一种液位检测装置及其检测方法
【专利摘要】一种液位检测装置及其检测方法，涉及液位检测。设有光源、三端口环形器、光谱仪、待测液体容器和液位传感器。将传感器插入待测液体容器，传感器另一端与环形器第1输出端口相连；将光源与环形器输入端相连；将环形器的第2输出端口接光谱仪；信号光进入环形器，再从环形器的第1输出端口输出，当信号光到达传感器后，经银膜反射，在光纤光栅处发生干涉；反射光经过环形器的第1输出端口重新进入环形器，然后从环形器的第2输出端口输出到光谱仪，测量反射光的光谱，即得输出光的光谱；通过光谱仪测量干涉条纹波长的漂移，即可得外界液面的高度与干涉条纹波长的关系，分析光谱，即可测得液位高度。实现液位的连续测量，且测量精度高、安全性好。
【专利说明】一种液位检测装置及其检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及液位检测，尤其是涉及一种液位检测装置及其检测方法。
【背景技术】
[0002] 液位测量技术在工程领域有着极为广泛的应用。在现代化的企业生产过程中，要 求测量的对象要广，测量的精度要高，具有良好的可靠性和实用性，而且要适用于特殊环境 中的测量，比如被测液体具有腐蚀性和易燃易爆性。这就对液位测量技术提出了更高的要 求。光纤传感技术具有体积小、重量轻、灵敏度高、可远程测量和耐腐蚀，适用于易燃易爆测 量场合的优势，因此发展基于光纤传感技术的大范围连续液位测量方法具有十分重要的意 义。
[0003] 中国专利CN203688041U公开一种全光型光纤油罐液位检测装置。在油罐的顶部 装有转盘，第一转盘的一侧设置浮子，另一侧设置重锤，第一转盘内绕转盘中心均布有多片 滤光片，一对耦合透镜设置在第一转盘的两侧，光源发出的光依次经一个耦合透镜、一片滤 光片、另一个耦合透镜后到达光谱分析仪，所述的光谱分析仪与计算机信号连接；所述的浮 子随液位上下变化，重锤带动第一转盘旋转，液位的信息转换成第一转盘的角度信息，检测 出第一转盘转动角度即可计算出油罐液位变化。
[0004] 中国专利CN202119506U公开一种用于液体贮液平衡缸的液位检测装置，包括与 液体贮液平衡缸连通的玻璃管以及呈相对状设置于玻璃管两侧的发射光纤和接收光纤，接 收光纤用来接收发射光纤发射的光信号并传送给一光电转换器，光电转换器用来将光信号 转换为电信号输出。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于针对现有液位测量方法测量精度差、稳定性差、容易受到测量 环境影响等问题，提供能够实现液位的连续测量，而且测量精度高、安全性好，可以在恶劣 的测量环境中发挥作用的一种液位检测装置及其检测方法。
[0006] 所述液位检测装置设有光源、三端口环形器、光谱仪、待测液体容器和液位传感 器；所述光源与三端口环形器的输入端口连接，三端口环形器的第1输出端口通过光纤与 液位传感器连接，液位传感器插入待测液体容器的待测液体中，三端口环形器的第2输出 端口与光谱仪的检测信号输入端连接；
[0007] 所述液位传感器设有芯层、包层，芯层设于包层中，芯层中设有光纤光栅，在芯层 的端面镀有银膜。
[0008] 所述光纤光栅可采用长周期光纤光栅。
[0009] 所述液位检测方法，采用所述液位检测装置，包括以下步骤：
[0010] 1)将液位传感器插入待测液体容器的待测液体中，液位传感器的另一端与三端口 环形器的第1输出端口相连；
[0011] 2)将光源与三端口环形器的输入端口相连；
[0012] 3)将三端口环形器的第2输出端口与光谱仪的检测信号输入端连接；
[0013] 4)打开光源，信号光会从三端口环形器的输入端口进入三端口环形器，然后从三 端口环形器的第1输出端口输出，当信号光到达液位传感器后，经银膜反射，会在长周期光 纤光栅处发生干涉；
[0014] 5)反射光会经过三端口环形器的第1输出端口重新进入三端口环形器，然后从三 端口环形器的第2输出端口输出到光谱仪，这时测量反射光的光谱，如果输入光的光谱为 Si ( λ )，即可得到输出光的光谱为：
[0015] S0〇 ) = Si〇 )R〇 )
[0016] 6)当待测液体的高度发生变化时，对于液位传感器来说，其包层外的折射率会发 生变化，外界环境的折射率的变化会影响包层的有效折射率，光纤包层和芯层的折射率之 差Λη也就会发生变化，从而影响干涉仪的相位差并且导致谐振波长的漂移；
[0017] 7)通过光谱仪测量干涉条纹波长的漂移，即可得到外界液面的高度与干涉条纹波 长的关系，分析光谱，即可测得液位高度。
[0018] 本发明采用端面镀银镜的长周期光纤光栅构成液位传感器，其有益效果是，利用 长周期光纤光栅端面镀银镜构成的反射型长周期光纤光栅马赫-曾德干涉仪，实现液位的 连续测量，并且测量精度高，稳定性好，可以再易燃易爆等恶劣环境中使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0019] 图1为本发明所述液位检测装置实施例的结构组成示意图。
[0020] 图2为本发明所述液位检测装置实施例的液位传感器结构组成示意图。
[0021] 图3为反射光的光谱图。曲线a表示液体高度10mm，曲线b表示液体高度20mm， 曲线c表示液体高度30mm，曲线d表示液体高度40mm，曲线e表示液体高度50mm。
【具体实施方式】
[0022] 以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
[0023] 参见图1和2,所述液位检测装置实施例设有光源1、三端口环形器2、光谱仪3、待 测液体容器4和液位传感器5 ;所述光源1与三端口环形器2的输入端口 21连接，三端口环 形器2的第1输出端口 22通过光纤与液位传感器5连接，液位传感器5插入待测液体容器 4的待测液体中，三端口环形器2的第2输出端口 23与光谱仪3的检测信号输入端连接。
[0024] 所述液位传感器设有芯层51、包层52,芯层51设于包层52中，芯层51中设有光 纤光栅53,在芯层51的端面镀有银膜54。所述光纤光栅米用长周期光纤光栅。
[0025] 所述液位传感器的作用原理如下：
[0026] 端面镀银的长周期光纤光栅形成了一种自干涉的马赫-曾德干涉仪，长周期光纤 光栅起到了干涉仪中光束分束器的作用。信号光在长周期光纤光栅处会发生耦合，在芯层 传输的模式会耦合到包层模式，以3dB的长周期光纤光栅为例，50%的光会耦合到包层传 播，剩下的光在芯层继续传播。
[0027] 当两束光到达光纤的端面时，会在银膜处发生反射。由光路可逆原理可知，反射回 来的包层模式在光纤光栅处又被耦合到芯层模式，并与芯层传输模式发生干涉，产生干涉 条纹。这种液位传感器的反射率R与波长λ的关系如下：
[0028] ^) = (tU)+iU))x(l+|^^cos(^^+2^)⑴
[0029] 如果不考虑损失，这个表达式可以简化为：
[0030] R(A) = 1-4ToU)Tc1U)^2( 2πΑη1^ +Θ) (9) X
[0031] 其中ΤΜ(λ)是光纤芯层的透射率，TdU)是光纤芯层到包层的透射率，Λη是芯 层和包层有效折射率的差值，Θ是交叉耦合引起的相移，1^_是干涉仪的腔长。该反射谱为 梳状干涉条纹。
[0032] 当外界待测液体的液位高度发生变化时，传感器的反射率R也会随之变化，从而 起到液位传感的作用。
[0033] 所述液位检测方法，采用所述液位检测装置，包括以下步骤：
[0034] 1)将液位传感器5插入待测液体容器4的待测液体中，液位传感器5的另一端与 三端口环形器2的第1输出端口 22相连；
[0035] 2)将光源1与三端口环形器2的输入端口 21相连；
[0036] 3)将三端口环形器2的第2输出端口 23与光谱仪3的检测信号输入端连接；
[0037] 4)打开光源1，信号光会从三端口环形器2的输入端口 21进入三端口环形器2，然 后从三端口环形器2的第1输出端口 22输出，当信号光到达液位传感器5后，经银膜54反 射，会在长周期光纤光栅53处发生干涉；
[0038] 5)反射光会经过三端口环形器2的第1输出端口 22重新进入三端口环形器2,然 后从三端口环形器2的第2输出端口 23输出到光谱仪3,这时测量反射光的光谱，如果输入 光的光谱为Si ( λ )，即可得到输出光的光谱为：
[0039] S0(A ) = )R(A ) (3)
[0040] 6)当待测液体的高度发生变化时，对于液位传感器5来说，其包层52外的折射率 会发生变化，外界环境的折射率的变化会影响包层52的有效折射率，光纤包层52和芯层51 的折射率之差△ η也就会发生变化，从而影响干涉仪的相位差并且导致谐振波长的漂移；
[0041] 7)通过光谱仪3测量干涉条纹波长的漂移，即可得到外界液面的高度与干涉条纹 波长的关系，分析光谱，即可测得液位高度。
[0042] 图3是液体高度分别为10mm, 20mm, 30mm, 40mm, 50mm时，反射光的光谱。
[0043] 所述光源可采用宽带光源。
【权利要求】
1. 一种液位检测装置，其特征在于设有光源、三端口环形器、光谱仪、待测液体容器和 液位传感器；所述光源与三端口环形器的输入端口连接，三端口环形器的第1输出端口通 过光纤与液位传感器连接，液位传感器插入待测液体容器的待测液体中，三端口环形器的 第2输出端口与光谱仪的检测信号输入端连接； 所述液位传感器设有芯层、包层，芯层设于包层中，芯层中设有光纤光栅，在芯层的端 面镀有银膜。
2. 如权利要求1所述一种液位检测装置，其特征在于所述光纤光栅采用长周期光纤光 栅。
3. -种液位检测方法，其特征在于采用如权利要求1所述液位检测装置，包括以下步 骤： 1) 将液位传感器插入待测液体容器的待测液体中，液位传感器的另一端与三端口环形 器的第1输出端口相连； 2) 将光源与三端口环形器的输入端口相连； 3) 将三端口环形器的第2输出端口与光谱仪的检测信号输入端连接； 4) 打开光源，信号光会从三端口环形器的输入端口进入三端口环形器，然后从三端口 环形器的第1输出端口输出，当信号光到达液位传感器后，经银膜反射，会在长周期光纤光 栅处发生干涉； 5) 反射光会经过三端口环形器的第1输出端口重新进入三端口环形器，然后从三端 口环形器的第2输出端口输出到光谱仪，这时测量反射光的光谱，如果输入光的光谱为 SJX)，即得到输出光的光谱为： S0(A) = Si(A)R(A) 6) 当待测液体的高度发生变化时，对于液位传感器来说，其包层外的折射率会发生变 化，外界环境的折射率的变化会影响包层的有效折射率，光纤包层和芯层的折射率之差Λ η 也就会发生变化，从而影响干涉仪的相位差并且导致谐振波长的漂移； 7) 通过光谱仪测量干涉条纹波长的漂移，即得到外界液面的高度与干涉条纹波长的关 系，分析光谱，即测得液位高度。
【文档编号】G01F23/292GK104089682SQ201410342643
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】薛皓, 付宏燕, 徐作为, 游建舟, 杨云云, 陈浩, 颜家荣 申请人:厦门大学