光纤T2与光-电/电-光转换装置T3(其具体实施方式与所选用的温度传感器T1有关)相连接，外部电路通过转换装置T3产生调制光通过传光光纤T2传输到温度传感器T1，调制光在温度传感器T1中受温度变化相关物理量影响后通过传光光纤T2回到转换装置T3，并转换成温度测量信号。温度传感器T1可以是光纤F-P腔温度传感器，也可以是FBG光栅温度传感器，也可以是LPG光栅温度传感器，这些传感器都是现有技术，在此不多加赘述。增加光纤式温度传感器，增大了传感器的成本与复杂性，但它可以提供被测液体温度，从而可以对传感器输出进行温度补偿，提高了传感器的抗温度干扰能力，同时也可以提供被测液体的更多参数，符合传感器发展的集成化的要求。

通过以上描述可以说明，本实用新型所提供的液位传感器具有测量精确、结构简单、成本低廉、没有可动部件、安全可靠等特点，特别是加装折射率传感器后能够适应各种不同折射率的液体液位测量而不用进行重新标定，加装温度传感器后提高了传感器的抗干扰能力。该传感器特别适用于易燃易爆轻质液体液位测量，如飞机、汽车、轮船等运动体的油箱油量测量，以及储油罐油量测量等测量领域。

本实用新型不仅局限于上述具体实施方式，本领域一般技术人员根据本实用新型公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式实施本实用新型，因此，凡是采用本实用新型的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本实用新型保护的范围。

Claims (8)

1.一种螺旋形侧发光光纤液位传感器，包括传感器轴、液位测量光纤、入射光纤和出射光纤，液位测量光纤为侧发光光纤，其呈螺旋形缠绕在传感器轴上，两端分别与入射光纤和出射光纤相连。

2.根据权利要求1所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，所述液位测量光纤在传感器轴上缠绕的螺距由上至下逐渐增大，且能够使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。

3.根据权利要求2所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，所述螺距由上至下呈分段阶跃增长或线性增长或指数型增长。

4.根据权利要求1所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，所述液位测量光纤的一端通过一个光纤转接头与入射光纤相连，所述液位测量光纤的另一端通过另一个光纤转接头与出射光纤相连。

5.根据权利要求1所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，所述传感器轴的直径由上至下逐渐增大，且能够使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。

6.根据权利要求1-5中任一所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，它还包括一折射率测量光纤，该折射率测量光纤的一端为尖端，该尖端位于传感器轴的底部中心，另一端延伸至传感器轴的外部，用于与折射率测量电路连接。

7.根据权利要求1-5中任一所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，它还包括一光纤式温度传感器和一传光光纤，该光纤式温度传感器位于传感器轴内，通过传光光纤延伸至传感器轴的外部，用于与温度测量电路连接。

8.根据权利要求6所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，它还包括一光纤式温度传感器和一传光光纤，该光纤式温度传感器位于传感器轴内，通过传光光纤延伸至传感器轴的外部，用于与温度测量电路连接。

Images