专利名称：波纹膜片式光纤Bragg光栅液位传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及属光电子测量技术领域，具体地说是一种波纹膜片式光纤Bragg光栅液位传感器。
背景技术：
在现代工业生产过程中，液位是指罐、塔、槽等容器以及自然界的河道、水库里存在的液体的堆积高度和表面位置。液位测量的目的是通过液位的测量确定容器里的液体的数量，以保证生产过程各环节液体平衡以及为进行经济核算提供可靠的依据；在连续生产情况下，通过液位测量，了解液位是否在规定的范围内，对维持正常生产、保证产品的产量和质量、以及保障安全生产具有重要的意义。因此，液位测量是工业生产过程中的重要参量。在众多的测量方法中，压力法是一种根据液柱高度对该处产生的液柱压力间接确定液位的高度，参见《石油化工储运系统储罐区设计规范SH 3007-1999》。由于独特的电绝缘性赋予光纤Bragg光栅抗电磁干扰能力(EMI)和易燃易爆场合的本征安全性，光纤Bmgg光栅液位传感技术发展起来了 。
与本方案接近的文献参见张倩，乔学光，傅海威，贾振安，压力式光纤液位传感器，光通信技术，2007， 31 (5): 11~13。该方案中光纤Bmgg光栅直接粘贴在波纹膜片上，因此，存在测量范围小、传感线性响应差和因膜片应变差异而导致的光栅啁啾等问题；同时，环境温度与外加压力会同时作用于粘贴在波纹膜片上的传感光栅，从而严重降低了压力的测量精度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够精确测量静流体中液位的波纹膜片式光纤Bmgg光栅液位传感器。
本发明的目的是这样实现的本波纹膜片式光纤Bmgg光栅液位传感器由光纤Bragg光栅、波纹膜片、传递杆、等强度悬臂梁、引入引出光纤、固定座、密封环、保护筒组成；波纹膜片通过传递杆与等强度悬臂梁连接波纹膜片通过传递杆将变形传递给等强度悬臂梁，从而导致粘贴在等强度悬臂梁上的光纤Bragg光栅产生相应的Bmgg波长移位，光纤Bragg光栅粘贴在等强度悬臂梁上；固定座用于固定等强度悬臂梁；波纹膜片固定于保护筒和密封环之间，引入引出光纤分别与两支串联的光纤Bmgg光栅的两端联结，以实现传
3感光栅与信号处理装置光连接。
粘贴在等强度悬臂梁上下表面的两支光纤Bmgg光栅串联。
本传感器测量压力的原理是波纹膜片直接与液体压力环境相接触，传动杆将波纹膜 片中心的变形转换为等强度悬臂梁的挠度，从而粘贴于悬臂梁表面的光纤Bragg光栅受应 变调制而产生Bmgg波长移位。波纹膜片和固定于保护筒形成了一个封闭腔， 一方面保障 了安装在腔内的传递杆和等强度悬臂梁只承受来自波纹膜片的压力作用；另一方面，该封 闭腔也同时提供了一个温度稳定的局域环境，使得粘贴在等强度悬臂梁上下表面的两支串 联的光纤Bragg光栅处于同一温度。根据这两支传感光栅对压力和温度的敏感差异，采用
本领域内熟知的差动运算对温度波动干扰压力测量进行补偿，从而实现对因静液位而产生 的压力测量。
本发明的有益效果是由于光纤Bragg光栅是粘贴在等强度悬臂梁上， 一方面避免了
粘贴在波纹膜片上的光栅因膜片应变差异而引入的啁啾；同时，可通过选择悬臂梁的特征
指标(比如长度和厚度)来调整测量灵敏度和测量量程；此外，还能通过粘贴在等强度
悬臂梁上下表面的传感光栅对压力和温度的响应敏感型，通过差动运算对温度波动干扰压
力测量进行补偿，进而为压力测量提供了关键的温度修正数据，可得出较精确的压力数值。
附图l为本发明的结构示意图。
图中各标号依次表示k密封盖；2、引入引出光纤；3、保护筒；4、固定座；5、 密封环；6、波纹膜片；7、传递杆；8、等强度悬臂梁；9、光纤Bmgg光栅。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但实施例不是对本发明的限定。 如图1所示，本波纹膜片式光纤Bmgg光栅液位传感器包括光纤Bmgg光栅9、波 纹膜片6、传递杆7、等强度悬臂梁8;波纹膜片6通过传递杆7将变形传递给等强度悬臂 梁8，从而导致粘贴在等强度悬臂梁8上的光纤Bragg光栅9产生相应的Bragg波长移位； 此外，本波纹膜片式光纤Bragg光栅液位传感器还包括固定座4，用于固定等强度悬臂 梁8;密封环5，与保护筒3共同固定波纹膜片6，引入引出光纤2分别与两支串联的光纤 Bragg光栅9的两端联结。
以不锈钢材料为波纹膜片、等强度悬臂梁制成的弹性元件为例
1.波纹膜片的尺寸如下r(p35mm为波纹膜片的有效半径，/ ^=0.5 mm为波纹膜片的 厚度；2. 波纹膜片的材料选为316L不锈钢，则波纹膜片的Young's模量为￡^=200 GPa，波 纹膜片的Poisson比为;/f0.28 316L。
3. 等强度悬臂梁的尺寸如下/=20皿为悬臂梁的长度、A^2mm为悬臂梁的厚度， 5=10 mm为悬臂梁固定端的宽度，6=2 mm为悬臂梁自由端的宽度。
4. 按附图l配置实验，引入引出光纤的两端分别与两支串联的光纤Bmgg光栅9的两 端联结，以实现传感光栅与信号处理装置光连接。
5. 用光纤光栅分析仪获取光纤Bragg光栅的Bragg波长。
6. 理论计算结果表明，传感光栅Bmgg波长响应水位变化的理论灵敏度为 (MMrZU^ypAZ/HQGx 10-6 m-1 。
7. 测试结果表明当光纤Bragg光栅的初始Bragg波长为传感光栅;i尸1557.185 nm和 ;i2=1555.043 nm时，当水压为0~16 kPa时，即水位为0~1.6 m时，波纹膜片式光纤Bragg 光栅传感器的拟合液位测量灵敏度为333xl0—Sm—1。由于实验中使用的光纤Bragg光栅解调 仪的波长分辨率为0.001 nm，对Bragg波长为1550 nm的光纤Bragg光栅而言，该传感器 的液位测量分辨率是2mm。
8. 理论与测试结果分析理论计算结果和测试结果的灵敏度均为线性关系。因此，对 比分析结果表明，该双管式光纤Bragg光栅温度传感器具有高测量分辨率，测量误差小、 重复性好等优点。
权利要求
1、一种波纹膜片式光纤Bragg光栅液位传感器，其特征在于由光纤Bragg光栅(9)、波纹膜片(6)、传递杆(7)、等强度悬臂梁(8)、引入引出光纤(2)、固定座(4)、密封环(5)、保护筒(3)组成；波纹膜片(6)通过传递杆(7)与等强度悬臂梁(8)连接，光纤Bragg光栅(9)粘贴在等强度悬臂梁(8)上；此外，固定座(4)用于固定等强度悬臂梁(8)；波纹膜片(6)固定于保护筒(3)和密封环(5)之间，引入引出光纤(2)分别与两支串联的光纤Bragg光栅(9)的两端联结。
2、 根据权利要求1所述的波纹膜片液位传感器，其特征在于粘贴在等强度悬臂梁(8)上下表面的两支光纤Bragg光栅(9)串联。
全文摘要
本发明涉及一种波纹膜片式光纤Bragg光栅液位传感器。由光纤Bragg光栅(9)、波纹膜片(6)、传递杆(7)、等强度悬臂梁(8)、引入引出光纤(2)、固定座(4)、密封环(5)、保护筒(3)组成；波纹膜片(6)通过传递杆(7)与等强度悬臂梁(8)连接，光纤Bragg光栅(9)粘贴在等强度悬臂梁(8)上；此外，固定座(4)用于固定等强度悬臂梁(8)；波纹膜片(6)固定于保护筒(3)和密封环(5)之间，引入引出光纤(2)分别与两支串联的光纤Bragg光栅(9)的两端联结。根据这两支传感光栅对压力和温度的敏感差异，采用本领域内熟知的差动运算对温度波动干扰压力测量进行补偿，从而实现对因静液位而产生的压力的精确测量。
文档编号G01F23/14GK101650209SQ20091009494
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月9日 优先权日2009年9月9日
发明者丹 李, 伟 李, 川 李 申请人:昆明理工大学