一种声光耦合的光纤液位传感器系统的制作方法

本发明属于光纤传感技术，材料科学，光电子技术以及声波导技术的交叉领域，涉及到器件封装和光电检测技术，具体为一种采用声光耦合的方式实现大量程液位测量的光纤液位传感器系统。

背景技术：

液位传感器是用来检测液体高度的测量仪器，在液体生产、存储、转移和使用过程中被普遍使用，特别对于极低温、高温、强腐蚀性、剧毒、易挥发和可燃等这几类高危液体，对液位的传感监控几乎是必不可少的，准确的液位监测，有助于安全生产，并在有泄漏风险时及时报警。

在液位传感器中，普遍使用光纤液位传感器进行特殊的液体环境中的液位测量，例如采用光纤布拉格光栅(fbg)实现液位测量。光纤液位传感器相较传统的机械、电学传感器具有明显的优势，诸如，其具有耐极低温和相对高温特性，通常，光纤材料主要成分采用二氧化硅制成，由于二氧化硅耐温性，所以传统光纤液位传感器可测低至液氦温度，高至800度的宽温度范围，远远超出传统机械、电学传感器的使用温度范围；其次，其具有高强的耐腐蚀性，一般情况下，除氢氟酸等强酸外，一般强酸或强碱溶液基本都无法腐蚀光纤。另外，光纤液位传感器还具有非导电性，因此光纤液位传感器还可用于导电液体的测量。

光纤传感器用于液位测量的基本原理是，利用光纤测量手段测量液位的变化，然后将液位信息按照一定的规律转化成电、光、压力、或其它信息的信号并输出，从而实现以满足信息的传输、处理、存储和反馈控制等要求的液位测量。

现有技术中，与光纤相关的液位传感器（也称为光纤液位传感器）包括四大类。第一类，机械式光纤液位传感器，其中，光纤仅简单作为直径小、重量轻、耐高低温、耐腐蚀的“刻度线”使用。光纤一端连接在浮体结构（液位传感器主体）上，另一端连接机械伸缩机构。随着液面浮体结构的位置变化，将导致光纤的长度发生变化。通过记录光纤的物理长度，即可实现液位测量。第二类，光栅式光纤液位传感器，其中，光纤本身作为传感器探头的单点液位传感器，其类似于液位开关，一般使用光纤光栅（如专利文献cn101194160a所记载）、光纤法布里玻罗干涉腔或者表面刻有微结构的光纤来探测液位，当液位到达不同的光栅或微结构位置时，会导致光学特性发生改变，从而以此来测量液位的变化。第三类，传输式光纤液位传感器，该方案中，光纤仅作为光信号的载体使用，通过在光纤端面安装或加工微结构探头，例如压力、折射率变化或温度探头等，利用这些探头探测液位的变化，并将探测到的液位信息转换为光信号，经光纤传导进入信号解调系统，从而实现液位测量（诸如专利文献cn103918288a所记载）。第四类，分布式光纤液位传感器，其特征在于，在光纤上高密度连续加工光纤光栅或分布式光纤振动传感器（例如专利文献wo2015/128680a1所记载），在使用光纤光栅方案中，光栅在液面内外感应不同物理状态，通过检索光栅光谱解调光纤光栅找跳跃点来确认液位。该方案中，光纤光栅的位置是固定的，对光纤光栅的分布密度（或光栅间距）依赖程度较大，是一种准分布式的测量方案。

然而，现有技术中尚不存在一种真正意义上的能够对液位进行全分布式测量的光纤液位传感器解决方案，换言之，还不存在这样的一种仅使用一根光纤，即可完成加注液位和剩余液位的测量的光纤液位传感器解决方案。在现有技术中，为了解决该问题，通常需要使用两种不同的液位传感器来解决。另外，现有技术中也极少提供在极端环境下使用的普适解决方案，可测液氢，液氧，液氦，导电液体以及高温核反应堆水位等。

同时，现有技术中也不存在引入声光光纤耦合方式的光纤液位传感器。查阅全球专利文献以及权威期刊均无相关报道。原理上讲，超声波（当压电换能器加上高频电压时,压电换能器的振动会在媒质中产生超声波）在透明媒质中传播时,媒质折射率发生空间周期性变化,使通过媒质的光线发生改变的现象,称为声光效应。当声波频率增高,且光束宽度比声波波长大得多时,这种折射率的周期性变化起着光栅的作用,使入射光束发生声光衍射,光束通过声场后,出射光束的一侧出现较强的一级衍射光,称为声光布喇格衍射。当超声波穿过固体媒质时,媒质分子电偶极矩发生变化,从而使媒质的折射率发生周期性变化,形成折射率光栅（即超声光栅)。

本发明正是提出一种基于声光光纤耦合方式的光纤液位传感器，即真正意义上的能够对液位进行全分布式测量的光纤液位传感器解决方案，是一种在极端环境下使用的普适解决方案。

技术实现要素：

鉴于上述技术问题，本发明目的在于提供一种能够在极端环境下使用的大量程的光纤液位传感器系统，该系统能够对液位进行全分布式测量，仅使用一根光纤，即可完成加注液位和剩余液位的测量，可测液氢，液氧，液氦，导电液体以及高温核反应堆水位等。

具体的，本发明解决该技术问题采用以下的技术方案：

一种声光耦合的光纤液位传感器系统，其特征在于，包括伸入待测液体内部的光纤、设置于光纤一端用于将光波与声波同时耦合进入光纤的耦合结构、覆盖于光纤表面的与待测液体不相亲的涂覆层、以及声光信号解调系统，其中，光纤的另一端为自由端，悬垂在待测液体中。

根据本发明上述的声光耦合的光纤液位传感器系统，其特征在于，声波与光波均从光纤的一端耦合进入系统，光纤的另一端为自由端悬垂在液体中。

根据本发明上述的声光耦合的光纤液位传感器系统，其特征在于，在声波耦合进入所述光纤的连接处，在所述光纤外部设置有声波耦合套管。该声波耦合套管与所述光纤间使用可固化胶粘接或采用激光熔接连接，从而固定其相对位置。该声波耦合套管外形被设计或打磨成特定形状，优选为适配光纤并适于安装压电陶瓷的形状，从而有益于提高声波耦合效率。

根据本发明上述的声光耦合的光纤液位传感器系统，其特征在于，所述声学耦合套管外再安装一片或多片压电陶瓷片。优选使用两片相对安装的压电陶瓷，可实现各种声波耦合进入光纤的模式。所述声波耦合套管外安装的一块或多块压电陶瓷片作为声波发生器件产生声波。

根据本发明，为避免光纤外悬挂的液滴对液位的影响，光纤外表面优选覆盖与待测液体不相亲的涂覆层。

根据本发明，还包括声光信号解调系统，用于对耦合进入光纤的声波、光波信号进行解调。所述声光信号解调系统主要由该光环行器和波长调节系统组成。当声学光栅在光纤中向前传播光线时，与宽谱光源传播的光线耦合，并且仅反射特定波长的光波，该波长满足光栅布拉格衍射条件。该特定波长的反射光，经过光环形器进入波长解调系统中进行解调。当声波形成的长周期光栅传播至液气界面时，声波传播速度发生改变，进而引起长周期声学光栅的栅距发生变化，由此在光学特性上表现为反射光波长发生突变，这一现象将被持续监测的波长解调系统捕获，通过计算起始声波发生与波长突变的时间间隔，从而即可换算出液面高度。

根据本发明，在某些特殊情况下，例如储液罐有横向加速度或液体呈现强烈振动时，为保证光纤处在液体中的相对稳定位置，可以在光纤自由悬垂端加载重物，或者将其与储液罐底部连接。换言之，所述光纤自由悬浮端加载重物，或者与待测液体的储液罐底部连接，以避免所述光纤在具有横向加速度或者外界强扰动的情况下侧向移动。

如上所述，根据本发明提供的光纤液位传感器系统，是基于声光耦合的原理，使用压电陶瓷把声波耦合进入光纤，并在光纤中形成一个沿光纤传播的声学光栅。其中，声学光栅的生产是基于超声造成的固体折射率变化。由于光纤本体又是一个声学波导，选择合适的超声波频率，在光纤中就能形成声学长周期光纤光栅。该长周期光纤光栅与宽谱光耦合后，可实现特定波长的光反射。当声学波传播至液气交界面时，会形成不连续的声学波模式，造成的效果是声光的耦合效果略有变化，在光学特性上体现为反射光的波长产生变化。通过检测光波长突变的反射时间，并根据声波在光纤中的传播速度，即可计算出液位高度。根据本发明，避免了普通分布式光纤光栅液位传感中需要在光纤中使用物理方法连续刻写光栅的弊端，也克服了使用普通长周期光纤光栅方案量程过小，仅限于光纤光栅长度内的缺点。另一方面，本发明用声波在光纤中仅产生一个动态传播的声波光栅，根据本发明可大幅度降低成本，无需对光纤本身进行改造。另外，本发明的液位测试量程可拓展至声学光栅有效传播距离，约可达数十米。同时，根据本发明，由于声速远远低于光速，计算液位使用的是声波传播时间间隔，而不是光波传播时间间隔，对时间测量的精度需求降低了五个数量级，由此可大大降低硬件设计的成本。根据本发明，给出足够精确的时间测量，即可实现高精度的分布式测量。

根据本发明的光纤液位传感器系统，可以实现超小尺寸，具有非金属特性，非导电特性，耐腐蚀性，耐高低温特性，能够实现大量程连续测量，并且成本低廉。根据本发明，在利用所述光纤液位传感器检测极端环境下的液位场合，例如检测液氢、液氧、液氦、核反应堆水位、以及导电液体时，较常规液位传感器有极大的优势。另外，根据本发明，能够提供一种接触式测量技术，与诸如声学或光学的非接触式测量相比，能够避免由于液面上方环境变化而对测量造成影响，例如蒸汽，气流扰动，粉层等吸波或散射等因素的影响，因此具有很高的可靠性。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的光纤液位传感器系统中使用的声光耦合结构的45度角外观示意图。

图2为本发明具体实施方式的光纤液位传感器系统中使用的声光耦合结构的垂直于中轴线的横截面示意图。

图3a～3c为本发明具体实施方式的光纤液位传感器系统中使用压电陶瓷产生各种声学波模式的示意图。

图4为本发明具体实施方式的光纤液位传感器系统的声光信号解调系统结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图结合具体实施例对本发明作出详细的说明，本领域技术人员懂得，该说明是示例性的，本领域技术人员能够对本发明作出各种修饰和变更，本发明并不仅限于该具体实施方式。

图1为本发明具体实施方式的光纤液位传感器系统中使用的声光耦合结构的45度角外观示意图。图2为本发明具体实施方式的光纤液位传感器系统中使用的声光耦合结构的垂直于中轴线的横截面示意图。

如图1、图2所示，图中示出的均为声波耦合进入光纤结构的状态图，在图中示出了所述光纤液位传感器系统包括光纤1，光纤外套管2（声波耦合套管），压电陶瓷3，紫外可固化胶4，其他种类粘胶5。在本发明具体实施方式中，所述光纤液位传感器系统为一种声光耦合的光纤液位传感器系统，所述光纤1伸入待测液体内部，在所述光纤1的液面外一端，设置有声光耦合结构，该声光耦合结构包括光纤外套管2及压电陶瓷3在内的构件组成的声波耦合结构和光耦合结构（未图示），用于将光波与声波同时耦合进入光纤。在本发明具体实施方式中，光纤1，光纤外套管（声波耦合套管）2及压电陶瓷3这三种构件，其相对位置通过使用紫外可固化胶4和其它种类胶5进行固定。图1、图2所示的耦合结构，被安装在图4中的附图标记3（压电陶瓷）所示出的位置，和其他部件一起构成本发明的声光耦合的光纤液位传感器系统。在所述光纤1的外表面，涂覆了一层与待测液体不相亲的涂覆层（未图示），另外，该光纤液位传感器系统还包括声光信号解调系统（如图4所示，后面将详述），用于对产生的声、光信号进行解调。

如上所述，在本发明具体实施方式中，在所述光纤1的液面外一端，设置有包括光纤外套管2及压电陶瓷3在内的构件组成的声波耦合结构和光耦合结构，用于将光波与声波同时耦合进入光纤，也就是说，该耦合结构中不但包括声波耦合结构还包括光耦合结构。所述光耦合结构可以采用常规光耦合器件，其所处位置如图4中附图标记6所示，在图4中，附图标记6例示为宽谱光源。最简单的光耦合结构诸如采用带有光纤尾纤输出的激光器的结构。除此之外，也可以使用透镜将空间激光聚焦进入光纤纤芯，或者使用带光纤尾纤输出的光分路器等等。而声波耦合结构则采用上述的光纤外套管2配合安装压电陶瓷3的结构。如图4所示，本发明中，作为声波耦合结构（附图标记3所示出的位置）与光耦合结构（附图标记6所示出的位置），都设计在光纤液面外，并且处于同一根光纤上。实际工作时，这两结构同时向光纤中耦合声信号及光信号。一般而言，光耦合结构与声波耦合结构不会完全处于同一位置。由于光纤中光速远大于声速，且数据采集是基于声波传播时间的，因此，这两结构的位置偏差造成的时间误差可忽略不计。从这种意义上讲，本发明具体实施方式中，将光波与声波同时耦合进入光纤的耦合结构可以视为将所述光耦合结构和所述声波耦合结构形成的一体成型结构。

在本发明具体实施方式中，在声波耦合进入所述光纤1的连接处，在所述光纤外部设置声波耦合套管2。该声波耦合套管2（即光纤外套管2）与所述光纤1间使用可固化胶粘接4或采用激光熔接连接。该声波耦合套管2外形被设计或打磨成特定形状，优选为适配所述光纤1并适于安装所述压电陶瓷3的形状，从而有益于提高声波耦合效率。

在本发明具体实施方式中，声波与光波均从所述光纤1的一端耦合进入系统，所述光纤1的另一端为自由端，悬垂在待测液体中。

在本发明具体实施方式中，所述光纤外套管2（即声波耦合套管），其内径比所述光纤1外径稍大。为达到最优的声学耦合效果，所述声波耦合外套管安放至预定位置后，使用液体形式的紫外可固化胶4填充所述套管与光纤的间隙，然后将其固化。这一间隙也可用低温玻璃等可固化液体进行填充。

在本发明具体实施方式中，所述声学耦合套管外可以安装一片或多片压电陶瓷片3。优选使用两片相对安装的压电陶瓷3，可实现各种声波耦合进入光纤的模式。

根据本发明，为避免所述光纤1外悬挂的液滴对液位的影响，所述光纤1外表面优选覆盖与待测液体不相亲的涂覆层。作为这样的涂覆层，现有技术中有很多这样的材料能够实现，本发明中根据应用场合而可以选择任何能够实现与待测液体不相亲的材料作为该涂覆层材料，目前较为流行的是采用纳米涂层材料，其为能够促使任何液体从物体表面反弹出去的纳米涂层，当诸如油类、有机碱溶剂、液氢、液氧、液氦、核反应堆水位、以及导电液体等液体中浸入该光纤时，涂覆于该光纤表面的涂覆层会排斥这些液体，从而不会在该涂覆层上附着该被测液体的液滴。

根据本发明，在某些特殊情况下，例如储液罐有横向加速度或液体呈现强烈振动时，为保证光纤处在液体中的相对稳定位置，可以在光纤自由悬垂端加载重物（未图示），或者将其与储液罐底部连接。

根据本发明，作为紫外可固化胶，可以采用市售的普通的紫外固化胶，通常通过合成ipdi、hea、低聚物二元醇成为不同结构聚氨酯丙烯酸酯预聚体并添加适量助剂制成，主要由光敏剂、活性稀释剂和预聚物组成，光敏剂在适当波长和光强的紫外线照射下，迅速分解成自由基或阳离子，进而引发不饱和键聚合，使材料固化。本发明中具体实施方式中，通过使用液体形式的紫外可固化胶，填充于所述声波耦合外套管与光纤之间的间隙中，然后进行固化，从而将所述套管与光纤固化连接。

作为其他种类粘胶5，可以采用各种各样的除了紫外固化胶之外的粘接胶，例如通用的粘接胶，常温固化型环氧树脂粘接剂，对于金属、陶瓷、木材、玻璃、纤维制品以及硬质塑胶之间的封装粘接具有优异的粘接强度。在本发明中具体实施方式中，如图1所示，为使得压电陶瓷3与光纤外套管2接触良好，在该外套管2外周面局部打磨出平面，以方便用粘接胶5将两者进行固定连接。

图3a～3c为本发明具体实施方式的光纤液位传感器系统中使用压电陶瓷3产生各种声学波模式的结构示意图。如图3a～3c所示，图中所描述结构为在声波耦合外套管2上仅粘贴两片压电陶瓷3的示例。压电陶瓷3片数可以粘贴1片或者多片，为了便于说明，附图中以粘贴两片作为示例。通过控制压电陶瓷3的振动方向，可以实现声波耦合进入光纤的各种模式。其中，图3a～3c中的箭头指示在某一时刻，压电陶瓷的振动方向。图3a中，两压电陶瓷3振动方向一致，都沿着垂直于光纤轴线的方向，该振动产生横波；图3b中，两压电陶瓷3振动方向相反，但都沿着垂直于光纤轴线的方向，该振动产生旋转波；图3c中，两压电陶瓷3振动方向一致，且都沿着光纤轴线方向，该振动产生纵波。这三种声波都可以在光纤中产生声学光栅。但是，不同模式的声波在光纤中的传播速度不一样，需根据相应的声波模式，调节声波的发生频率，从而使声波光栅满足长周期光栅的要求，实现与光波的顺利耦合。

如图3所描述的结构，是2片压电陶瓷相对安装的方式，其结构简单，耦合模式容易控制。实际应用中，可使用1片或者多片压电陶瓷，采取多种安装方式。例如，如使用3片压电陶瓷产生纵波，可按等边三角形方式安装。通过这样安装的方式，同样也能够使声波光栅满足长周期光栅的要求，实现与光波的顺利耦合。

图4为本发明具体实施方式的光纤液位传感器系统的声光信号解调系统结构示意图。如图4所示，图中3为压电陶瓷，6为光源，7为光环行器，8为压电驱动器，9为波长调节系统，图中箭头表示信号方向。主要由该光环行器7和波长调节系统9组成声光信号解调系统。所述光源6为宽谱光源，宽谱光源6通过光环形器7向光纤持续输入光线。另一方面，压电陶瓷3在压电驱动器8的驱动下生成一列短的周期性声学脉冲，该脉冲列形成声学光栅，与此同时开始计时。其中，为达到较高的位置分辨率，声波列的长度一般仅为若干毫米。当声学光栅在光纤中向前传播光线时，与宽谱光源传播的光线耦合，并且仅反射特定波长的光波，该波长满足光栅布拉格衍射条件。该特定波长的反射光，经过光环形器7进入波长解调系统9中进行解调。当声波形成的长周期光栅传播至液气界面时，声波传播速度发生改变，进而引起长周期声学光栅的栅距发生变化，由此在光学特性上表现为反射光波长发生突变，这一现象将被持续监测的波长解调系统9捕获，由此同时结束计时。通过计算起始声波发生与波长突变的时间间隔，从而即可换算出液面高度。

如上所述，为避免光纤表面悬挂的液滴影响测试结果，光纤表面均匀覆盖一层与待测液体不相亲的涂覆层。

根据本发明，由于本系统可采用廉价的压电陶瓷和发光二极管分别作为声波发生器和宽谱光源，因此可以极大的降低传感器系统成本。根据本发明的传感器，使用的光纤直径可达约125微米，可以采用无机非金属材料制作，物理化学性质非常稳定，可以耐受极端环境，耐受极低温，可用于检测核电站反应堆水位。另一方面，由于其不导电特性可兼容电解槽内液位的测量需求，所以具有重要的应用价值。

综上所述，通过具体实施方式对本发明作出了详细的描述，然而，本领域技术人员懂得，可以在本发明内容的基础上作出各种修饰和变更，只要不脱离本发明宗旨和精神，所作出的这些修饰和变更均应当落入本发明的保护范围之内，本发明的保护范围由所附权利要求限定。