专利名称：螺旋形侧发光光纤液位传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种液位传感器，特别涉及一种螺旋形侧发光光纤液位传感器， 用于对可燃液体的液位进行测量，特别适用于对轻质低粘度燃油液位测量。
背景技术：
易燃液体液位测量是工业生产中的难题，其测量环境恶劣，测量对象复杂，例如容易起火和爆炸，很多液体具有腐蚀性，还有些液体粘度比较大，在化工生产中还伴随着高温、高压、强电磁干扰。目前已有液位传感器存在诸多问题，难以满足需要，如浮子式结构复杂、可靠性差，差压式液位计容易受气压、温度等环境影响；电容式液位计容易发生短路，并且在测量点带电，有产生电火花，从而引起事故的可能(这也是目前飞机上大量使用的液位传感器)；核辐射法对人体影响太大，应用领域有限；热敏电阻法反应太慢，加热点温度高，容易引起火灾；磁致法有可动部件，不能用于运动中液体液位测量；超声波法有测量死区，易受干扰，探头易被污染；雷达法成本高昂，对被测液体介电常数有要求；激光测距法镜头易受污染。特别是普通测量方法都存在传感器带电，引发起火爆炸的危险。光纤测量是传感器发展的热点领域，光纤传感器性能优良，特别是它在测量现场不带电，具有本质安全防爆的特性，十分适合化工生产中的易燃易爆液体液位测量。目前可见于资料中的光纤式液位传感器可分为两大类一类是与传统液位测量方法相结合，通过光纤传感器对传统液位传感器的物理量进行测量，从而实现对液位的间接测量。这类传感器中应用最广泛的是光纤压强式液位传感器，它通过光纤测量置于液体底部的压力膜片的形变来测量液位，其缺点是，当外部环境的气压发生变化时，会对测量结果产生影响，并且传感器必须位于液体最底部，当容器发生倾斜时也会对测量结果产生影响。一类是光纤与液体接触，利用菲涅耳公式，通过光纤在不同介质中光损失率的不同进行液位测量。目前人们对这种传感器进行了许多研究，但还没有得到成功应用。2007年西班牙人M Lomer 在《Measurement Science & Technology》杂志中发表的《A quasi-distributed level sensor based on a bent side-polished plastic optical fibre cable》中出了一禾中具体的螺旋形光纤液位传感器设计方法，该方法将普通有包层有护套的光纤紧密缠绕在轴上，在轴的侧面的一条垂直直线上对光纤的侧面进行打磨损耗，通过损耗处进行测量。该方法的缺点是只能在轴的侧面的损耗点处测量液位，所测得液位是不连续的(如果在所有位置进行损耗，就会导致光强损失太大，影响传感器量程)；由于光强的累积性，传感器的分辨率沿垂直方向呈指数型变化。2009年国内吉林大学徐晓峰指导学生完成的硕士论文《新型聚合物光纤液位传感器的精确测量技术研究》中也提出了与西班牙人的文章相同的液位传感器。
实用新型内容为解决可燃液体液位测量难题，本实用新型的目的在于提供一种能够实现连续测量、线性度好且抗干扰能力强的螺旋形侧发光光纤液位传感器。[0005]本实用新型提供了一种螺旋形侧发光光纤液位传感器，包括传感器轴、液位测量光纤、入射光纤和出射光纤，液位测量光纤为侧发光光纤，其呈螺旋形缠绕在传感器轴上， 两端分别与入射光纤和出射光纤相连。进一步的，所述液位测量光纤在传感器轴上缠绕的螺距由上至下逐渐增大，且能够使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。进一步的，所述螺距由上至下呈分段阶跃增长或线性增长或指数型增长。进一步的，所述液位测量光纤的一端通过一个光纤转接头与入射光纤相连，所述液位测量光纤的另一端通过另一个光纤转接头与出射光纤相连。进一步的，所述传感器轴的直径由上至下逐渐增大，且能够使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。进一步的，它还包括一折射率测量光纤，该折射率测量光纤的一端为尖端，该尖端位于传感器轴的底部中心，另一端延伸至传感器轴的外部，用于与折射率测量电路连接。进一步的，它还包括一光纤式温度传感器和一传光光纤，该光纤式温度传感器位于传感器轴内，通过传光光纤延伸至传感器轴的外部，用于与温度测量电路连接。本实用新型所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器具有以下有益效果(1)与现有的螺旋形光纤液位传感器相比，其在光纤的侧面对包层进行损伤，在损伤点处光强损耗较大，只能选取轴侧面一条线上的点进行损伤，即使光纤是紧密的缠绕在一起，这些损伤点之间还是存在间隙，因而不能实现连续测量。而本实用新型中创造性的使用侧发光光纤进行测量，该光纤的整个侧面都可以发生光损耗，并且光损耗的强度合适，因此可以实现连续测量。(2)与现有的螺旋形光纤液位传感器相比，其光纤紧密地缠绕在轴上，根据光损耗的特性，传感器的输出与液位的变化呈指数型变化，在传感器的下部分辨率更高(单位高度液位变化产生的传感器输出光强变化更大)，在传感器的上部分辨率更低(单位高度液位变化产生的传感器输出光强变化更小)。而本实用新型利用侧发光光纤的损耗系数随着光纤弯曲曲率的增大而增大的特性，使螺旋形光纤的螺距以及传感器轴的直径在垂直方向上产生变化，在传感器的上部采用更小的螺距和更小的直径，这样光纤的曲率更大，增大了传感器上部低分辨率区域的分辨率；在传感器的下部采用更大的螺距和更大的直径，这样光纤的曲率更小，减小了传感器下部高分辨率区域的分辨率，也减少了传感器下部的光损耗；这样，本实用新型的传感器更为线性化。(3)与现有的光纤压强式液位传感器相比，其所测量的压强为液体重力产生的压强与容器内大气压强之和，这样容器内的气压变化会给测量带来误差。而本实用新型使用光纤侧面的损耗对液位进行测量，光损耗值与气压没有任何关系，因此本实用新型的抗干扰能力更强。(4)本实用新型所述的光纤液位传感器还采用了折射率测量光纤，可自动根据液体折射率修正测量结果，能够适应各种不同折射率的液体液位测量而不用进行重新标定。 本实用新型还通过加入光纤温度传感器，进一步消除了温度变化的干扰，提高了传感器的抗干扰能力。(5)本实用新型所用材料为侧发光光纤，与光纤压强式液位传感器中使用的光纤光栅相比，该材料成本低廉；本实用新型的较佳实施方式只对光强进行检测，与光纤压强式液位传感器中需要对波长进行检测相比，信号处理电路的成本更低。
图1是本实用新型所述的较佳实施方式的剖面示意图；图2是本实用新型所述的较佳实施方式的立体示意图；图3是侧面发光光纤液位测量传光示意图； 图4是光纤转换接头示意图；图5是传感器轴直径变化的一种实施方式示意图；图6是折射率修正实施方式示意图；图7是折射率测量传光示意图；图8是温度修正实施方式示意图。
具体实施方式
现结合图1至图8分别说明本实用新型螺旋形侧发光光纤液位传感器的较佳实施方式。螺旋形侧发光光纤液位传感器的较佳实施方式如图1、图2所示，其由传感器轴1、 液位测量光纤Li、第一光纤转接头L2、第二光纤转接头L3、入射光纤L4、出射光纤L5、第一电光转换模块L6和第一光电转换模块L7组成。传感器轴1为传感器的主体结构，其为一空心轴，安装在容器2的内部；液位测量光纤Ll为侧发光光纤，呈螺旋形缠绕在传感器轴1 上，螺距由上至下随液位降低而增大，可以呈分段阶跃增长或呈线性增长或呈指数型增长， 也可以呈其他类型函数增长，只要能够使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。第一光纤转接头L2安装在传感器轴1的顶部侧壁，将液位测量光纤Ll 的上端与入射光纤L4相接；入射光纤L4的另一端延伸到容器2外，与第一电光转换模块L6 相接。第二光纤转接头L3安装在传感器轴1的底部侧壁，将液位测量光纤Ll的下端与出射光纤L5相接；出射光纤L5的另一端延伸到容器2外，与第一电光转换模块L7相接。外部电路产生方波驱动电-光转换模块L6发出峰值为580nm的调制光，并通过入射光纤L4与第一光纤转接头L2耦合到液位测量光纤Ll中去；调制光在液位测量光纤Ll中产生衰减，当光纤处于空气4中时衰减较小，当光纤处于液体3中时衰减较大；调制光经过液位测量光纤 Ll的损耗后，通过第二光纤转接头L3耦合到出射光纤L5中，并在出射光纤L5的终端被第一光电转换模块转换成电信号，并由外部电路对电信号进行处理，将其转换为液位测量值。在此实施方式中，也可以交换第一电光转换模块L6与第一光电转换模块L7的位置，使第一电光转换模块L6与出射光纤L5相接，使第一光电转换模块L7与入射光纤L4相接。液位测量光纤Ll的测量原理如图3所示，其材料是侧发光光纤，由纤芯Fl和包层 F2组成，在包层F2靠近Fl的内表面有许多细微的结晶体F3，外环包层的外面为被测介质 3，内环包层的外面为传感器轴1。根据波动光学理论，即使光纤中传输光线LIl能在纤芯 Fl-包层F2界面发生全反射，光波也会进入包层F2内表面一定的深度。当光波LIl进入包层F2后遇到结晶体F3时，会发生散射，如图中LI2等散射光向包层F2的外表面传播，LI3 等散射光透过纤芯Fl-包层F2界面重新耦合到纤芯Fl中向前传播。到达包层F2外表面的光波LI2会发生反射与折射现象，因而光纤中传输的光会发生损耗。定义传感器光损耗系数k为传感器单位高度光纤中产生的功率衰减分贝数，可表示为
权利要求1.一种螺旋形侧发光光纤液位传感器，包括传感器轴、液位测量光纤、入射光纤和出射光纤，液位测量光纤为侧发光光纤，其呈螺旋形缠绕在传感器轴上，两端分别与入射光纤和出射光纤相连。
2.根据权利要求1所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，所述液位测量光纤在传感器轴上缠绕的螺距由上至下逐渐增大，且能够使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。
3.根据权利要求2所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，所述螺距由上至下呈分段阶跃增长或线性增长或指数型增长。
4.根据权利要求1所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，所述液位测量光纤的一端通过一个光纤转接头与入射光纤相连，所述液位测量光纤的另一端通过另一个光纤转接头与出射光纤相连。
5.根据权利要求1所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，所述传感器轴的直径由上至下逐渐增大，且能够使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。
6.根据权利要求1-5中任一所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，它还包括一折射率测量光纤，该折射率测量光纤的一端为尖端，该尖端位于传感器轴的底部中心，另一端延伸至传感器轴的外部，用于与折射率测量电路连接。
7.根据权利要求1-5中任一所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，它还包括一光纤式温度传感器和一传光光纤，该光纤式温度传感器位于传感器轴内，通过传光光纤延伸至传感器轴的外部，用于与温度测量电路连接。
8.根据权利要求6所述的螺旋形侧发光光纤液位传感器，其特征在于，它还包括一光纤式温度传感器和一传光光纤，该光纤式温度传感器位于传感器轴内，通过传光光纤延伸至传感器轴的外部，用于与温度测量电路连接。
专利摘要本实用新型提供了一种螺旋形侧发光光纤液位传感器，包括传感器轴、液位测量光纤、入射光纤和出射光纤，液位测量光纤为侧发光光纤，其呈螺旋形缠绕在传感器轴上，两端分别与入射光纤和出射光纤相连。通过使螺距由上至下呈分段阶跃增长或线性增长或指数型增长，或同时使传感器轴的直径在垂直方向上的变化，使螺旋形侧发光光纤液位传感器的输入光强与输出光强呈线性关系。本实用新型使用螺旋形侧发光光纤进行，实现了液位的线性连续测量。本实用新型还通过加入折射率测量光纤，自动根据液体折射率修正测量结果，通过加入光纤温度传感器，进一步消除了温度变化的干扰，提高了传感器的抗干扰能力。
文档编号G01F23/292GK202075015SQ20112015747
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月17日 优先权日2011年5月17日
发明者叶林, 葛俊锋, 赵呈锐 申请人:华中科技大学