一种光纤式液位传感器及液位测量方法

本发明涉及传感器，具体涉及一种光纤式液位传感器及液位测量方法。

背景技术：

1、液位测量遍及生产和生活的各个领域，在工业和日常生活中有着重要而广泛的应用，实现液位测量的关键是液位传感器。目前在液位测量领域广泛应用的液位传感器主要分为机械浮子式、电容式、磁致伸缩式、超声波式等。机械浮子式液位传感器是利用传动装置把与液位同高度的浮筒高度信息转换成脉冲信号或连续信号，例如带动电刷来改变电桥的桥臂阻值。此类传感器结构简单、价格低廉。电容式液位传感器主要由一组同轴安装的铝合金内外电极组成，利用介质的介电常数差异来进行测量，当液面高度变化时，电容值随之变化。此类传感器精度高，量程广，适合于测量各种介质的液位。磁致伸缩式液位传感器将磁效应和弹性波传播效应相结合，通过精确测量发射脉冲和接收脉冲之间的时间差来确定浮子的位置，达到测量液位的目的。超声波式液位传感器依据声波能够在液体中传播且能在液－气分界面发射这一现象，通过测量发射超声波和接受反射波的时间差，并结合液体密度对应的声速数据，经微处理器处理和计算便可获得液位值。此类传感器没有电器件置入液体中，安全性能高，抗电磁干扰能力强。

2、但上述各类液位测量方式均存在一定的不足：浮子式传感器测量范围小，指示误差大，存在活动部件，稳定性和可维护性较差；电容式传感器要求液体具有稳定的介电常数，且对电缆中的干扰和寄生电容很敏感，抗电磁干扰性差；磁致伸缩式传感器存在可动部件，可靠性不足，且受电磁干扰影响较大，装置复杂度也较高；超声波式传感器的精度易受液面波动、液体中气泡等因素的影响，可靠性不足。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种光纤式液位传感器及液位测量方法，以解决现有技术中的不足，它具有更强的抗电磁干扰能力，实现了本质安全测量，且没有活动部件，有良好的可靠性和可维护性，基于固定间距的双测点实现了姿态补偿，基于参考光纤光栅法实现了温度补偿，通过石英毛细管中灌封环氧树脂的封装方式降低了传感器的零偏，实用性强，精度良好，具有实际的应用价值。

2、本发明提供了一种光纤式液位传感器，包括壳体，所述壳体的两端密封安装有金属膜片，两所述金属膜片与所述壳体的内侧壁之间形成封闭腔体；

3、所述封闭腔体内封装有两个敏感光纤光栅和一个参考光纤光栅，两所述敏感光纤光栅分别粘贴于两所述金属膜片上，所述参考光纤光栅的一端与所述壳体内的刚性区域粘接；

4、两所述敏感光纤光栅和所述参考光纤光栅分别与三条光纤连接，所述光纤贯穿并延伸出所述壳体的外部。

5、如上所述的一种光纤式液位传感器，其中，优选的是，每个所述金属膜片均通过一夹紧环固定在所述壳体一端，且所述夹紧环与所述壳体通过螺纹密封连接。

6、如上所述的一种光纤式液位传感器，其中，优选的是，所述壳体的两端的端部沿周侧方向开设有第一密封槽，所述第一密封槽内安装有第一密封圈；所述夹紧环抵靠在所述金属膜片的一侧，沿所述金属膜片的周侧方向开设有第二密封槽，所述第二密封槽内安装有第二密封圈。

7、如上所述的一种光纤式液位传感器，其中，优选的是，所述壳体的侧壁上开设有三个光纤引出口，每个所述光纤引出口处粘贴一个石英毛细管，三条所述光纤分别从所述三个光纤引出口和对应的石英毛细管中引出，所述石英毛细管中灌封环氧树脂以固定所述光纤；所述光纤引出口通过密封填料填充。

8、如上所述的一种光纤式液位传感器，其中，优选的是，封装在所述壳体内的所述敏感光纤光栅、所述参考光纤光栅和所述光纤均为裸纤，伸出壳体的所述光纤为铠装光纤。

9、如上所述的一种光纤式液位传感器，其中，优选的是，所述壳体的刚性区域设有一金属基底，所述参考光纤光栅粘接在所述金属基底上。

10、如上所述的一种光纤式液位传感器，其中，优选的是，所述壳体的侧面上开设有维修孔，所述维修孔螺纹连接有一密封塞。

11、如上所述的一种光纤式液位传感器，其中，优选的是，所述光纤光栅为均匀周期的光纤光栅，其反射光中心波长与光纤光栅温度、应变的变化量的关系近似为，

12、式中：αf为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤材料的热光系数；pe为光纤材料的弹光系数，λb表示光纤光栅的中心波长，δλb表示光纤光栅的中心波长变化量，δt表示温度变化量，δε表示应变变化量。

13、如上所述的一种光纤式液位传感器，其中，优选的是，所述封闭腔体内可以补充安装柔性杠杆结构，所述柔性杠杆结构与所述金属膜片粘接固定，所述敏感光栅粘贴于柔性杠杆结构上。

14、本申请中还公开了一种液位测量方法，包括以下步骤：

15、s1、对参考光纤光栅和两敏感光纤光栅的特性标定，并记录标定结果；

16、s2、将光纤式液位传感器放置于待检测液中，读取两敏感光纤光栅中心波长及参考光纤光栅中心波长；

17、s3、计算敏感光纤光栅中心波长变化量及参考光纤光栅中心波长变化量；

18、s4、计算作用在金属膜片上的静压强；

19、s5、计算液位值。

20、与现有技术相比，本发明本的光纤式液位传感器结构简单，从原理上具有更强的抗电磁干扰能力，实现了本质安全测量，且没有活动部件，有良好的可靠性和可维护性。此外，传感器基于固定间距双测点方法实现了姿态补偿，基于参考光纤光栅法实现了温度补偿，通过石英毛细管中灌封环氧树脂的封装方式降低了传感器的零偏，实用性强，精度良好，具有实际的应用价值。

技术特征：

1.一种光纤式液位传感器，其特征在于：包括壳体(1)，所述壳体(1)的两端密封安装有金属膜片(2)，两所述金属膜片(2)与所述壳体(1)的内侧壁之间形成封闭腔体；

2.根据权利要求1所述的光纤式液位传感器，其特征在于：每个所述金属膜片(2)均通过一夹紧环(5)固定在所述壳体(1)一端，且所述夹紧环(5)与所述壳体(1)通过螺纹密封连接。

3.根据权利要求2所述的光纤式液位传感器，其特征在于：所述壳体(1)的两端的端部沿周侧方向开设有第一密封槽(101)，所述第一密封槽(101)内安装有第一密封圈；所述夹紧环(5)抵靠在所述金属膜片(2)的一侧，沿所述金属膜片(2)的周侧方向开设有第二密封槽，所述第二密封槽内安装有第二密封圈。

4.根据权利要求1所述的光纤式液位传感器，其特征在于：所述壳体(1)的侧壁上开设有三个光纤引出口(102)，每个所述光纤引出口(102)处粘贴一个石英毛细管(6)，三条所述光纤(3)分别从所述三个光纤引出口(102)和对应的石英毛细管(6)中引出，所述石英毛细管(6)中灌封环氧树脂以固定所述光纤(3)；所述光纤引出口(102)通过密封填料填充。

5.根据权利要求4所述的光纤式液位传感器，其特征在于：封装在所述壳体(1)内的所述敏感光纤光栅、所述参考光纤光栅和所述光纤(3)均为裸纤，伸出壳体(1)的所述光纤(3)为铠装光纤。

6.根据权利要求1所述的光纤式液位传感器，其特征在于：所述壳体(1)的刚性区域设有一金属基底(7)，所述参考光纤光栅粘接在所述金属基底(7)上。

7.根据权利要求1所述的光纤式液位传感器，其特征在于：所述壳体(1)的侧面上开设有维修孔(103)，所述维修孔(103)螺纹连接有一密封塞(4)。

8.根据权利要求1所述的光纤式液位传感器，其特征在于：所述光纤光栅为均匀周期的光纤光栅，其反射光中心波长与光纤光栅温度、应变的变化量的关系为：

9.根据权利要求1所述的光纤式液位传感器，其特征在于：所述封闭腔体内安装有柔性杠杆结构，所述柔性杠杆结构与所述金属膜片(2)粘接固定，所述敏感光纤光栅粘贴于柔性杠杆结构上。

10.一种液位测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种光纤式液位传感器及液位测量方法，该光纤式液位传感器包括壳体，所述壳体为圆柱体，所述壳体的两端密封安装有金属膜片，两所述金属膜片与所述壳体的内侧壁之间形成封闭腔体；所述封闭腔体内封装有两个敏感光纤光栅和一个参考光纤光栅，两所述敏感光纤光栅分别粘贴于两所述金属膜片上；所述参考光纤光栅粘贴于所述壳体内的刚性区域；两所述敏感光纤光栅和所述参考光纤光栅分别与三条光纤连接，所述光纤贯穿并延伸出所述壳体的外部。本发明结构简单、抗干扰能力强，实用性强，精度高。

技术研发人员：董韶鹏,阴元晴,袁梅,黄家懿,屈玉丰,焦宗夏
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24