具有光子膜的多功能纤维光学燃油传感器系统的制作方法

具有光子膜的多功能纤维光学燃油传感器系统的制作方法
【专利摘要】本申请涉及具有光子膜的多功能纤维光学燃油传感器系统。燃油感测系统利用包含由直接带隙半导体材料(例如砷化镓)制成的膜的纤维光学传感器，所述膜与位于燃油箱底部的密封的传感器组件内的光纤形成光学共振腔。燃油箱内的光纤不暴露于燃油。由膜的底面和内部光纤的远端的表面形成的光学共振腔能够起法布里?珀罗光谱仪的作用。在不同的波长下操作的多个光源和多个光谱仪可以经由燃油箱内的光纤、穿过燃油箱的壁的密封的纤维光学连接器和位于燃油箱外部的纤维光学耦合器耦合至膜的面对表面。
【专利说明】
具有光子膜的多功能纤维光学燃油传感器系统
技术领域
[0001] 本公开内容一般涉及用于测量储器比如储存箱或其它容器中液位的系统和方法。 更具体而言，本公开内容涉及使用光学传感器进行液位测量的系统和方法。
【背景技术】
[0002] 连续测量液位的需要在许多商业和军事应用中存在。例如，液位传感器通常用于 飞行器、汽车和卡车的燃油箱中。液位传感器也用于监测用于燃油分配、废水处理、化学贮 藏、食品加工等的储存箱内的液位。
[0003] 许多用于测量液位的换能器采用电力。响应于正在被测量的液位的改变，这类换 能器的电力输出改变，并且其通常为电阻、电容、电流、磁场、频率等的改变形式。这些类型 的换能器可包括可变电容器或电阻器、光学部件、霍尔效应传感器、应变仪、超声装置等。
[0004] 当前飞行器上的大部分燃油传感器使用电力。例如，现有的电容传感器在箱的内 部需要电气布线，这又需要复杂的设施和保护措施以排除在某些电故障条件下的安全问 题。这种电气布线需要小心的屏蔽、粘结和接地以使杂散电容最小化并进一步需要定期维 护以确保电接触完整性。
[0005] 对于具有并入复合材料机翼中的大型燃油箱的新型飞机，燃油传感器的数目是较 多的。使用电力燃油传感器给飞机增加了更多的重量，这不仅是由于电力传感器和电缆重 量，而且因为支撑燃油箱内的电缆和传感器的金属支架(standoff)和固定用具增加了更多 的重量。并且更重要的是，在复合材料机翼中具有大的燃油箱，电磁干扰(EMI)和雷击对于 电力燃油传感器可能是挑战。
[0006] 其它途径涉及使用纤维光学燃油传感器，其需要在燃油中放置一个或两个纤维光 学感测元件。燃油密度的任何改变导致燃油的折射率的改变。这又导致从一个纤维光学感 测元件传输到另一个的光的强度的改变。困扰纤维光学燃油传感器的问题可以包括燃油温 度变化、燃油的结冰以及沉积在纤维光学感测元件上的真菌和燃油残留物，其阻碍光传输 并致使传感器在商用飞机的寿命内变得无用。
[0007] 已经研究了其他更复杂的光学方法。一种这类的方法将纤维光学元件连接至电容 传感器并将光转变为电力来操作电容传感器，然后将其转变回由传感器出来的光，因此在 燃油箱内仍然存在活跃电子产品。一些方法已经提出了漏光纤维用于燃油液位测量的应 用，但是这些方法都采用折射原理并且由于燃油的不同折射率需要纤维与燃油接触来调节 包层处的光传输角。
[0008] 在用于感测燃油箱中的液体燃油的性质（比如，液位、密度、温度和化学组成）的系 统和方法中存在改进的余地。

【发明内容】

[0009] 本文公开的主题部分涉及纤维光学燃油传感器系统的设计，该传感器系统与现有 的电力传感器相比消除了燃油箱内用于测量燃油温度、燃油密度、燃油液位和燃油化学组 成的复杂的电气布线，同时保持精度并降低成本、重量和体积。下面详细公开的纤维光学燃 油传感器系统并入不需要与燃油接触的燃油传感器。
[0010] 根据一个实例，燃油感测系统利用包含由直接带隙半导体材料(比如砷化镓)制成 的膜的纤维光学传感器，所述膜与位于燃油箱底部处的密封的传感器组件(package)内的 光纤形成光学共振腔。燃油箱内的光纤不暴露于（即，不接触)燃油。由膜的底面和内部光纤 的远端表面形成的光学共振腔能够起法布里-珀罗干涉仪的作用。可以经燃油箱内的光纤、 穿过燃油箱的壁的密封的纤维光学连接器和位于燃油箱外面的纤维光学耦合器将在不同 波长下操作的多个光源和多个光谱仪耦合至膜的面对表面。
[0011] 为了说明的目的，具有由砷化镓(GaAs)制成的膜的燃油感测系统将在下面详细描 述。然而，可以使用其它直接带隙半导体材料，比如磷化铟（InP)。
[0012] 在具有GaAs膜的实例中，当来自850-nm激光源的光入射在膜的底面上时，燃油的 温度可以作为GaAs膜的反射率的函数被连续地测量。燃油密度可以由测量的温度得到。利 用得到的燃油密度，正施加在GaAs膜的顶面上的燃油压力可以使用优选地具有大约1550nm 波长的输入宽带光源由GaAs膜的法布里-珀罗共振腔反射光谱得到。使用燃油密度和燃油 压力，可以在任何时间一一即飞机的飞行期间、飞行之前和飞行之后一一测量该箱的燃油 液位。而且，当来自1060-nm激光源的光入射在GaAs膜上时，可以使用拉曼光谱仪来分析来 自燃油的光散射信号，使得燃油化学组成能够被连续地监测。
[0013] 本文公开的系统避免了与电力传感器的使用相关联的问题，这是因为纤维光学传 感器在燃油箱内部不具有电气布线，并且因为光纤在不暴露于燃油的气密组件中，从而消 除了由于燃油残留物、真菌、燃油污垢沉积物和污染物造成的光阻挡。本文公开的纤维光学 传感器执行多种感测功能，因为减少了燃油感测功能所需要的传感器的数目，其降低系统 的重量、大小、功率和成本。因为不需要将电气布线或电源应用到燃油箱内放置的传感器， 所以该多功能纤维光学传感器也消除了雷击和EMI问题。
[0014] 下面详细公开的主题的一个方面是用于储存液体的系统，包括：包含外壳 (enclosure)的储器;布置在外壳内的限定腔的结构，其将外壳的内部体积分为储料舱和彼 此密封的腔，该限定腔的结构包含具有部分地限定了储料舱的顶面和部分地限定了腔的底 面的膜，和支撑膜并部分地限定了腔的罩(housing);和布置在腔的内部的具有一定长度的 光纤，该长度的光纤具有远端，该远端具有面对膜的底面的表面，在其间具有间隙，其中膜 由具有直接带隙的半导体材料制成。优选地，膜是充分薄的以便当正施加在其顶面上的压 力的大小改变时，膜能够向上或向下弯曲。在一些实例中，膜具有0.01mm到0.5mm范围内的 厚度，同时半导体材料是砷化镓或磷化铟。在一个实例中，间隙具有使得膜的底面和光纤的 远端的面对表面形成法布里-珀罗共振腔的尺寸。公开的系统具有多种应用。例如，储器可 以并入飞行器的机翼中。
[0015] 以上段落中描述的系统可以进一步包括：用于输出光的光源；用于将接收的光转 变为代表接收的光的特性的电信号的光谱仪;将光源和光谱仪光学地耦合至光纤的光耦合 器;和编程以基于从光谱仪接收的电信号计算储器中包含的液体的参数的值的计算机系 统。参数可以选自以下组:液体的温度、液体的压力、液体的液位和液体的化学组成。
[0016] 公开的主题的另一方面是用于储存液体的系统，包括:储存箱;布置在储存箱内的 密封的组件;该密封的组件包括膜和一定长度的光纤，其中膜具有为密封的组件的外表面 的一部分的顶面和为密封的组件的内表面的一部分的底面，其中膜由具有直接带隙的半导 体材料制成，并且该长度的光纤具有远端，所述远端具有面对膜的底面的表面，在其间具有 间隙；用于输出光的第一光源；用于将接收的光转变为代表接收的光的特性的电信号的第 一光谱仪;和将光源和光谱仪光学地耦合至该长度的光纤的光纤网络，该光纤网络包括光 耦合器。在一些实例中，第一光源是激光源，第一光谱仪是温度探查光谱仪，并且该系统进 一步包括编程以在从激光源输出光之后基于从温度探查光谱仪接收的电信号测定储存箱 中包含的液体的温度的计算机系统。在其它实例中，第一光源是宽带光源，第一光谱仪是压 力感测光谱仪，并且系统进一步包括编程以在从宽带光源输出光之后基于从压力感测光谱 仪接收的电信号测定储存箱中包含的液体的压力的计算机系统。在又其它实例中，第一光 源是激光源，第一光谱仪是拉曼光谱仪，并且系统进一步包括编程以在从激光源输出光之 后基于从拉曼光谱仪接收的电信号测定储存箱中包含的液体的化学组成的计算机系统。
[0017] 根据进一步的实例，系统进一步包括:用于输出光的第二光源，第二光源通过光纤 网络光学地耦合至该长度的光纤;用于将接收的光转变为代表接收的光的特性的电信号的 第二光谱仪，第二光谱仪通过光纤网络光学地耦合至该长度的光纤;和编程以基于从第一 和第二光谱仪接收的电信号计算储器中包含的液体的液位的计算机系统。根据一个实例， 第一光源是激光源，第二光源是宽带光源，和计算机系统被编程以执行以下操作:基于从第 一光谱仪接收的电信号测定储存箱中包含的液体的温度;基于测定的温度计算储存箱中包 含的液体的密度;基于从第二光谱仪接收的电信号测定储存箱中包含的液体的压力；和基 于计算的密度和测定的压力计算储存箱中包含的液体的液位。
[0018] 根据进一步方面，提供了用于测定储存在储存箱中的液体的特性的方法，其包括： 将密封的组件放置在储存箱内，该密封的组件包括膜和一定长度的光纤，其中膜具有为密 封的组件的外表面的一部分的顶面和为密封的组件的内表面的一部分的底面，其中膜由具 有直接带隙的半导体材料制成，并且该长度的光纤具有远端，所述远端具有面对膜的底面 的表面，在其间具有间隙;从第一光源发射光，其进入光纤的近端，离开光纤的远端，并入射 在膜的底面上;在光已经由第一光源发射之后，引导来自膜的光，其朝向光纤的近端进入光 纤的远端;在光已经由第一光源发射之后，使用第一光谱仪测量离开光纤近端的光的第一 性质;和处理由第一光谱仪输出的电子数据以测定布置在储存箱内并且在膜之上的液体的 第一特性。
[0019] 上述方法可进一步包括：从第二光源发射光，其进入光纤的近端，离开光纤的远 端，并入射在膜的底面上;在光已经由第二光源发射之后，引导来自膜的光，其朝向光纤的 近端进入光纤的远端;在光已经由第二光源发射之后，使用第二光谱仪测量离开光纤近端 的光的第二性质;和处理由第二光谱仪输出的电子数据以测定布置在储存箱内并且在膜之 上的液体的第二特性。在一个实例中，第一特性是温度，第二特性是压力，并且方法进一步 包括:基于测定的温度计算储存箱中包含的液体的密度;和基于计算的密度和测定的压力 计算储存箱中包含的液体的液位。
[0020] 下面公开和要求保护适合于与液体储存箱一起使用的光学传感器系统的其它方 面。
【附图说明】
[0021]图1是根据一个实例的代表多功能纤维光学燃油传感器系统的部件的图，该实例 使用GaAs光子膜来测量燃油温度、燃油密度和燃油液位。
[0022]图2是表明由图1中示意性描绘的纤维光学燃油传感器系统采用的GaAs光子膜燃 油温度感测原理的图。
[0023]图3是GaAs光子膜温度（°C)对具有850nm波长的入射光的反射强度R的曲线图。 [0024]图4是燃油密度D对燃油温度（°C)的曲线图。
[0025]图5是表明由图1中示意性描绘的纤维光学燃油传感器系统采用的GaAs光子膜燃 油压力感测原理的图。
[0026]图6是显示对于在从GaAs光子膜反射到图1中示意性描绘的纤维光学燃油传感器 系统中并入的压力感测光谱仪的光信号，在一定波长范围内的压力感测反射强度的曲线 图。
[0027] 图7是根据一个实例的代表多功能纤维光学燃油传感器系统的部件的图，该实例 使用GaAs光子膜来测量燃油温度、燃油密度、燃油液位和燃油化学组成。
[0028] 图8是表明由图7中示意性描绘的纤维光学燃油传感器系统采用的感测燃油化学 组成的方法下的原理的图，该方法使用GaAs光子膜和拉曼技术。
[0029] 图9是显示信号强度的改变对由拉曼光谱仪检测的波数的曲线图，其相应性地改 变以指示燃油化学组成的改变。
[0030] 在下文中将参照附图进行描述，其中不同附图中相似的元件具有相同的参考数 字。
【具体实施方式】
[0031] 用于测量储器中液体的液位和其它性质的系统和方法的不同实例现在将以说明 的目的详细地描述。下面公开的至少一些细节涉及任选的特征和方面，其在一些应用中可 以被省略，而不背离所附权利要求的范围。
[0032] 对飞行器的复合材料机翼中并入的燃油箱的基本燃油质量传感器的要求是燃油 温度、燃油密度和燃油液位感测。传感器的感测功能需要是动态的，这意味着传感器应该能 够提供在地面上或飞行期间、在不同的飞行包线下以及在极端的温度和环境条件中的这些 关键的燃油质量值。本文公开的多功能纤维光学传感器被设计为满足对于复合材料机翼的 燃油质量感测要求。提出的纤维光学传感器消除了燃油箱内的电缆和电源的使用，并消除 了复合材料燃油箱的EMI和雷击问题。而且，它减小了当前商用飞机中使用的电力传感器的 大小、重量和功率。然而，本文公开的技术可以被应用至其它类型的液体储器并且不限于在 机载燃油箱中使用。
[0033] 图1是根据一个实例的代表多功能纤维光学燃油传感器系统的部件的图。该系统 的纤维光学燃油传感器可以被安装在包含壁20和底部22的燃油箱2内。该纤维光学燃油传 感器系统使用GaAs光子膜12来测量燃油箱2中液体燃油的温度、密度和液位。薄的GaAs膜12 在GaAs衬底10的中心部分中形成。由于砷化镓用于温度感测中的优越性质，使用砷化镓代 替硅。包围膜12的衬底10的部分具有比膜12的厚度大的厚度。优选地，GaAs膜具有0.01到 0.5mm范围内的厚度和一定的直径，使得当燃油压力施加在膜的顶面上时，它将是足够柔性 的。优选地，GaAs膜12具有大体上水平的定向。
[0034] GaAs衬底10是密封的纤维光学组件4的部件，其可以作为预组装单元被安装在燃 油箱2中。GaAs衬底10的外围粘合至也为纤维光学组件4的一部分的罩6。罩6连同GaAs衬底 12有效地将燃油箱2的内部体积分为燃油储料舱50(填充燃油)和腔52(不具有燃油hGaAs 衬底12被密封至罩6以防止燃油从燃油储料舱50通过衬底/罩界面进入腔52。
[0035]优选地，至少GaAs膜12上面的空间被细筛网过滤器26封闭并保护，该过滤器26过 滤掉来自占据GaAs膜12上面的空间的燃油的大尺寸残留物、颗粒或污垢。在图1中显示的实 例中，过滤器26被包围GaAs衬底10上面的空间的支撑壁24所支撑。过滤器支撑壁24可以附 接至GaAs衬底10的外围或者可以是罩6的延伸，其在GaAs衬底10的顶面的高度之上包围和 延伸。过滤器26和过滤器支撑壁24可以并入预组装纤维光学组件4中或者在纤维光学组件4 的安装之后被附接。过滤器26被配置为容许液体燃油进入GaAs膜12上面并且在支撑壁24内 的空间内，同时排除来自所述空间外部的颗粒物质。
[0036] 仍参照图1，纤维光学组件4进一步包括光纤8a、纤维光学连接器14以及纤维对准 和锁定支架(pedestal) 16。纤维光学连接器14固定地位于罩6的开口中，但是当组件4被安 装时，纤维光学连接器14具有突出罩6并通过燃油箱2的壁20中的开口的部分。纤维光学连 接器14被密封在罩6中的开口和燃油箱2的壁20中的开口二者中，使得燃油不能从燃油储料 舱50流入腔52或者在纤维光学连接器14的区域中流出燃油箱2。
[0037]纤维对准和锁定支架16通过图1中未显示的支撑结构连接至罩6的底部。该支撑结 构可包括将纤维对准和锁定支架16连接至罩6的底部的足够刚性的结构。连接结构应该是 足够坚硬的，以便纤维对准和锁定支架16是稳固的并且在飞行器的操作期间尽可能少地移 动。更具体而言，纤维对准和锁定支架16以如此方式支撑光纤8a的远端，使得该远端的表面 面对GaAs膜12的底面，在其间具有恒定长度的小间隙。该小间隙在本文中被称为光学共振 腔并且由图2和其它附图中的标记"Of指示。
[0038] 预组装单元的安装和拆卸具有如下优点:整个单元在故障事件中可以被容易地替 换或者拆卸进行修理。然而，在可选实例中，光纤8a和GaAs衬底10可以使用与燃油箱2集成 的支撑结构以相同的空间关系支撑，只要支撑结构限定了密封的腔，在该腔中光纤不与燃 油箱中的燃油接触。
[0039] 在图1中描绘的实例中，膜由砷化镓制成，其是直接带隙材料。然而，可以使用其它 直接带隙材料，比如磷化铟（InP)。如果电子和空穴的动量在导带和价带二者中相同，则带 隙是"直接的"，这意味着电子可以直接发射光子而不经过中间态并且不将动量转移至晶体 结构。
[0040] 密封的纤维光学组件4内的光纤8a(优选地多模的，但是单模的是可接受的）与 GaAs衬底10的中心部分中的GaAs膜12的底面对齐并与其面对。术语单模是指包括具有从8 到10微米的芯径范围的光纤，该光纤在纤维中仅传输单光波导模式。单模纤维是具有大约 125微米的总直径的玻璃光纤，芯周围具有包层。同样地，术语多模是指包括具有从50微米 到lmm的芯径的光纤。多模纤维由于其大的芯径在纤维中传输多光波导模式。多模纤维可以 由玻璃或塑料制成。玻璃多模光纤具有从125到140微米范围内的总直径，芯周围具有包层， 而塑料多模纤维具有从0.1到0.98mm范围内的芯径和从0.25到1mm范围内的总直径，芯周围 具有包层。优选地，光纤8a的远端精确地与GaAs膜12的中心对齐并且使用高可靠性纤维焊 接工艺附接至纤维对齐和锁定支架16。光纤8a的近端通过插入燃油箱2的壁20中的开口的 气密且防漏的纤维光学连接器14光学地耦合至光纤8b(布置在燃油箱2的外部)的一端。 [0041 ] 燃油箱2内的光纤8a通过光纤8b光学地耦合至1 X4纤维光学耦合器28的输出端。1 X4纤维光学耦合器28的功能是将来自位于燃油箱2外部的光源的光信号耦合至燃油箱2内 的光纤8a中，然后将来自光纤8a的光信号耦合至位于燃油箱2外部的光谱仪中，用于分析来 自GaAs膜12的光信号。另一方面，1 X4纤维光学耦合器28连接至四个光纤8c到8f。
[0042] 一对光纤8c到8d用于加热和温度感测GaAs膜12的底面。光纤8c连接至光源32(例 如，激光二极管），光源32由激光驱动器34驱动以提供850-nm激光源(经由纤维光学耦合器 28、光纤8b、纤维光学连接器14和光纤8a)以照亮GaAs膜12的底面。纤维光学组件4内的光纤 8a将850-nm光信号耦合至跨过光学共振腔的GaAs膜12的底面。代表自GaAs膜12的底面反射 的光信号（由邻近图1中的光纤8d的箭头指示)被光纤8a、纤维光学连接器14、光纤8b、纤维 光学耦合器28和光纤8d耦合返回至温度探查光谱仪36。
[0043]图2是表明由图1中示意性描绘的纤维光学燃油传感器系统采用的GaAs光子膜燃 油温度感测原理的图。砷化镓是半导体，其具有随温度变化的直接带隙：当燃油的温度降低 时，GaAs膜带隙增加。这降低了850-nm信号（由图2中向上的箭头指示）的吸收。当吸收降低 时，反射信号（由图2中向下的箭头指示)增加。随着燃油温度增加时，GaAs膜12的带隙减小。 带隙的这种减小具有增加850-nm光信号的吸收和降低850-nm信号的反射的效果。反射光的 量的增加或减小通过温度探查光谱仪36被精确地检测和分析。
[0044] 图3是GaAs光子膜温度（°C)对入射在GaAs膜上的850-nm相干光的反射强度R的曲 线图。基于由图3中显示的曲线代表的数据，温度探查光谱仪36瞬时测量燃油的温度并将代 表该燃油温度的电信号输出至计算机系统42。由于燃油密度是如图4中所显示的温度的公 知函数，因此计算机系统42可以处理燃油温度信息并瞬时执行用于测定燃油密度D的必要 的计算。使用由温度探查光谱仪36测量的温度，燃油的密度可以在飞行期间或者飞行器在 地面上时的任何时间通过计算机系统42测定。
[0045] 在已经测定燃油密度D之后，燃油液位可以从在GaAs膜12处测量的燃油压力测定。 返回图1，另一对光纤8e和8f被用于感测正施加在GaAs膜12上的燃油压力。光纤8f连接至宽 带光源38,宽带光源38被驱动以提供具有大约40nm的均匀光谱宽度的以1550nm为中心的光 谱(经由纤维光学耦合器28、光纤8b、纤维光学连接器14和光纤8a)以照亮GaAs膜12的底面。 纤维光学组件4内的光纤8a将1550-nm光信号耦合至跨过光学共振腔的GaAs膜12的底面。代 表来自GaAs膜12的底面的宽带光的反射的光信号（由图1中邻近光纤8e的箭头指示)被光纤 8a、纤维光学连接器14、光纤8b、纤维光学耦合器28和光纤8e耦合返回至压力感测光谱仪 40 〇
[0046] 图5是表明由图1中示意性描绘的纤维光学燃油传感器系统采用的GaAs光子膜燃 油压力感测原理的图。使光纤8a的远端的表面和GaAs膜12的底面的面对部分分离的距离 (在本文中被称为"光学共振腔长度"）由图1中的可变长度L指示。当燃油舱50(参见图1)是 空的时，光学共振腔长度具有值L〇;与之相比，当燃油舱50具有足够的燃油，GaAs膜12上面 的空间至少部分地被燃油占据时，则该燃油将对柔性G a A s膜12施加向下的压力。施加在 GaAs膜12上的燃油压力使得膜12向下偏转，从而降低光学共振腔长度L。由于GaAs膜12的底 面和光纤8a的远端的表面形成法布里-珀罗共振腔(又称法布里-珀罗光谱仪），因此光学共 振腔长度A L的改变可以使用从法布里-珀罗共振腔返回的多次反射通过压力感测光谱仪 40测量。
[0047]如图1中所显示，燃油液位高度正在动态地改变。在地面上燃油加满之后，满的 (即，初始)燃油液位是hF。与之相比，在飞行期间，飞行中的（即，当前的)燃油液位是hf。更具 体而言，h F是从GaAs膜12的高度到燃油箱中满的燃油液位测量的高度，而hf是从GaAs膜12的 高度到燃油箱2中当前燃油液位测量的高度。施加在GaAs膜上的各自的压力P F和Pf(分别在 加满和飞行中）、燃油密度D和燃油液位hF和h f之间的关系可以通过以下方程描述：
[0052]在方程（1)到⑷中，m是燃油的质量，g是重力加速度，A是GaAs膜压力感测面积，和 Vf是加满后覆盖在面积A上的燃油的体积。满的燃油液位高度hF与燃油密度D的关系在方程 (2)中给出；飞行中燃油液位h f与密度D的关系在方程(4)中给出。由于密度D可以基于来自 温度探查光谱仪36的测量数据通过计算机系统42测定，因此燃油液位h F和hf可以在各自的 压力Pf和Pf已经通过压力感测光谱仪40测量之后进行测定。
[0053]在图5中，由GaAs膜12的底面和光纤8a的远端的面对表面形成的光学共振腔长度L 通过以下方程给出：
[0055]其中Μ是操作波长(例如，1550nm)，Δ λ是光学共振腔的自由光谱范围，和neff是空 气的折射率。
[0056] 使用方程(5)，可以从自由光谱范围Δ λ的测量值测定L。图6是显示对于从GaAs光 子膜12反射到压力感测光谱仪40的光信号，在一定波长范围内的压力感测反射强度的曲线 图。如图6中所示，Δ λ可以通过将1550-nm宽带光谱的光栗浦至光纤8a，然后获得从GaAs膜 12反射回到光纤8中的光信号而进行测定。然后，压力感测光谱仪40测定宽带光源的带宽内 的各自波长的反射信号峰值之间的间距。该峰值波长间距对应于自由光谱范围Αλ。
[0057] 图6中上部曲线代表具有大约40nm的均匀光谱宽度的以1550nm为中心的宽带光源 的光谱。来自GaAs膜的反射信号光谱在图6的下方部分显示。该光谱中的峰是在光纤8a的远 端的表面和GaAs膜12的面对底面之间形成的法布里-珀罗共振腔（图6中的0C)的共振峰。这 些周期的共振峰之间的间距是自由光谱范围Αλ。当燃油液位改变时，自由光谱范围通过压 力感测光谱仪40(参见图1)瞬时测量。将该信息输出至计算机系统42,其执行计算以测定燃 油液位。
[0058] 在已经测量光学共振腔长度L后，当前燃油压力Pf可以使用下面的方程由L得到， 下面的方程应用膜的机械原理：
[0061] 其中△ L是由于GaAs膜12的位移或偏转而造成的光学共振腔长度的改变，1是膜宽 度，h是膜厚度，和E是杨氏模量。如前面所提及，△ L = Lo-L，其中当燃油舱50是空的时，Lo是 光学共振腔长度，和L由方程(5)得到。
[0062] 由方程(7)得到的燃油压力Pf可以用于方程(4)中以得到从GaAs膜12的高度到燃 油箱2中当前燃油液位的高度h f。燃油压力PF可以以类似的方式得到并用于方程(2)中以得 到从GaAs膜12的偏转到满的燃油液位的高度h F。
[0063] 再次参照图1，计算机系统42被编程以执行前面所描述的计算并且被进一步编程 以控制光源和光谱仪。具体而言，计算机系统42被编程以监测850-nm激光源32和1550-nm宽 带光源38的运行；其还控制温度探查光谱仪36和燃油压力感测光谱仪40的测试和测量功 能。
[0064]计算机系统42监测850-nm激光源32和激光驱动器34以提供自动温度控制回路44 以便在飞机的操作温度范围内和其它极端环境条件下驱动850-nm激光源32为恒定光输出 功率。例如，计算机系统42可以被编程为增加850-nm激光源32的功率以融化在GaAs膜12的 外表面上形成的任何冰。这种能力也可被用于通过在燃油箱2的允许的加热限度之内利用 更高的850-nm激光功率轻微地加热膜来清洁GaAs膜12的外表面。
[0065] 对于更为先进的燃油质量监测，图1中描绘的传感器系统可以通过增加监测燃油 的化学组成的部件而增强。这种增强在图7中显示。图7中描绘的系统与图1中显示的系统不 同，其区别在于增加了用于测定燃油化学组成的1060-nm激光源46和拉曼光谱仪48; 1X4纤 维光学耦合器28被1 X6纤维光学耦合器30取代;和增加了一对光纤8g和8h以将1 X6纤维光 学耦合器30连接至1060-nm激光源46和拉曼光谱仪48。这些部件用于监测燃油箱2中燃油化 学组成以便燃油质量保证。光纤8g与1060-nm激光源46连接并且光纤8h连接至拉曼光谱仪 48。1060-nm激光源46通过1 X 6纤维光学親合器30被光学地親合至燃油箱2内的光纤8a中。 来自占据GaAs膜12上面的空间的燃油的散射光信号穿过膜，进入光纤8a的远端，然后通过1 X 6纤维光学耦合器30被耦合至拉曼光谱仪48中。
[0066] 图8是表明由图7中示意性描绘的纤维光学燃油传感器系统采用的感测燃油化学 组成的方法下的原理的图，该方法使用GaAs光子膜12和拉曼技术。耦合至光纤8a中的1060-nm 激光束对于 GaAs 膜 12 而言是透明的 （如图 8 中向上指的虚线箭头所指示的 ）。这是由于与 1060-nm激光束的光子能量相比较大的GaAs带隙。利用GaAs对于1060-nm相干光透明性的优 点，1060-nm激光束穿过GaAs膜12并进入由燃油占据的膜上面的空间。1060-nm光子激发燃 油分子中的电子至更高的振动态。当这些激发的电子弛豫到它们各自的基态时，它们发射 具有比吸收的光子更低能量的光子，产生自1060-nm光源波长的波长位移。这种能量差别是 正在被激发的材料的公知的斯托克斯位移。不同的分子具有不同的斯托克斯位移，其性质 可用于测定燃油的化学组成。可将不同时间下的化学组成进行比较，以指示燃油分子结构 的改变。监测燃油分子结构对于燃油质量保证是非常重要的。拉曼散射信号被耦合通过 GaAs膜12返回燃油箱2内的光纤8a中，然后至燃油箱2外的拉曼光谱仪48中。拉曼光谱仪48 然后分析从燃油返回的光谱并且输出包含如此信息的拉曼"标记图（signature)"，该信息 代表了为波数的函数的信号强度。拉曼光谱仪48输出该标记图至计算机系统42,其被编程 以将进入的拉曼标记图与参比拉曼标记图比较，测定进入的拉曼标记图中显示的峰值波长 的各自的位移，然后基于峰值波长的那些位移识别燃油化学组成的任何改变。
[0067]图9是显示峰值信号强度的位移对由拉曼光谱仪48检测的波数的曲线图。峰值信 号强度的这些位移指示燃油化学组成的改变。在图9中所显示的实例中，一个拉曼标示图 (如图9中"参比标示图"所指示)代表具有初始化学组成的燃油的拉曼光谱。图9中的其它拉 曼标示图代表具有如此化学组成的燃油的拉曼光谱:其偏离由第一拉曼标示图代表的初始 化学组成。峰值波长的各自位移由图9中的Δ Μ、Δ \2和Δ λ3指示。这些位移指示燃油化学组 成的改变已经发生。
[0068]计算机系统42在飞机的操作温度下监测1060-nm激光源46为恒定输出功率，并且 其还监测拉曼光谱仪48的操作用于校准、检测和测量。
[0069]图1中描绘的光耦合器28和光纤8c到8f形成了光网络。同样地，图7中描绘的光耦 合器30和光纤8c到8h形成了光网络。
[0070] 上面公开的纤维光学传感器使用证实的和合格的光纤、光学部件和测量器械。不 需要电容感测和测量;传感器在燃油箱内不具有活跃的电子操纵。不需要信号配线的屏蔽/ 结合/接地。不存在使燃油点火的可能性。传感器不受由于杂散配线电容/电感而造成的问 题的困扰。由于使用光学燃油传感器来测量燃油液位，可以降低飞机的重量和成本。而且感 测光纤不暴露于燃油或不与燃油接触。
[0071] 每个光纤都是由挤出的玻璃或塑料制成的柔性的、光学地透明的或半透明的纤 维。它可以起波导或光导管的作用以在纤维的两端之间传输光。光纤通常包括具有相对较 高折射率的透明的或半透明的芯，所述芯被具有相对较低折射率的透明的或半透明的包层 材料围绕。通过全内反射将光保持在芯中。这导致光纤作为波导管起作用。
[0072]计算机系统42可包括一个或多个专用的微处理器或者一个或多个通用计算机，并 且可以酌情通过使用查找表、校正曲线、或求解方程来计算测量的燃油液位（即，高度）。驾 驶舱中显示的燃油量表(附图中未显示)可以被控制以基于由计算机系统42接收的光谱数 据指示存在于燃油箱内的燃油的量。
[0073] 计算机系统42可以是位于飞行器上的计算机或飞行控制系统的一部分。在识别存 在于不规则形状的燃油箱中的燃油的量中，计算机系统42可以执行不同的程序以基于从适 当地位于燃油箱的不同舱中的多个GaAs膜接收的数据来计算存在的燃油的量。燃油信息处 理软件可包括考虑到燃油箱的形状以测定燃油箱中剩余的燃油量的程序。燃油信息处理软 件可进一步包括用于校正过程以在首次使用之前形成基线或维持燃油读数准确度的程序。 由计算机系统42提供给燃油量表的读数可以在呈现之前被积分或平均并且可以以不同的 时间间隔提供。
[0074] 在图1和7中所显示的实例中，光纤被用于测量燃油箱中的燃油的液位。在其它实 例中，可以使用相同的装置来检测其它液体。例如，上面描述的系统可用于检测容器中水的 存在或检测液压系统的储器中液压液的存在。为了说明的目的呈现了检测燃油箱中燃油的 说明，并且不意欲限制其中可以使用图1和7中显示的系统的方式。
[0075] 使用电力传感器的机翼燃油箱系统可以通过取代本文公开的光学传感器而改造。 用于电力传感器的双重屏蔽的电气布线可以利用轻的和柔性的塑料光纤代替，消除了来自 布线和支撑架的重量，并且消除了来自电气布线的雷击、短路、磨损的电磁效应。
[0076] 进一步，公开内容包括根据以下条款的实例：
[0077] 条款1.用于储存液体的系统，包括:包含外壳的储器;布置在所述外壳内的限定腔 的结构，其将所述外壳的内部体积分为储料舱和彼此密封的腔，所述限定腔的结构包括具 有部分地限定所述储料舱的顶面和部分地限定所述腔的底面的膜，和支撑所述膜并部分地 限定所述腔的罩;和布置在所述腔的内部的具有一定长度的光纤，所述长度的光纤具有远 端，该远端具有面对所述膜的所述底面的表面，在其间具有间隙，其中所述膜由具有直接带 隙的半导体材料制成。
[0078]条款2.条款1中所叙述的系统，其中所述膜是充分薄的以便当正施加在其顶面上 的压力的大小改变时，所述膜能够向上或向下弯曲。
[0079 ]条款3.条款2中所叙述的系统，其中所述膜具有0.01到0.5mm范围内的厚度。
[0080]条款4.条款1中所叙述的系统，其中所述半导体材料是砷化镓或磷化铟。
[0081]条款5.条款1中所叙述的系统，其中所述光纤是单模或多模光纤。
[0082] 条款6.条款1中所叙述的系统，进一步包括:过滤器支撑壁，其包围覆盖所述膜的 所述储料舱内的空间；和由所述过滤器支撑壁支撑的过滤器，所述过滤器被配置为容许液 体进入所述空间内，同时排除来自所述空间外部的颗粒物质。
[0083] 条款7.条款1中所叙述的系统，其中所述间隙具有使得所述膜的所述底面和所述 光纤的所述远端的面对表面形成法布里-珀罗共振腔的尺寸。
[0084]条款8.条款1中所叙述的系统，进一步包括纤维光学连接器，其位于并密封至所述 外壳的开口并且密封至所述罩的开口，其中所述长度的所述光纤的另一端耦合至所述纤维 光学连接器。
[0085] 条款9.条款1中所叙述的系统，其中所述储器并入飞行器的机翼中。
[0086] 条款10.条款1中所叙述的系统，进一步包括:用于输出光的光源;用于将接收的光 转变为代表接收的光的特性的电信号的光谱仪;和将所述光源和所述光谱仪光学地耦合至 所述光纤的光耦合器。
[0087] 条款11.条款10中所叙述的系统，进一步包括计算机系统，其被编程以基于从所述 光谱仪接收的电信号计算储器中包含的液体的参数的值。
[0088] 条款12.条款11中所叙述的系统，其中所述参数选自：液体的温度、液体的压力、液 体的液位和液体的化学组成。
[0089 ]条款13.条款10中所叙述的系统，其中所述光源是激光源或宽带光源。
[0090] 条款14.用于储存液体的系统，包括:储存箱;布置在所述储存箱内的密封的组件； 所述密封的组件包括膜和一定长度的光纤，其中所述膜具有为所述密封的组件的外表面的 一部分的顶面和为所述密封的组件的内表面的一部分的底面，其中所述膜由具有直接带隙 的半导体材料制成，并且所述长度的光纤具有远端，所述远端具有面对所述膜的所述底面 的表面，在其间具有间隙；用于输出光的第一光源；用于将接收的光转变为代表接收的光的 特性的电信号的第一光谱仪;和将所述光源和所述光谱仪光学地耦合至所述长度的光纤的 光纤网络，所述光纤网络包括光耦合器。
[0091] 条款15.条款14中所述的系统，其中所述第一光源是激光源并且所述第一光谱仪 是温度探查光谱仪，进一步包括计算机系统，其被编程以在从所述激光源输出光之后基于 从所述温度探查光谱仪接收的电信号测定所述储存箱中包含的液体的温度。
[0092]条款16.条款14中所述的系统，其中所述第一光源是宽带光源并且所述第一光谱 仪是压力感测光谱仪，进一步包括计算机系统，其被编程以在从宽带光源输出光之后基于 从所述压力感测光谱仪接收的电信号测定所述储存箱中包含的液体的压力。
[0093]条款17.条款14中所述的系统，其中所述第一光源是激光源并且所述第一光谱仪 是拉曼光谱仪，和进一步包括计算机系统，其被编程以在从所述激光源输出光之后基于从 所述拉曼光谱仪接收的电信号测定所述储存箱中包含的液体的化学组成。
[0094]条款18.条款14中所述的系统，进一步包括：用于输出光的第二光源，所述第二光 源通过所述光纤网络光学地耦合至所述长度的光纤;用于将接收的光转变为代表接收的光 的特性的电信号的第二光谱仪，所述第二光谱仪通过光纤网络光学地耦合至所述长度的光 纤;和计算机系统，其被编程以基于从所述第一和第二光谱仪接收的电信号计算储存箱中 包含的液体的液位。
[0095]条款19.条款18中所述的系统，其中所述第一光源是激光源并且所述第二光源是 宽带光源，并且其中所述计算机系统被进一步编程以执行以下操作:基于从所述第一光谱 仪接收的电信号测定所述储存箱中包含的液体的温度;基于测定的温度计算所述储存箱中 包含的液体的密度;基于从所述第二光谱仪接收的电信号测定所述储存箱中包含的液体的 压力;和基于计算的密度和测定的压力计算所述储存箱中包含的液体的液位。
[0096]条款20.条款14中所述的系统，其中所述半导体材料是砷化镓或磷化铟。
[0097]条款21.用于测定储存在储存箱中的液体的特性的方法，其包括:将密封的组件放 置在储存箱内，该密封的组件包括膜和一定长度的光纤，其中膜具有为密封的组件的外表 面的一部分的顶面和为密封的组件的内表面的一部分的底面，其中膜由具有直接带隙的半 导体材料制成，并且该长度的光纤具有远端，所述远端具有面对膜的底面的表面，在其间具 有间隙；从第一光源发射光，其进入光纤的近端，离开光纤的远端，并入射在膜的底面上;在 光已经由第一光源发射之后，引导来自膜的光，其朝向光纤的近端进入光纤的远端;在光已 经由第一光源发射之后，使用第一光谱仪测量离开光纤近端的光的第一性质；和处理由第 一光谱仪输出的电子数据以测定布置在储存箱内并且在膜之上的液体的第一特性。
[0098]条款22.条款21中所述的方法，进一步包括:从第二光源发射光，其进入光纤的近 端，离开光纤的远端，并入射在膜的底面上;在光已经由第二光源发射之后，引导来自膜的 光，其朝向光纤的近端进入光纤的远端;在光已经由第二光源发射之后，使用第二光谱仪测 量离开光纤近端的光的第二性质;和处理由第二光谱仪输出的电子数据以测定布置在储存 箱内并且在膜之上的液体的第二特性。
[0099]条款23.条款22中所述的方法，其中所述第一特性是温度并且所述第二特性是压 力，进一步包括:基于测定的温度计算储存箱中包含的液体的密度;和基于计算的密度和测 定的压力计算储存箱中包含的液体的液位。
[0100]虽然具有由直接带隙半导体材料制成的膜的光学燃油传感器已经参考不同的实 例进行了描述，但是本领域技术人员将理解，可以做出不同的改变并且等价物可以被其要 素代替，而不背离本文的教导。此外，可以进行许多改变以适应本文对具体情况公开的实践 的概念和约简。因此，意图是权利要求书覆盖的主题不限于公开的实例。
[0101] 如权利要求书中所使用，术语"计算机系统"应当被宽泛地解释为包含具有至少一 个计算机或处理器的系统，并且其可以具有通过网络或总线通讯的多个计算机或处理器。 如前面的句子中所使用的，术语"计算机"和"处理器"二者指的是具有处理单元(例如，中央 处理单元)和一些形式的存储器（即，计算机可读的介质）的设备，用于存储通过处理单元可 读的程序。
[0102] 此外，所附的权利要求书中的方法权利要求不应当被解释为需要以字母顺序(权 利要求书中的任何字母排序仅用于引用前面所叙述的步骤的目的）或者以他们被叙述的方 式执行本文中叙述的步骤。它们也不应当被解释为排除被同时或交替执行的两个或更多个 步骤的任何部分。
【主权项】
1. 用于储存液体的系统，包括： 包括外壳(20、22)的储器(2); 布置在所述外壳(20、22)内的限定腔的结构(4)，其将所述外壳（20、22)的内部体积分 为储料舱(50)和彼此密封的腔(52)，所述限定腔的结构(4)包括具有部分地限定所述储料 舱(50)的顶面和部分地限定所述腔(52)的底面的膜(12)，和支撑所述膜(12)并部分地限定 所述腔(52)的罩(6);和 在所述腔（52)的内部布置的具有一定长度的光纤(8a)，所述长度的光纤（8a)具有远 端，所述远端具有面对所述膜(12)的所述底面的表面，在其间具有间隙， 其中所述膜(12)由具有直接带隙的半导体材料制成。2. 权利要求1中所述的系统，其中所述膜（12)是充分薄的以便当正施加在其顶面上的 压力的大小改变时，所述膜(12)能够向上或向下弯曲。3. 权利要求2中所述的系统，其中所述膜(12)具有0.01到0.5_范围内的厚度。4. 权利要求1中所述的系统，其中所述半导体材料是砷化镓或磷化铟。5. 权利要求1所述的系统，其中所述光纤(8a)是单模或多模光纤。6. 权利要求1所述的系统，进一步包括： 过滤器支撑壁(24 )，其包围覆盖所述膜(12)的所述储料舱(50)内的空间;和 由所述过滤器支撑壁(24)支撑的过滤器(26)，所述过滤器(26)被配置为容许液体进入 所述空间内，同时排除来自所述空间外部的颗粒物质。7. 权利要求1所述的系统，其中所述间隙具有使得所述膜（12)的所述底面和所述光纤 (8a)的所述远端的面对表面形成法布里-珀罗共振腔的尺寸。8. 权利要求1所述的系统，进一步包括纤维光学连接器（14)，其位于和密封至所述外壳 (20、22)的开口并且密封至所述罩(6)的开口，其中所述长度的所述光纤(8a)的另一端耦合 至所述纤维光学连接器(14)。9. 权利要求1所述的系统，其中所述储器(2)并入飞行器的机翼中。10. 权利要求1所述的系统，进一步包括： 用于输出光的光源(32、38或46); 用于将接收的光转变为代表所述接收的光的特性的电信号的光谱仪(36、40或48);和 将所述光源（32、38或46)和所述光谱仪(36、40或48)光学地耦合至所述光纤(8a)的光 耦合器(30)。11. 权利要求10所述的系统，进一步包括计算机系统(42)，其被编程以基于从所述光谱 仪(36、40或48)接收的电信号计算所述储器(2)中包含的液体的参数的值。12. 权利要求11所述的系统，其中所述参数选自：所述液体的温度、所述液体的压力、所 述液体的液位和所述液体的化学组成。13. 权利要求10所述的系统，其中所述光源(32、38或46)是激光源(32或46)或宽带光源 (38)〇14. 用于测定储存在储存箱(2)中的液体的特性的方法，其包括： 将密封的组件(4)放置在所述储存箱（2)内，所述密封的组件(4)包括膜（12)和一定长 度的光纤(8a)，其中所述膜（12)具有为所述密封的组件(4)的外表面的一部分的顶面和为 所述密封的组件(4)的内表面的一部分的底面，其中所述膜（12)由具有直接带隙的半导体 材料制成，并且所述长度的光纤(8a)具有远端，所述远端具有面对所述膜（12)的所述底面 的表面，在其间具有间隙； 从第一光源(32、38或46)发射光，其进入所述光纤(8a)的近端，离开所述光纤(8a)的远 端，并入射在所述膜(12)的底面上； 在所述光已经由所述第一光源(32、38或46)发射之后，引导来自所述膜（12)的光，其朝 向所述光纤(8a)的近端进入所述光纤(8a)的远端； 在所述光已经由所述第一光源(32、38或46)发射之后，使用第一光谱仪(36、40或48)测 量离开所述光纤(8a)的所述近端的所述光的第一性质;和 处理由所述第一光谱仪（36、40或48)输出的电子数据以测定布置在所述储存箱（2)内 并且在所述膜(12)之上的液体的第一特性。15. 权利要求14中所述的方法，进一步包括： 从第二光源（32、38或46)发射光，其进入所述光纤（8a)的近端，离开所述光纤（8a)远 端，并入射在所述膜(12)的底面上； 在所述光已经由所述第二光源(32、38或46)发射之后，引导来自所述膜（12)的光，其朝 向所述光纤(8a)的近端进入所述光纤(8a)的远端； 在所述光已经由所述第二光源(32、38或46)发射之后，使用第二光谱仪(36、40或48)测 量离开所述光纤(8a)的所述近端的光的第二性质;和 处理由所述第二光谱仪（32、38或46)输出的电子数据以测定布置在所述储存箱（2)内 并且在所述膜(12)之上的液体的第二特性。16. 权利要求15所述的方法，其中所述第一特性是温度并且所述第二特性是压力，进一 步包括： 基于所测定的温度计算所述储存箱(2)中包含的所述液体的密度;和 基于所计算的密度和所测定的压力计算所述储存箱(2)中包含的所述液体的液位。
【文档编号】G01F23/292GK105865578SQ201610083808
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年2月5日
【发明人】E·Y-J·陈
【申请人】波音公司