CN214040243U - 一种光纤液位传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开的一种光纤液位传感器，包括照明光纤束、接收光纤束和柱面镜；所述照明光纤束的出光端和接收光纤束的接收端分别位于柱面镜的两侧，接收光纤束由多个接收光纤组成，多个接收光纤的接收端自上而下排布，光线自照明光纤束的入光端射入，出光端的光线经过柱面镜能够被接收光纤的接收端接收，工作时，位于液体中接收光纤的接收端，其对应的观测端呈现高亮度，位于液体外部的接收光纤的接收端，其观测端呈现低亮度，根据接收光纤观测端的亮度确定液面高度。本实用新型使用时，占用空间小，仅通过对端面图像进行处理，即可获得液面高度信息，其计算精度相对较高，并且稳定性也高，测量时，带电部位与液体分离，不会产生安全隐患。

Description

一种光纤液位传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤液位传感器，应用于主要为使用液体燃料的动力机械领域，也可用于其他需要测量液位的领域。

背景技术

所有使用液体燃料的动力机械，都要使用液位传感器，用来监视测量燃油以及其他工作用油的存量。目前广泛使用的液位传感器有电阻式、电容式、超声波式，以及光电开关式等。其中电阻式要配合浮子，浮子通过机械连接到电位器，液位的变化通过浮子和有关机械机构，传递到电位器，变成电位器阻值的变化。光电开关液位传感器只能检测液位是否到达某一确定位置，不能进行连续液位变化的测量。电容式液位传感器的原理见图1。

图1中电容传感器的材料为金属，通常形状为隔离的两个同心圆桶，液体可以进入内外桶之间的空间。由于液体的介电常数大于空气，当液位高度不同时，电容的容量发生相应的变化，这个变化通常用电桥电路进行检测，电桥输出到测量电路，通过适当的处理，得出液位高度。

图2是光电开关式液位探测器示意图。在棱镜23内封装有光源22和光敏元件21。棱镜23折射率与液体24折射率相近。在液体24脱离棱镜23时，一定发散角内的光线在棱镜23内发生全反射，大部进入光敏元件21。在液体24淹没棱镜23时，全内反射条件被破坏，光线直接进入液体，光敏元件1接收到的光能量锐减。于是光电输出可以反映液位。

上述几种液位传感器各自有其技术特点，超声波液位传感器安装于储箱外部，不占用储箱内部空间，储箱内部无带电部件，安全性好，但通常精度不高，测量值受温度及气压的影响较大。电阻式液位传感器可以获得较高的测量精度，但是由于机械装置和运动零件的存在，测量的实时性不高，且存在机械失效的风险。光电开关式液位传感器只能监视液位是否超过某一固定位置，不能给出任意位置的液位测量值。电容式液位传感器可以达到较高的测量灵敏度，但是温度和压力对测量结果有较大影响。另外电容传感器要占用储箱内部容积，电容带电存在安全隐患，电容及其支撑结构有较大的附加重量。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种光纤液位传感器，该方案结构简单，占用储箱内部少量空间，液体不与带电部件接触，测量精度高，响应速度快。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种光纤液位传感器，包括照明光纤束、接收光纤束和柱面镜；

所述照明光纤束的出光端和接收光纤束的接收端分别位于柱面镜的两侧，并且出光端和接收端的端面均与柱面镜的轴线平行，接收光纤束由多个接收光纤组成，多个接收光纤的接收端自上而下排布，每个接收光纤的接收端高度用于表征不同的液位高度；

光线自照明光纤束的入光端射入，出光端的光线经过柱面镜能够被接收光纤的接收端接收，工作时，位于液体中接收光纤的接收端，其对应的观测端呈现高亮度，位于液体外部的接收光纤的接收端，其观测端呈现低亮度，根据接收光纤观测端的亮度确定液面高度。

优选的，所有接收光纤的观测端汇聚成光纤束。

优选的，所述照明光纤束由多个照明光纤组成，多个照明光纤自上而下间隔排布。

优选的，所述柱面镜的折射率与测量液体的折射率相同。

优选的，所述照明光纤的数量少于接收光纤的数量。

优选的，所述照明光纤、柱面镜和接收光纤均设置在条形的基座上；

所述基座的两侧形成有凸起的固定部，固定部沿基座的长度方向设置，固定部上设置有沿其长度方向间隔排布光纤孔，两个固定部的光纤孔位于同一平面，接收光纤的接收端和照明光纤的出光端分别插装在两个固定部的光纤孔中，柱面镜设置在两个固定部之间。

优选的，固定部的顶面设置内凹的胶槽，胶槽中注入灌封胶，使照明光纤和接收光纤分别与固定部固接。

优选的，所述基座安装在保护筒中，保护筒的上端设置光纤束保持器，光纤束保持器上设置两个光纤束孔，照明光纤束和接收光纤束自保护筒的上端引出，并分别设置在光纤束孔中，照明光纤束的顶部设置光源，接收光纤束的顶部设置摄像头。

优选的，所述光纤束保持器的顶部设置有光电法兰，其正对两个光纤束孔的位置设置有两个观察孔，观察孔中设置有密封玻璃，光源设置在正对照明光纤束的观察孔中，并位于密封玻璃的顶部，摄像头设置在另一个密封玻璃的顶部。

优选的，所述光电法兰的顶部设置有遮光筒，所述观察孔位于遮光筒中，摄像头设置在遮光筒顶部。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供的一种光纤液位传感器，包括照明光纤束、接收光纤束和柱面镜，照明光纤束的出光端和接收光纤束的接收端分别位于柱面镜的两侧，接收光纤束中的多个接收光纤对应的接收端沿测量深度方向自上而下依次排列，每个接收光纤接收端的高度用于表征不同的液位高度；利用柱面镜的折射原理，照明光纤中的出射光自出光端射出，照射在柱面镜上，处于外部的柱面镜将出射光折射，因此位于液体外部的接收光纤不会接收到光线，其对应的观测端的亮度较低，而处于液体中的柱面镜的折射率与液体的折射率相同，因此出射光不会被折射，进而被位于液体中的接收光纤接收，接收光纤对应的观测端呈高亮度，根据亮度能够准确测量液面高度，理论上将接收光纤越细，排布密度越大，则测量的精度越高，本实用新型使用时，占用空间小，仅通过对端面图像进行处理，即可获得液面高度信息，其计算精度相对较高，并且稳定性也高，测量时，带电部位与液体分离，不会产生安全隐患，此外，该液位传感器的适用性强，测量液体的温度和压力对测量结果不会够成任何影响。

附图说明

图1为电容式液位传感器原理示意图；

图2为光电式液位传感器探测原理示意图；

图3为本实用新型光纤液位器在空气中的原理示意图；

图4为本实用新型光纤液位器在液体中的原理示意图；

图5为本实用新型光纤液位器在空气中的截面图；

图6为本实用新型光纤液位器的正视图；

图7为本实用新型光纤液位器的液体中的截面图；

图8为本实用新型光纤液位器的剖视图；

图9为本实用新型光纤液位器的轴向剖视图。

图中：1、接收光纤束；2、接收光纤；3、胶槽；4、保护筒；5、基座；6、螺钉；7、柱面镜；8、照明光纤；9、照明光纤束；10、灌封胶；11、电路板；12、电缆插座；16、光电法兰；24、液体；31、端盖；34、摄像头；36、压圈；37、光纤束保持器；39、密封玻璃；40、密封垫。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

参阅图3和4，一种光纤液位传感器，包括光源、照明光纤束9、接收光纤束1和柱面镜7。

上述照明光纤束9的出光端和接收光纤束1的接收端分别位于柱面镜7的两侧，并且出光端和接收端的端面均与柱面镜的轴线平行，照明光纤束9由多个照明光纤8组成，接收光纤束1由多个接收光纤2组成，多个照明光纤8和多个接收光纤2均自上而下间隔排布，每个接收光纤2接收端的高度用于表征不同的液位高度。

光源发射的光线自照明光纤束9的入光端射入，自出光端射出，然后经过柱面镜能够被接收光纤的接收端接收，工作时，位于液体中接收光纤2的接收端，其对应的观测端呈现高亮度，位于液体外部的接收光纤2的接收端，其观测端呈现低亮度，根据接收光纤观测端的亮度确定液面高度。

下面对本实用新型提供的光纤液位传感器的测量原理进行说明。

参阅图3，该图表示柱面镜7和接收光纤2位于空气中的状态，照明光纤中的出射光自出光端射出，出射光经过柱面镜并被柱面镜偏折，不能被接收光纤的接收端接收，使得接收光纤端部A处为阴影区，从接收光纤的观察端看进去，该接收光纤显示为暗。

参阅图4，该图表示柱面镜7和接收光纤2位于液体中的状态，照明光纤中的光从端部射出，由于液体的折射率与柱面镜基本相同，柱面镜不再偏折光线，于是光纤能够进入接收光纤的接收端，自对应的观测端看去，该接收光纤的观测端显示为亮，因此可以反映出液位。

上述光源可以是任何电光源，可以是单个或多个发光元件。光源的光路上设置聚光镜，聚光镜将光源所发出的发散角较大的光线汇聚到有效照明区域内的透镜系统，可以是单个或多个光学透镜，在照度足够的情况下可以省略透镜系统。

所有接收光纤的接收端自上而下间隔排列，或者紧贴排列，相邻接收光纤的间距即为测量分辨率，接收端的端面为垂直平面，所有接收光纤的观测端根据一定规则有序汇聚成束。通过摄像头对接收光纤的观测端拍照，对图像进行处理，便可获得液面高度信息。

接收光纤束的观测端可以是矩形，也可以是圆形。

其中，各光纤可以按深度有序排列，也可无序排列，无序排列时液体的深度可以通过统计高亮度光纤的数目获得。

所述摄像头34可以是满足精度和速度要求的任何摄像头，图像传感器可以是CMOS或CCD元件。

所有照明光纤的出光端自上而下间隔排列，或者紧贴排列，出光端的端面为垂直面，所有照明光纤的入光端汇聚成束，照明光纤的数量可以少于接收光纤的数量，原则是使所有接收光纤端的接收端得到均匀有效照明。

参阅图5-7，上述照明光纤、柱面镜和接收光纤均设置在长条形的基座5上，基座的两侧形成有凸起的固定部，固定部沿基座的长度方向设置，固定部上设置有沿其长度方向间隔排布光纤孔，两个固定部的光纤孔位于同一平面，接收光纤的接收端和照明光纤的出光端分别插装在两个固定部的光纤孔中，在两个固定部的顶面设置内凹的胶槽3，胶槽中注入灌封胶10，使照明光纤和接收光纤与固定部形成整体，避免光纤移动，同时，光学隔离相邻光纤，防止接收串扰。柱面镜7设置在两个固定部之间，并位于出光端的光路上，柱面镜7与基座固接。

再次参阅6和7，工作时，将基座竖直放置在液体24中，照明光纤中的光从端部射出，位于液体中的柱面镜不偏折光线，位于液体中的接收光纤的接收端能够接收到出光端的发射光，因此该接收光纤的观测端显示为亮，根据该接收端的高度即可确定液位高度。

实施例1

参阅图8和9，一种光纤液位传感器，包括基座5、保护筒4、光电法兰16、光纤束保持器37。

按照上述结构在基座5上安装照明光纤、接收光纤和柱面镜，该结构已经详细阐述，在此不再赘述。

保护筒的两端开口的空心圆筒，基座的一侧为圆弧面，使基座能够沿其轴向配装至保护筒中，基座通过螺钉6与保护筒固定连接，照明光纤和接收光纤分别汇聚成照明光纤束和接收光纤束自保护筒的上端引出。

光纤束保持器37套设保护筒的上端，光纤束保持器37正对保护筒的区域设置有两个光纤束孔，照明光纤束和接收光纤束的端部分别固定在两个两个光纤束孔中，并将照明光纤束和接收光纤束的端面加工为平面。

照明光纤束的光纤束孔为圆形孔，接收光纤束的光纤束孔为方形孔。

光电法兰16与保护筒同轴设置，并位于光纤束保持器37的顶部，光电法兰16上设置有两个观察孔，两个观察孔分别与两个光纤束孔同轴，每个观察孔中一密封玻璃39，密封玻璃39通过压圈36固定在观察孔中，并通过密封垫40与观察孔密封。

光电法兰16的顶部设置有遮光筒，遮光筒的上端设置有电路板和与其连接的摄像头，摄像头正对接收光纤束，遮光筒的顶部设置有端盖31，遮光筒的侧壁设置电缆插座12，用于连接电路板。

使用时，将保护筒伸入至油箱中，将光电法兰通过螺栓固定在油箱壁上，通过摄像头获取接收光纤束光侧端的图像，对图像进行处理，由于接收光纤等间距排列，因此可以根据导通光纤的数量，便可获得液面高度信息。

由于照明光纤端面出射的是圆锥光束，因此可以使用数量较少，直径较粗的光纤。在没有液体的情况下，照明光线被柱面镜折射，偏离接收光纤端面，可视作光传输被关断。

基座采用透明PMMA材料的条形制成，PMMA的折光率与煤油相同，照明光纤使用直径为0.5mm的PMMA裸光纤，一共200条，长度0-1200mm，加适当余量。接收光纤使用直径为0.25mm的PMMA裸光纤，一共1200条，长度0-1200mm，加适当余量。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤液位传感器，其特征在于，包括照明光纤束(9)、接收光纤束(1)和柱面镜(7)；

所述照明光纤束(9)的出光端和接收光纤束(1)的接收端分别位于柱面镜(7)的两侧，并且出光端和接收端的端面均与柱面镜的轴线平行，接收光纤束(1)由多个接收光纤(2)组成，多个接收光纤(2)的接收端自上而下排布，每个接收光纤(2)的接收端高度用于表征不同的液位高度；

光线自照明光纤束(9)的入光端射入，出光端的光线经过柱面镜能够被接收光纤的接收端接收，工作时，位于液体中接收光纤(2)的接收端，其对应的观测端呈现高亮度，位于液体外部的接收光纤(2)的接收端，其观测端呈现低亮度，根据接收光纤观测端的亮度确定液面高度。

2.根据权利要求1所述的一种光纤液位传感器，其特征在于，所有接收光纤的观测端汇聚成光纤束。

3.根据权利要求1或2所述的一种光纤液位传感器，其特征在于，所述照明光纤束(9)由多个照明光纤(8)组成，多个照明光纤(8)自上而下间隔排布。

4.根据权利要求3所述的一种光纤液位传感器，其特征在于，所述柱面镜的折射率与测量液体的折射率相同。

5.根据权利要求1或4所述的一种光纤液位传感器，其特征在于，所述照明光纤的数量少于接收光纤的数量。

6.根据权利要求1或4所述的一种光纤液位传感器，其特征在于，所述照明光纤、柱面镜和接收光纤均设置在条形的基座(5)上；

所述基座的两侧形成有凸起的固定部，固定部沿基座的长度方向设置，固定部上设置有沿其长度方向间隔排布光纤孔，两个固定部的光纤孔位于同一平面，接收光纤的接收端和照明光纤的出光端分别插装在两个固定部的光纤孔中，柱面镜(7)设置在两个固定部之间。

7.根据权利要求6所述的一种光纤液位传感器，其特征在于，固定部的顶面设置内凹的胶槽(3)，胶槽中注入灌封胶(10)，使照明光纤和接收光纤分别与固定部固接。

8.根据权利要求6所述的一种光纤液位传感器，其特征在于，所述基座安装在保护筒中，保护筒的上端设置光纤束保持器(37)，光纤束保持器(37)上设置两个光纤束孔，照明光纤束(9)和接收光纤束自保护筒的上端引出，并分别设置在光纤束孔中，照明光纤束(9)的顶部设置光源，接收光纤束的顶部设置摄像头。

9.根据权利要求8所述的一种光纤液位传感器，其特征在于，所述光纤束保持器(37)的顶部设置有光电法兰，其正对两个光纤束孔的位置设置有两个观察孔，观察孔中设置有密封玻璃，光源设置在正对照明光纤束的观察孔中，并位于密封玻璃的顶部，摄像头设置在另一个密封玻璃的顶部。

10.根据权利要求9所述的一种光纤液位传感器，其特征在于，所述光电法兰的顶部设置有遮光筒，所述观察孔位于遮光筒中，摄像头设置在遮光筒顶部。

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