一种液位传感器及其构建方法、液位检测系统及检测方法

本发明属于液位检测，更具体地，涉及一种液位传感器及其构建方法、液位检测系统及检测方法。

背景技术：

1、液位传感器在生活中的各个领域被广泛使用，尤其在工业生产及环境监测中不可或缺。现有的液位传感器种类繁多，按照是否与液体接触来分类，有浮筒式液位传感器、电容式液位传感器、磁致伸缩式液位传感器及超声波液位传感器等。浮筒式液位传感器是根据阿基米德定律和磁耦合原理设计而成，包括浮筒、弹簧、磁钢室和指示器通过指示器内磁感应元件和传动装置使其指示出液位。电容式液位传感器利用被测介质面的变化引起电容变化的一种变介质型电容液位传感器，将被测的非电量转化为电容量变化实现液位测量。磁致伸缩式液位传感器利用两个不同磁场相交时产生的应变脉冲信号被检测到的时间来计算出磁场相交点的准确位置，测量范围50～3000mm。超声波液位传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，由压电晶片组成。这些传感器内部存在精密电子器件，封装良好。在工况良好的条件下有着优越的性能，但在复杂环境，如可燃的化合物，有污染的生化溶液等场合难以发挥应有作用。

2、光纤液位传感器具有可远程操控、体积小、抗腐蚀和电磁干扰等优点，因此可以应用于高风险、高污染等复杂环境。围绕光纤液位传感器已有诸多相关研究，然而如何进一步提高光纤液位传感器的灵敏度、提高检测精度仍然是本领域的一个重要研究课题。

技术实现思路

1、本发明通过提供一种液位传感器及其构建方法、液位检测系统及检测方法，解决现有技术中光纤液位传感器的灵敏度较低、检测精度较低的问题。

2、第一方面，本发明提供一种液位传感器，包括：第一单模光纤、毛细管光纤和第二单模光纤；所述毛细管光纤的第一端与所述第一单模光纤熔接，所述毛细管光纤的第二端与所述第二单模光纤熔接，所述第二单模光纤的尾端镀有反射膜；所述毛细管光纤上设置有f-p腔串，所述f-p腔串包括若干个f-p腔，若干个所述f-p腔具有相同的结构与相同的尺寸。

3、优选的，所述第一单模光纤、所述毛细管光纤和所述第二单模光纤均去掉涂覆层，所述f-p腔的深度为所述毛细管光纤的包层半径与所述毛细管光纤的芯层半径的差。

4、优选的，所述毛细管光纤、所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的外径均相同，外径的取值范围为124.3～125.7μm；所述第一单模光纤和所述第二单模光纤的内径相同，内径的取值范围为8.5～9.7μm；所述毛细管光纤的内径为5～50μm，所述毛细管光纤的长度为9800～10200μm；每个所述f-p腔的腔长度为11～15μm，相邻两个所述f-p腔之间的腔间距为520～560μm，每个所述f-p腔的腔宽度为28～32μm。

5、优选的，所述液位传感器还包括：固定装置；所述固定装置用于固定拉直后的熔接结构，所述熔接结构为所述第一单模光纤、所述毛细管光纤和所述第二单模光纤依次熔接后得到的结构。

6、第二方面，本发明提供上述液位传感器的构建方法，包括以下步骤：利用光学仿真软件对毛细管光纤的结构参数进行仿真，得到满足预设条件的仿真参数信息；所述结构参数包括毛细管光纤的内径和长度，相邻两个f-p腔之间的腔间距，以及每个所述f-p腔的腔长度和腔宽度；基于所述仿真参数信息选择具有合适内径和长度的毛细管光纤，在第二单模光纤的尾端镀反射膜，将第一单模光纤、所述毛细管光纤和所述第二单模光纤依次熔接；基于所述仿真参数信息在所述毛细管光纤上加工出f-p腔串，得到所述液位传感器。

7、优选的，对所述毛细管光纤的结构参数进行仿真时，首先基于毛细管光纤的内径、长度与归一化反射光功率的仿真结果图，确定所述毛细管光纤的内径和长度；其次基于毛细管光纤的腔长度、腔间距与归一化反射光功率的仿真结果图，确定每个所述f-p腔的腔长度和相邻两个所述f-p腔之间的腔间距；然后基于毛细管光纤的腔宽度与归一化反射光功率的仿真结果图，确定每个所述f-p腔的腔宽度；最后根据所述毛细管光纤的长度、每个所述f-p腔的腔长度和相邻两个所述f-p腔之间的腔间距计算得到所述f-p腔串所包含的所述f-p腔的数量；

8、在对所述毛细管光纤进行加工之前，将所述第一单模光纤、所述毛细管光纤和所述第二单模光纤依次熔接后得到的结构拉直后固定在固定装置上，将所述固定装置置于光学平台上，利用飞秒激光在所述毛细管光纤上加工出所述f-p腔串。

9、第三方面，本发明提供一种液位检测系统，包括：光源、环形器、光谱仪、数据处理装置，以及上述的液位传感器；所述光源与所述环形器的输入端连接，所述环形器的第一输出端与所述液位传感器的第一单模光纤连接，所述液位传感器插入待测液体容器的待测液体中，所述环形器的第二输出端与所述光谱仪的输入端连接，所述光谱仪的输出端与所述数据处理装置连接。

10、第四方面，本发明提供一种液位检测方法，包括以下步骤：

11、步骤1、将上述的液位传感器插入待测液体容器中，将光源与环形器的输入端连接，将所述环形器的第一输出端与所述液位传感器的第一单模光纤连接，将所述环形器的第二输出端与光谱仪的输入端连接，将所述光谱仪的输出端与数据处理装置连接；

12、步骤2、打开所述光源，所述光源发出的信号光经所述环形器进入所述液位传感器的所述第一单模光纤，入射到所述液位传感器的毛细管光纤的f-p腔串中，经所述液位传感器的第二单模光纤的反射膜后返回，反射光经所述环形器后输出至所述光谱仪；

13、向所述待测液体容器中逐步定量加入待测液体以逐步定量增加液位高度，在逐步定量增加液位高度的过程中记录所述光谱仪上逐步变化的光谱数据，所述数据处理装置基于所述光谱数据提取得到光谱特征信息，所述数据处理装置根据包括液位高度数据和与其对应的光谱特征信息在内的信息得到作为检测标准的数据库；

14、步骤3、将所述液位传感器插入待测液体容器的待测液体中，得到检测光谱特征信息，将所述检测光谱特征信息与所述数据库进行比对，得到检测液位高度。

15、优选的，在不同溶度下，分别执行所述步骤2中获得数据库的过程并得到二维数据库，所述二维数据库包括待测溶液在不同浓度下的液位高度数据和光谱特征信息；所述步骤3中，将所述检测光谱特征信息以及检测溶度与所述二维数据库进行比对，得到在所述检测浓度下的检测液位高度。

16、优选的，在不同温度、不同溶度下，分别执行所述步骤2中获得数据库的过程并得到三维数据库，所述三维数据库包括待测溶液在不同温度、不同浓度下的液位高度数据和光谱特征信息；所述步骤3中，将所述检测光谱特征信息、检测温度以及检测溶度与所述三维数据库进行比对，得到在所述检测温度和所述检测浓度下的检测液位高度。

17、本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

18、本发明提供的液位传感器包括依次熔接的第一单模光纤、毛细管光纤和第二单模光纤，第二单模光纤的尾端镀有反射膜，毛细管光纤上设置有f-p腔串，f-p腔串包括若干个全同f-p腔，本发明提供的上述液位传感器属于光纤传感器，因此能够应用于高风险、高污染、高温等复杂环境，相比于现有的光纤液位传感器，本发明由于将多个全同f-p腔串联，因此灵敏度更高，液位检测分辨率更高，此外本发明采用单模光纤与毛细管光纤熔接方式制作而成，结构简单，成本较低。