一种液体密度计和液体密度测量系统的制作方法

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种液体密度计和液体密度测量系统。

背景技术：

密度计是测量液体密度的一种计量仪器。目前，常见的有电子式密度计、静压式密度计、振动式密度计和放射性同位素密度计等。但这些密度计存在结构复杂，或成本高，或测量精度低等缺点。

基于光学原理的密度计具有高精度、结构简单、抗电磁干扰等优点。目前光学式的密度计都是基于阿基米德浮力定律的浮子式结构，即物体在液体内受到的浮力与液体密度成正比，浮子受到的浮力通过机械杠杆传到光纤光栅，引起光栅的应变，检测光栅光信号的改变就可算出浮力大小，进而得出液体密度。

然而，浮子式的缺点是因为有浮子和机械结构，体积做不到很小。浮子体积越大，受到的浮力也越大，灵敏度就高，但整个密度计体积也就越大了，所以体积和灵敏度不可兼得。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

针对现有存在的技术问题，本发明提供一种基于级联光纤fpi的液体密度计，具有体积小、灵敏度高、温度自动补偿的优点。

(二)技术方案

本发明提供一种液体密度计，包括套管和在套管内固定级联设置的两个fpi结构，每个所述fpi结构的末端设置有与待测液体接触并用于测量所述待测液体内压强的f-p腔结构，两个fpi结构位于所述套管内的不同高度，以测量不同位置处的液体压强；每一个fpi结构将测量的液体压强通过内部的光纤输出，每一个fpi结构内部光纤的一端与所述f-p腔结构接触，另一端延伸出所述套管。

进一步地，所述fpi结构包括：

光纤、插芯和薄膜；

所述薄膜固定在所述插芯的底部端面，并与插芯形成筒状腔体；

所述光纤的一端延伸出套管，另一端插入所述筒状腔体内，且该另一端的端头与所述薄膜距离预设值d1时固定，所述光纤的端头、插芯和薄膜形成所述f-p腔结构；

所述插芯固定于套管内壁，且长度小于所述光纤的长度。

进一步地，所述插芯借助于限位钢圈可调节地固定在套管内壁。

进一步地，所述插芯为圆管状，插芯内壁沿轴向设置有用于固定光纤的胶槽和用于平衡f-p腔体内气压的气压平衡槽。

进一步地，所述光纤为单模光纤，所述薄膜为单层薄膜；

或者，所述光纤为单模光纤，所述薄膜为多层薄膜；

或者，所述光纤为多模光纤，所述薄膜为单层薄膜；

或者，所述光纤为多模光纤，所述薄膜为多层薄膜。

进一步地，所述多层薄膜由单层薄膜和设置在单层薄膜上方的增反射膜组成。

进一步地，所述单层薄膜的厚度均为1-30微米。

进一步地，在所述多层薄膜中，单层薄膜的厚度为1-30微米，所述增反射膜的厚度为10-500纳米。

进一步地，所述薄膜通过胶粘合在插芯的底部端面或通过激光焊接在插芯的底部端面。

本发明还提供一种液体密度测量系统，包括如上述任一方案所述的液体密度计和光谱仪，所述光谱仪与所述液体密度计中延伸出套管的光纤连接。

(三)有益效果

本发明提供的液体密度计，通过两个级联的fpi结构感应光栅的变化，进而获得压强差及液体密度，测量的灵敏度高且具有温度自动补偿特点。由于采用光纤测量，该密度计的抗干扰能力强，耐腐蚀性高，同时光纤的体积很小，直径约为125微米，因此整个液体密度计的体积很小。密度计中没有机械式的结构，结构更加简单，工作更可靠。

附图说明

图1为本发明提供的液体密度计的结构示意图；

图2为本发明提供的液体密度计的a-a处的截面图。

【附图标记说明】

11：第一光纤；12：第一插芯；13：第一薄膜；14：第一f-p腔；21：第二光纤；22：第二插芯；23：第二薄膜；24：第二f-p腔；5：限位钢圈；61：第一套管；62：第二套管；7：气压平衡槽；8：胶槽。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明提供一种液体密度计，其原理如下：

液体中距离页面深度h处的压强为：p＝ρgh，则两个不同液位深度的压强差为：δp＝ρg(h1-h2)，因此，测量两个不同液位深度位置的压强差值，可以计算得到所测液体的密度：

基于上述原理，本发明提出了如图1所示的液体密度计。该液体密度计包括套管和在套管内固定级联设置的两个fpi结构，每个所述fpi结构的末端设置有与待测液体接触并用于测量所述待测液体内压强的f-p腔结构，两个fpi结构位于所述套管内的不同高度，以测量不同位置处的液体压强；每一个fpi结构将测量的液体压强通过内部的光纤输出，每一个fpi结构内部光纤的一端与所述f-p腔结构接触，另一端延伸出所述套管。

上述的级联是指两个结构相同的第一fpi结构和第二fpi结构并列设置在套管内，其中，第一fpi结构包括第一光纤11、第一插芯12和第一薄膜13，第一光纤11插入第一插芯12内，第一薄膜13固定在第一插芯12的底部端面，第一薄膜13与第一光纤11的底部端面之间形成第一f-p腔14；第二fpi结构包括第二光纤21、第二插芯22和第二薄膜23，第二光纤21插入第二插芯22内，第二薄膜23固定在第二插芯22的底部端面，第二薄膜23与第二光纤21的底部端面之间形成第二f-p腔24。

其中，光纤均由纤芯和包围所述纤芯的包层组成。

第一薄膜13与第二薄膜23之间设置有高度差δh，高度差δh可以任意选择。

第一f-p腔14和第二f-p腔24的长度相同均为d1，且均为空腔，以第一f-p腔14为例，第一f-p腔14的长度是指第一光纤11的底部端面到第一薄膜13的距离。

其中，第一光纤11和第二光纤21为同种光纤材料，可以同时选用单模光纤或同时选用多模光纤。

第一薄膜13和第二薄膜23均为单层薄膜，其中，所述单层薄膜的厚度为1-30微米，材质为金属箔。当然，单层薄膜的材质也可选用塑料、橡胶或生物复合材料，本发明不作限定。

当然，第一薄膜13和第二薄膜23也可以同时选用多层薄膜，所述多层薄膜即为在单层薄膜的上表面添加一层由金属或复合材料制备的反光膜或增反膜，反光膜或增反膜可以提高光的反射率。其中，在多层薄膜中的单层薄膜的厚度为1-30微米，反光膜或增反膜的厚度为10-500纳米。

其中，第一薄膜13和第二薄膜23为同种材料，且结构参数相同。

优选地，第一薄膜13和第二薄膜23分别通过胶粘合在插芯的底部端面或通过激光焊接在插芯的底部端面。

所述套管包括第一套管61和第二套管62，第一套管61和第二套管62上下连接地设置在第一fpi结构和第二fpi结构的外部，可起到封装的作用，套管的材质可选为不锈钢。

第一插芯12和第二插芯22均为圆管状，如图2所示，每一插芯内壁沿竖直方向均设置有气压平衡槽7和胶槽8，气压平衡槽7各自用来平衡第一f-p腔14和第二f-p腔24内的气压，胶槽8内可以注入胶水，用于固定第一光纤11和第二光纤21。

该液体密度计中包括限位钢圈5，限位钢圈5用于将第一插芯12和第二插芯22可调节地固定在第二套管62上。通过调节限位钢圈5可改变第一插芯12和第二插芯22竖直方向的相对位置，进而改变δh。

本发明的液体密度计的工作原理：

光在f-p腔内反射，反射光发生干涉。由于f-p腔的长度d1发生变化，干涉条件也变化，得到的波长就会发生改变。根据与光纤相连接的光谱仪测量得到的波长变化，反推出d1的变化，进而得到引起薄膜形变的液体的压强。两个光纤测得的压强分别为p1和p2,根据公式获得液体密度。

本发明中采用级联光纤的fpi结构，克服了温度对于测量结果的影响。在测量过程中，由于温度的影响，可能会引起第一薄膜和第二薄膜的形变、插芯的体积形变，进而引起第一f-p腔14和第二f-p腔24结构的变化和测量结果的改变。但是，由于设置了两个fpi结构，这样由温度引起的变化可以抵消，不会影响测得的压强差和液体密度，具有温度自动补偿的特点。

同时，由于采用光纤测量，灵敏度高、抗干扰能力强、耐腐蚀性良好，同时光纤的体积很小，直径约为125微米，因此整个液体密度计的体积很小。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理，这些描述只是为了解释本发明的原理，不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。