CN210108473U

CN210108473U - 一种液体液位检测装置

Info

Publication number: CN210108473U
Application number: CN201920929072.2U
Authority: CN
Inventors: 徐叶慧; 潘雪丰; 王杰
Original assignee: Ningbo University
Current assignee: Ningbo University
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2020-02-21
Anticipated expiration: 2029-06-19

Abstract

本实用新型公开了一种液体液位检测装置，其包括宽带光源、光环形器、光开关、两根裸长周期光纤光栅、两根反射用光纤、液体槽、光谱仪，液体槽内上下各竖直设有周壁上有多个通孔的中空保护筒，光环形器的第1个端口与宽带光源的输出端连接、第2个端口与光开关的输入端连接、第3个端口与光谱仪的输入端连接，光开关的两个输出端对应与两根裸长周期光纤光栅的第一端连接，两根裸长周期光纤光栅的第二端对应与两根反射用光纤的非镀银端连接，且每根裸长周期光纤光栅完全竖直悬置于一个中空保护筒的内腔中；优点是能准确反映周围液体液位的变化情况，故障率低、测量数据稳定、检测精度不受环境干扰。

Description

一种液体液位检测装置

技术领域

本实用新型涉及一种液位测量技术，尤其是涉及一种液体液位检测装置。

背景技术

随着工业水平的不断发展，人们对液位测量的精度、广度和抗干扰性提出了越来越高的要求。目前，工业领域应用比较典型的液位测量技术有雷达检测、超声检测、光纤检测等。在雷达检测技术中，雷达传感器的测量信号的运行时间极短，这就给测量信号分析处理提出了极高的要求，且雷达传感器的价格昂贵、技术实施困难；在超声检测技术中，由于超声波的传播速度多受环境因数的影响，因此超声检测信号的可靠性较差、误差较大、校正补偿复杂；在光纤检测技术中，光纤检测的测量范围小、精度低、能量易损耗，不宜测量低粘度液位，长期测量稳定性差。

近年来，光栅光纤的研究备受关注。光纤光栅具有体积小、熔接损耗小、全兼容于光纤、能埋入智能材料等优点，并且光纤光栅的谐振波长对温度、应变、折射率、浓度等外界环境的变化比较敏感，因此，光纤光栅在光纤通信和传感领域已得到了广泛的应用。目前，已报道的光纤光栅传感器可以对振动、频率、压力、电流等多种物理量进行测量。与传统的机械、电子传感器相比，光纤光栅传感器具有诸多优点，如：抗电磁干扰、电绝缘性能好、耐腐蚀、化学性能稳定、体积小、重量轻、几何形状可塑、传输损耗小、传输容量大、测量范围广等。因此，利用光纤光栅来检测液体液位值得研究。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、操作简便的液体液位检测装置，其依据光在液体中和空气中折射率的不同，裸长周期光纤光栅对外界折射率变化有较高的敏感性，光波在光纤内相互干涉的特点，来准确反映周围液体液位的变化情况，其故障率低、测量数据稳定、检测精度不受环境干扰。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种液体液位检测装置，其特征在于包括宽带光源、用于实现光路非可逆传输的具有三端口的光环形器、光开关、两根分别用于检测高液位和低液位的裸长周期光纤光栅、两根反射用光纤、用于盛装液体的液体槽、光谱仪，所述的反射用光纤的第一端为非镀银端，所述的反射用光纤的第二端的端面上镀设有银形成镀银端，所述的液体槽的内腔的上部和下部各竖直设置有一个中空保护筒，所述的中空保护筒的周壁上均匀开设有多个与所述的中空保护筒的内腔相连通的通孔，所述的宽带光源的输出端与所述的光环形器的第1个端口连接，所述的光环形器的第2个端口与所述的光开关的输入端连接，所述的光开关的第1个输出端与第1根所述的裸长周期光纤光栅的第一端连接，第1根所述的裸长周期光纤光栅的第二端竖直穿过位于上方的所述的中空保护筒的内腔后与第1根所述的反射用光纤的非镀银端连接，第1根所述的裸长周期光纤光栅完全竖直悬置于位于上方的所述的中空保护筒的内腔中，所述的光开关的第2个输出端与第2根所述的裸长周期光纤光栅的第一端连接，第2根所述的裸长周期光纤光栅的第二端竖直穿过位于下方的所述的中空保护筒的内腔后与第2根所述的反射用光纤的非镀银端连接，第2根所述的裸长周期光纤光栅完全竖直悬置于位于下方的所述的中空保护筒的内腔中，所述的光环形器的第3个端口与所述的光谱仪的输入端连接。

所述的液体槽的内腔中沿内壁竖直设置有一个固定架，两个所述的中空保护筒固定于所述的固定架上。设置固定架是为了更方便固定两个中空保护筒，其中一个中空保护筒位于固定架的上部，其位置为高警告液位，另一个中空保护筒位于固定架的下部，其位置为低警告液位。

所述的液体槽的周壁的上部开设有进液口，所述的液体槽的周壁的下部开设有排液口。在此，通过进液口的进液操作和排液口的排液操作可以实现液体槽内液位的高低变化及液体的流动，从而可以仿真模拟真实条件下不断变化的液体液位。

所述的宽带光源的输出端与所述的光环形器的第1个端口之间通过第一光纤连接，所述的光环形器的第2个端口与所述的光开关的输入端之间通过第二光纤连接，所述的光开关的第1个输出端与第1根所述的裸长周期光纤光栅的第一端之间通过第三光纤连接，所述的光开关的第2个输出端与第2根所述的裸长周期光纤光栅的第一端之间通过第四光纤连接，所述的光环形器的第3个端口与所述的光谱仪的输入端之间通过第五光纤连接。

所述的第三光纤的第二端固定于位于上方的所述的中空保护筒的入口中，第1根所述的反射用光纤的非镀银端固定于位于上方的所述的中空保护筒的出口中；所述的第四光纤的第二端固定于位于下方的所述的中空保护筒的入口中，第2根所述的反射用光纤的非镀银端固定于位于下方的所述的中空保护筒的出口中。由于第1根所述的裸长周期光纤光栅的第一端与第三光纤的第二端连接，第1根所述的裸长周期光纤光栅的第二端与第1根所述的反射用光纤的非镀银端连接，因此将第三光纤的第二端固定于位于上方的中空保护筒的入口中，并将第1根反射用光纤的非镀银端固定于位于上方的中空保护筒的出口中，可使第1根裸长周期光纤光栅完全竖直悬置于位于上方的中空保护筒的内腔中；同样，由于第2根所述的裸长周期光纤光栅的第一端与第四光纤的第二端连接，第2根所述的裸长周期光纤光栅的第二端与第2根所述的反射用光纤的非镀银端连接，因此将第四光纤的第二端固定于位于下方的中空保护筒的入口中，并将第2根反射用光纤的非镀银端固定于位于下方的中空保护筒的出口中，可使第2根裸长周期光纤光栅完全竖直悬置于位于下方的中空保护筒的内腔中。

所述的第三光纤的第二端与第1根所述的裸长周期光纤光栅的第一端之间、第1根所述的裸长周期光纤光栅的第二端与第1根所述的反射用光纤的非镀银端之间、所述的第四光纤的第二端与第2根所述的裸长周期光纤光栅的第一端之间、第2根所述的裸长周期光纤光栅的第二端与第2根所述的反射用光纤的非镀银端之间均采用光纤熔接机焊接实现连接。

所述的宽带光源的输出端与所述的第一光纤的第一端之间、所述的第一光纤的第二端与所述的光环形器的第1个端口之间、所述的光环形器的第2个端口与所述的第二光纤的第一端之间、所述的第二光纤的第二端与所述的光开关的输入端之间、所述的光开关的第1个输出端与所述的第三光纤的第一端之间、所述的光开关的第2个输出端与所述的第四光纤的第一端之间、所述的光环形器的第3个端口与所述的第五光纤的第一端之间、所述的第五光纤的第二端与所述的光谱仪的输入端之间均通过一个光纤连接头连接。在实际连接时需注意保持光纤连接头的整洁卫生，以防止激光通过光纤连接头时产生较大的损耗。

所述的中空保护筒为呈圆柱形的中空的塑料透明筒体，所述的中空保护筒的入口设置于所述的中空保护筒的轴向顶端面上，所述的中空保护筒的出口设置于所述的中空保护筒的轴向底端面上。在实际设计时，中空保护筒的结构不限，仅要求其入口和出口能够固定住光纤，且液体能够进入到中空保护筒中，使中空保护筒的内腔环境与中空保护筒的外部环境近似相同，如也可将中空保护筒设计为由呈圆柱形的中空的第一塑料透明筒体和呈圆锥形的中空的第二塑料透明筒体一体连接构成，中空保护筒的入口设置于第二塑料透明筒体的窄端端面上、出口设置于第一塑料透明筒体的轴向底端面上。

所述的光开关选用1×2光开关。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

1)该液体液位检测装置利用裸长周期光纤光栅对外界折射率变化有较高的敏感性，通过宽带光源发射出不同波长的光，即可在光谱仪上观察到不同液位对裸长周期光纤光栅的影响所产生的光谱变化，从而可以通过观察光谱的变化来确定液位是否安全。

2)由于液体槽内盛装的液体会进入到中空保护筒内，因此中空保护筒的设置可有效地避免裸长周期光纤光栅因脆性在流动的液体的冲击力下可能发生的断裂，很好地降低了故障率，利于推广应用，并且能够减弱外界风力、温度、压强等对裸长周期光纤光栅的影响，将对裸长周期光纤光栅的主要影响因素控制在仅受水压影响，从而使得测量数据稳定，检测精度不受环境干扰。

3)由于中空保护筒的周壁上均匀设置有数个通孔，液体槽内盛装的液体会通过通孔进入到中空保护筒内，因此可保证中空保护筒的内外部环境处于近似相同的条件下，从而能够准确的感知液体液位变化。

4)该液体液位检测装置的结构简单，且操作方便，操作时仅需开启宽带光源，随后观测光谱仪上显示的光谱即可。

附图说明

图1为本实用新型的液体液位检测装置的组成结构示意图；

图2为本实用新型的液体液位检测装置中的中空保护筒的侧视图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

实施例一：

本实施例提出的一种液体液位检测装置，其包括宽带光源1、用于实现光路非可逆传输的具有三端口的光环形器2、光开关3、用于检测高液位的第1根裸长周期光纤光栅41、用于检测低液位的第2根裸长周期光纤光栅42、两根反射用光纤51、52、用于盛装液体的液体槽6、光谱仪7，反射用光纤51、52的第一端为非镀银端，反射用光纤51、52的第二端的端面上镀设有银形成镀银端，液体槽6的内腔的上部和下部各竖直设置有一个中空保护筒8，中空保护筒8的周壁上均匀开设有多个与中空保护筒8的内腔相连通的通孔81，液体槽6的周壁的上部开设有进液口61，液体槽6的周壁的下部开设有排液口62，通过进液口61的进液操作和排液口62的排液操作可以实现液体槽6内液位的高低变化及液体的流动，从而可以仿真模拟真实条件下不断变化的液体液位，宽带光源1的输出端与光环形器2的第1个端口连接，光环形器2的第2个端口与光开关3的输入端连接，光开关3的第1个输出端与第1根裸长周期光纤光栅41的第一端连接，第1根裸长周期光纤光栅41的第二端竖直穿过位于上方的中空保护筒8的内腔后与第1根反射用光纤51的非镀银端连接，第1根裸长周期光纤光栅41完全竖直悬置于位于上方的中空保护筒8的内腔中，光开关3的第2个输出端与第2根裸长周期光纤光栅42的第一端连接，第2根裸长周期光纤光栅42的第二端竖直穿过位于下方的中空保护筒8的内腔后与第2根反射用光纤52的非镀银端连接，第2根裸长周期光纤光栅42完全竖直悬置于位于下方的中空保护筒8的内腔中，光环形器2的第3个端口与光谱仪7的输入端连接。

实施例二：

本实施例提出的一种液体液位检测装置，其在实施例一的液体液位检测装置的基础上进行了进一步改进，即：液体槽6的内腔中沿内壁竖直设置有一个固定架63，两个中空保护筒8固定于固定架63上。设置固定架63是为了更方便固定两个中空保护筒8，其中一个中空保护筒8位于固定架63的上部，其位置为高警告液位，另一个中空保护筒8位于固定架63的下部，其位置为低警告液位。

实施例三：

本实施例提出的一种液体液位检测装置，其在实施例一或实施例二的液体液位检测装置的基础上进行了进一步限定，即：宽带光源1的输出端与光环形器2的第1个端口之间通过第一光纤91连接，光环形器2的第2个端口与光开关3的输入端之间通过第二光纤92连接，光开关3的第1个输出端与第1根裸长周期光纤光栅41的第一端之间通过第三光纤93连接，光开关3的第2个输出端与第2根裸长周期光纤光栅42的第一端之间通过第四光纤94连接，光环形器2的第3个端口与光谱仪7的输入端之间通过第五光纤95连接。

实施例四：

本实施例提出的一种液体液位检测装置，其在上述各个实施例的液体液位检测装置的基础上进行了进一步限定，即：第三光纤93的第二端固定于位于上方的中空保护筒8的入口中，第1根反射用光纤51的非镀银端固定于位于上方的中空保护筒8的出口中；第四光纤94的第二端固定于位于下方的中空保护筒8的入口中，第2根反射用光纤52的非镀银端固定于位于下方的中空保护筒8的出口中。由于第1根裸长周期光纤光栅41的第一端与第三光纤93的第二端连接，第1根裸长周期光纤光栅41的第二端与第1根反射用光纤51的非镀银端连接，因此将第三光纤93的第二端固定于位于上方的中空保护筒8的入口中，并将第1根反射用光纤51的非镀银端固定于位于上方的中空保护筒8的出口中，可使第1根裸长周期光纤光栅41完全竖直悬置于位于上方的中空保护筒8的内腔中；同样，由于第2根裸长周期光纤光栅42的第一端与第四光纤94的第二端连接，第2根裸长周期光纤光栅42的第二端与第2根反射用光纤52的非镀银端连接，因此将第四光纤94的第二端固定于位于下方的中空保护筒8的入口中，并将第2根反射用光纤52的非镀银端固定于位于下方的中空保护筒8的出口中，可使第2根裸长周期光纤光栅42完全竖直悬置于位于下方的中空保护筒8的内腔中。

实施例五：

本实施例提出的一种液体液位检测装置，其在上述各个实施例的液体液位检测装置的基础上进行了进一步限定，即：第三光纤93的第二端与第1根裸长周期光纤光栅41的第一端之间、第1根裸长周期光纤光栅41的第二端与第1根反射用光纤51的非镀银端之间、第四光纤94的第二端与第2根裸长周期光纤光栅42的第一端之间、第2根裸长周期光纤光栅42的第二端与第2根反射用光纤52的非镀银端之间均采用光纤熔接机焊接实现连接；宽带光源1的输出端与第一光纤91的第一端之间、第一光纤91的第二端与光环形器2的第1个端口之间、光环形器2的第2个端口与第二光纤92的第一端之间、第二光纤92的第二端与光开关3的输入端之间、光开关3的第1个输出端与第三光纤93的第一端之间、光开关3的第2个输出端与第四光纤94的第一端之间、光环形器2的第3个端口与第五光纤95的第一端之间、第五光纤95的第二端与光谱仪7的输入端之间均通过一个光纤连接头(图中未示出)连接，在实际连接时需注意保持光纤连接头的整洁卫生，以防止激光通过光纤连接头时产生较大的损耗。

上述各个实施例中，中空保护筒8为呈圆柱形的中空的塑料透明筒体，中空保护筒8的入口设置于中空保护筒8的轴向顶端面上，中空保护筒8的出口设置于中空保护筒8的轴向底端面上。在实际设计时，中空保护筒8的结构不限，仅要求其入口和出口能够固定住光纤，且液体能够进入到中空保护筒8中，使中空保护筒8的内腔环境与中空保护筒8的外部环境近似相同，如也可将中空保护筒8设计为由呈圆柱形的中空的第一塑料透明筒体和呈圆锥形的中空的第二塑料透明筒体一体连接构成，中空保护筒8的入口设置于第二塑料透明筒体的窄端端面上、出口设置于第一塑料透明筒体的轴向底端面上。

上述各个实施例中，光开关3选用1×2光开关。

上述各个实施例中，宽带光源1采用现有技术，宽带光源1工作时，其可不断发射固定波段的光波，光波经光环形器2与光开关3后到达两根裸长周期光纤光栅，再经反射用光纤51、52的反射后又经过光开关3与光环形器2传输到光谱仪7；具有三端口的光环形器2是一种三端口非互易光学器件，当光由光环形器2的第1个端口输入时，光几乎毫无损失地由光环形器2的第2个端口输出；当光由光环形器2的第2个端口输入时，光几乎毫无损失地由光环形器2的第3个端口输出；1×2光开关采用现有技术，其可通过逻辑切换自由选择光波传输通路；裸长周期光纤光栅是利用物理方法对长周期光纤光栅直接进行去皮获得的；反射用光纤51、52为在普通的光纤的一端的端面上镀银形成，反射用光纤51、52利用镀银的一端来反射光波；光谱仪7采用现有技术，光谱仪7上的光谱变化能够反映液位对于裸长周期光纤光栅的影响，进而来判断液位是否安全；固定架63可以为一块木板，利用强力胶水直接将中空保护筒8的外周壁与固定架63的表面粘接，以确保中空保护筒8的位置固定不变；位于上方的中空保护筒8的位置为高警告液位，位于下方的中空保护筒8的位置为低警告液位。

本实用新型的液体液位检测装置的工作过程为：在安全液位时，开启宽带光源1，宽带光源1的输出端发射的光波经光环形器2的第1个端口传输到第2个端口，经过光开关3，光开关3进行逻辑切换，使得光波传输到用于检测高液位的裸长周期光纤光栅41，再经反射用光纤51的反射后又通过光开关3，由光环形器2的第2个端口传输到第3个端口，到达光谱仪7，光谱仪7实时检测并记录光谱作为第一光谱，此时用于检测高液位的裸长周期光纤光栅41的周围无液体存在，等效为空气环境；对光开关3进行逻辑切换，使光波传输到用于检测低液位的裸长周期光纤光栅42，此时用于检测低液位的裸长周期光纤光栅42完全浸没在液体中，光在液体中的折射率大于空气中的，且裸长周期光纤光栅对环境十分敏感，因此检测到的光谱会有较大的变化，记录该时刻光谱仪7上的光谱作为第二光谱；在记录下第一光谱和第二光谱之后，再进行进液操作，选择光开关3逻辑切换到用于检测高液位的裸长周期光纤光栅41，当光谱仪7上检测到的光谱偏离第一光谱且趋向第二光谱时，则说明液位到达了高警告液位，则停止进液操作，为此达到警告效果；或在记录下第一光谱和第二光谱之后，再进行排液操作，选择光开关3逻辑切换到用于检测低液位的裸长周期光纤光栅42，当光谱仪7上检测到的光谱偏离第二光谱且趋向第一光谱时，则说明液位到达了低警告液位，则停止排液操作，为此达到警告效果。

Claims

1.一种液体液位检测装置，其特征在于包括宽带光源、用于实现光路非可逆传输的具有三端口的光环形器、光开关、两根分别用于检测高液位和低液位的裸长周期光纤光栅、两根反射用光纤、用于盛装液体的液体槽、光谱仪，所述的反射用光纤的第一端为非镀银端，所述的反射用光纤的第二端的端面上镀设有银形成镀银端，所述的液体槽的内腔的上部和下部各竖直设置有一个中空保护筒，所述的中空保护筒的周壁上均匀开设有多个与所述的中空保护筒的内腔相连通的通孔，所述的宽带光源的输出端与所述的光环形器的第1个端口连接，所述的光环形器的第2个端口与所述的光开关的输入端连接，所述的光开关的第1个输出端与第1根所述的裸长周期光纤光栅的第一端连接，第1根所述的裸长周期光纤光栅的第二端竖直穿过位于上方的所述的中空保护筒的内腔后与第1根所述的反射用光纤的非镀银端连接，第1根所述的裸长周期光纤光栅完全竖直悬置于位于上方的所述的中空保护筒的内腔中，所述的光开关的第2个输出端与第2根所述的裸长周期光纤光栅的第一端连接，第2根所述的裸长周期光纤光栅的第二端竖直穿过位于下方的所述的中空保护筒的内腔后与第2根所述的反射用光纤的非镀银端连接，第2根所述的裸长周期光纤光栅完全竖直悬置于位于下方的所述的中空保护筒的内腔中，所述的光环形器的第3个端口与所述的光谱仪的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种液体液位检测装置，其特征在于所述的液体槽的内腔中沿内壁竖直设置有一个固定架，两个所述的中空保护筒固定于所述的固定架上。

3.根据权利要求1所述的一种液体液位检测装置，其特征在于所述的液体槽的周壁的上部开设有进液口，所述的液体槽的周壁的下部开设有排液口。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种液体液位检测装置，其特征在于所述的宽带光源的输出端与所述的光环形器的第1个端口之间通过第一光纤连接，所述的光环形器的第2个端口与所述的光开关的输入端之间通过第二光纤连接，所述的光开关的第1个输出端与第1根所述的裸长周期光纤光栅的第一端之间通过第三光纤连接，所述的光开关的第2个输出端与第2根所述的裸长周期光纤光栅的第一端之间通过第四光纤连接，所述的光环形器的第3个端口与所述的光谱仪的输入端之间通过第五光纤连接。

5.根据权利要求4所述的一种液体液位检测装置，其特征在于所述的第三光纤的第二端固定于位于上方的所述的中空保护筒的入口中，第1根所述的反射用光纤的非镀银端固定于位于上方的所述的中空保护筒的出口中；所述的第四光纤的第二端固定于位于下方的所述的中空保护筒的入口中，第2根所述的反射用光纤的非镀银端固定于位于下方的所述的中空保护筒的出口中。

6.根据权利要求5所述的一种液体液位检测装置，其特征在于所述的第三光纤的第二端与第1根所述的裸长周期光纤光栅的第一端之间、第1根所述的裸长周期光纤光栅的第二端与第1根所述的反射用光纤的非镀银端之间、所述的第四光纤的第二端与第2根所述的裸长周期光纤光栅的第一端之间、第2根所述的裸长周期光纤光栅的第二端与第2根所述的反射用光纤的非镀银端之间均采用光纤熔接机焊接实现连接。

7.根据权利要求6所述的一种液体液位检测装置，其特征在于所述的宽带光源的输出端与所述的第一光纤的第一端之间、所述的第一光纤的第二端与所述的光环形器的第1个端口之间、所述的光环形器的第2个端口与所述的第二光纤的第一端之间、所述的第二光纤的第二端与所述的光开关的输入端之间、所述的光开关的第1个输出端与所述的第三光纤的第一端之间、所述的光开关的第2个输出端与所述的第四光纤的第一端之间、所述的光环形器的第3个端口与所述的第五光纤的第一端之间、所述的第五光纤的第二端与所述的光谱仪的输入端之间均通过一个光纤连接头连接。

8.根据权利要求1所述的一种液体液位检测装置，其特征在于所述的中空保护筒为呈圆柱形的中空的塑料透明筒体，所述的中空保护筒的入口设置于所述的中空保护筒的轴向顶端面上，所述的中空保护筒的出口设置于所述的中空保护筒的轴向底端面上。

9.根据权利要求1所述的一种液体液位检测装置，其特征在于所述的光开关选用1×2光开关。