CN2876724Y - 数字式光纤液位/压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种数字式光纤液位/压力传感器，其特征在于：它包括前端面为开口的圆筒型壳体，圆管状与外部连接的连通器，弹性波纹管，波纹管底端的反射凸台，光纤准直器及光纤；圆筒型壳体底端面有一个中轴孔与圆筒型壳体内腔连通，该中轴孔内部放置和固定光纤准直器或者光纤；所述的弹性波纹管置于圆筒型壳体内部，其上端与圆筒型壳体顶端密封连接，且让波纹管底端的反射凸台平面与光纤准直器的轴线垂直，使反射凸台与光纤准直器之间形成一光学法布里－珀罗腔体，光纤由中轴孔与光纤准直器连接；所述圆管状与外部连接的连通器一端与弹性波纹管上端密封固定，另一端用于连接外部液体容器。
Description
技术领域
本实用新型设计了一种液位和压力测量传感器，是一种能够对任何液体介质的液位和压力实施高精度，大量程的全程测量的光纤液位传感器和压力传感器。
技术背景
在目前的液位和压力传感器领域中，大多数是以电学原理为基础的传感器，例如：压阻式液位传感器，电容式和压电式液位压力传感器。但是，在石油和天然气等对易燃易爆高危险液体环境下进行液位测量时，则需要采用本质安全的，无电缆连接的液位/压力传感器。
中国专利号为ZL-02224560X和ZL-200420059735.3公开了一种能够应用于上述易燃易爆以及强腐蚀液体液位测量的光纤液位传感器。前种光纤液位传感器主要采用内应力片，外应力片以及光纤组成内，外两个腔体。内腔体是由内应力片与光纤的端面相对而构成的“法布里-珀罗腔”，而外应力片与内应力片之间构成了受力腔体，该受力腔体中充有液体介质。在进行液位测量时，液位的变化使外应力片所受到的压力改变而造成微小形变，并通过受力腔体中的液体介质的传导使内腔体上的内应力片跟随形变，这时，通过光纤入射到内应力片上的光线所反射到光纤端面上的能量就会随着液位的高低变化而发生近似线性变化。因此，通过外部设置的检测设备对出射光强度的连续测量就可以对液位的高低数值进行连续测量。第二种专利的结构，利用的原理和测量的光信号都有相似之处，其共同特点都是直接探测光强度的线性变化。
但是，这两种光纤液位传感器都存在一些不足，都是通过直接测量法布里-珀罗腔反射回来的光强度的线性变化来感应外部液位的变化。这种测量方法特别容易受到使用的激光光源强度波动、环境变化的影响。差动光路可以减少这个问题的影响，但差动光路中相同型号的光探测器灵敏度的不同和随机衰变也会带来测量误差。而且上述方法测量得到的线性区间范围小，量程和精度受到一定的限制。
以上两种光纤液位传感器要解决所述的问题必将带来很高的成本费用和系统的复杂化。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述两种光纤传感器所存在的不足提供一种低成本，高稳定性的光纤液位传感器，该传感器利用弹性波纹管构成一个感应装置，弹性波纹管底端面中心具有反射凸台，其镀膜反射面与光纤或者光纤准直器端面构成一个法布里-珀罗腔，不仅能够在各种环境下对各种液体液位的变化进行大量程测量；而且具有测量精度高，生产工艺简单，价格低廉等特点。
为此，本发明采取的技术方案是：一种数字式光纤液位/压力传感器，其特征在于：它包括前端面为开口的圆筒型壳体，圆管状与外部连接的连通器，弹性波纹管，波纹管底端的反射凸台，光纤准直器及光纤；圆筒型壳体底端面有一个中轴孔与圆筒型壳体内腔连通，该中轴孔内部放置和固定光纤准直器或者光纤；所述的弹性波纹管置于圆筒型壳体内部，其上端与圆筒型壳体顶端密封连接，且让波纹管底端的反射凸台平面与光纤准直器的轴线垂直，使反射凸台与光纤准直器之间形成一光学法布里-珀罗腔体，光纤由中轴孔与光纤准直器连接；所述圆管状与外部连接的连通器一端与弹性波纹管上端密封固定，另一端用于连接外部液体容器。
所述的圆筒型壳体采用热膨胀系数比较小的金属材料。
所述的圆管状与外部连接的连通器一端与弹性波纹管上端密封固定，另一端用于连接外部液体容器。
所述的反射凸台连接在波纹管的底端，其镀膜反射面与光纤准直器垂直，形成一个法布里-珀罗腔体。外部的单模或者多模光纤通过圆筒状壳体底部的中轴孔与光纤准直器连接。
所述的圆筒状壳体的整个内部空间为半径为0.5mm-100mm，深度为0.5mm-100mm的圆柱空腔。
所述的反射凸台的高度可以在0.1mm到50mm范围选取，半径可以在0.001到50mm范围选取，在其表面镀有反薄膜。
所述的反射凸台上光学膜的反射率可以是4％到99.9％。
所述的弹性波纹管是采用的高强度，高疲劳强度的弹性材料，其半径为0.5mm到100mm，长度为0.5mm到100mm的金属波纹管。
为简化加工和装配工艺，采用的大口径光纤或者自聚焦透镜作为光纤准直器，其光束半径为0.05mm到4.0mm。
本实用新型根据容器内的液体压强与深度成正比的关系，也就是：
p＝ρgh
式中P为液体内的压强，ρ为液体的密度，g为重力加速度，h为液体内某点的深度。当液体的密度ρ一定时，通过测量液体的压强，就可以探测到液位。
由以上技术方案和原理可知，本实用新型采用弹性波纹管构成一个完整的压力感应器，波纹管底端具有高反射率的镀膜反射凸台与光纤或光纤准直器端面之间构成一个光学法布里珀罗腔。由于光学结构中的光纤或光纤准直器是固定在壳体上的，通过光纤或光纤准直器入射到镀膜反射凸台再反射到光纤准直器端面就会发生干涉现象，产生干涉条纹。当传感器与外部的液体通过连通器连通时，弹性波纹管会受到外部的压力作用产生形变，引起反射凸台微小的位移变化，也相应地引起光程差的变化，干涉条纹就会有相应的变化和移动。而干涉条纹的变化和移动的条数是随液位的变化而线性变化的，因此检测光纤出射光的条纹数的变化就会检测到被测液位高度的变化。而这种变化是连续的，因此具有很高的测量精度和灵敏度。
由于本实用新型通过测量干涉条纹的变化数来反映液位的变化，而干涉条纹数不受激光光源的强度波动的影响，即使干涉条纹的光强度有一些变化，也很容易读取条纹，克服了光强度波动带来的影响和误差，解决了光学系统中很难解决的一个难题。而且，在工作区的整个信号的传输过程中，都是在光纤中进行，完全不受外部的电磁干扰，也不会给测量的物质带来电击的潜在危险，该传感器本身是本质安全型。因此，这种装置可以应用在几乎任何液体液位和力的测量，特别是有害，易燃易爆的液体液位的测定和压力的测量方面。本实用新型还能够设计为网络化集中管理，对多个目标同时检测，成本还将有所下降，具有极大的实用性和安全性。
附图说明
图1是本实用新型的实例内部结构示意图
具体实施方式
以下，通过实例并结合附图对本实用新型做进一步的详细说明。
在图1中，1.圆管状连通器；2.弹性波纹管；3.镀膜反射凸台；4.圆筒型壳体；5.光纤或光纤准直器；6，多模/单模光纤；
实施方案：如图所示，在本实用新型中的壳体是由外接连通器1和圆筒型壳体4两部分固定连接构成。连接的时候，将反射凸台3固定在弹性波纹管下端面，将弹性波纹管2固定在圆筒型壳体内并调节好位置，再与圆管状连通器连接，弹性波纹管上下移动范围也被限制在圆筒状壳体4内部。带尾纤的光纤准直器5从圆筒型壳体4的底部插入，调试好位置与反射凸台3保持垂直和一定的距离，然后固定。
反射凸台3镀有反射膜，光纤准直器5的出射端面可以镀光学膜，光学膜是半透半反膜，使反射凸台3与光纤准直器5端面之间构成一个法布里-珀罗腔，弹性波纹管在液体的压力作用下产生形变，使得法布里-珀罗腔的腔长发生变化，从而导致干涉条纹的变化和移动。在本实用新型中，光纤6可以是多模光纤，也可以是单模光纤。为安全起见，在光纤准直器5和光纤6外面都套有保护套，在这里特别指出。
本实用新型的弹性波纹管2可以是任何高强度，高疲劳强度的弹性材料，其半径可以从0.5mm到100mm，长度为0.5mm到100mm的范围中选取。要根据测量的量程，精度和价格性能来选材。
本实用新型的工作原理如下：
液体从外部连通器1进入，在液体压力的作用下弹性波纹管2做微小的形变，同时使激光光源经过光纤耦合器，光纤6和光纤准直器5传输进入法布里-珀罗腔。激光经过法布里-珀罗腔的调制后产生的干涉条纹经过光纤准直器5和光纤6输出到光纤耦合器，光纤耦合器将反射光与入射光分开，使反射光进入到光电转换器，光电转换器将光强度的变化转换成电脉冲信号的变化，再由光电信号处理器计数脉冲数并输出液位数据，再由判断方向电路判断干涉条纹移动方向作为液位上升和下降的信号，对干涉条纹的处理和判向也可以用CCD来处理。
本实用新型主要设计的是光纤传感器的传感头部分的结构，采用何种光源和电信号的处理器件不在本实用新型所述之内。
最后应该说明的是：以上实施说明仅用以说明而非限制本实用新型的技术方案，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的技术人员应该理解：在不脱离本实用新型的精神和范围的任何修改和局部替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (6)
1，一种数字式光纤液位/压力传感器，其特征在于：它包括前端面为开口的圆筒型壳体，圆管状与外部连接的连通器，弹性波纹管，波纹管底端的反射凸台，光纤准直器及光纤；圆筒型壳体底端面有一个中轴孔与圆筒型壳体内腔连通，该中轴孔内部放置和固定光纤准直器或者光纤；所述的弹性波纹管置于圆筒型壳体内部，其上端与圆筒型壳体顶端密封连接，且让波纹管底端的反射凸台平面与光纤准直器的轴线垂直，使反射凸台与光纤准直器之间形成一光学法布里-珀罗腔体，光纤由中轴孔与光纤准直器连接；所述圆管状与外部连接的连通器一端与弹性波纹管上端密封固定，另一端用于连接外部液体容器。
2，根据权利要求1所述的数字式光纤液位/压力传感器，其特征在于：所述的圆筒状壳体的整个内部空间为半径为0.5mm-100mm，深度为0.5mm-100mm的圆柱空腔。
3，根据权利要求1所述的数字式光纤液位/压力传感器，其特征在于：所述的波纹管底端中心有一镀光学膜的反射凸台，其高度为0.1mm到50mm。
4，根据权利要求1所述的数字式光纤液位/压力传感器，其特征在于：所述的反射凸台上光学膜的反射率可以是4％到99.9％。
5，根据权利要求1所述的数字式光纤液位/压力传感器，其特征在于：所述的光纤或者光纤准直器前端端面镀半透半反膜，后端接单模或者多模光纤。
6，根据权利要求1所述的数字式光纤液位/压力传感器，其特征在于：所述的弹性波纹管其半径为0.5mm-100mm长度为0.5mm到100mm的弹性波纹管。
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