CN113932884A - 一种基于光纤阵列液位传感器的液位测量***及制备方法、使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于光纤阵列液位传感器的液位测量***及制备方法、测量方法。包括Led面板光源、容器、光纤阵列液位传感器、光信号采集单元和数据处理单元，Led面板用于给光纤阵列液位传感器提供光源；光纤阵列液位传感器用于检测Led面板光经过容器内液体后反射输出的光信号，光信号采集单元用于将光信号转换为数字信号，然后传输到数据处理单元。Led面板光源经过容器中的液体后发生反射作用，光纤阵列液位传感器探测到反射的光信号后，光信号采集单元、数据处理单元的图像处理模块对数字信号进行分析和处理，最后给出液位的高度信息。本方法抗干扰能力强，耐腐蚀，耐热，测量精度高，光纤阵列液位传感器有制作方便使用范围广，成本较低等优点。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于光纤阵列液位传感器的液位测量***及制备方法、使用方法。
背景技术
液位测量涉及到工农业生产、社会生活的方方面面，尤其是在工业生产过程领域，不但要求具有很高的精度，而且还要能够应对工业场景中特殊的环境影响。
因此对液位的测量提出了高精度，高稳定性和实时在线检测等要求，传统测量液位有很多种方法，如机械浮子类液位计，但是它的缺点是浮子运动可能会受传动机械上聚集的污物影响，干扰信号，产生故障，再以如电子类液位传感器，这种液位传感器的优点是构造十分简单，缺点是对液体的介电常数要求较高，必须稳定且相同。如果用长电缆接，由于长电缆中存在干扰和寄生电容，电子类液位传感器的精确度会受到影响，粘性介质和导电介质也会对其产生不利影响，干扰测量结果，造成较大误差。工业中还经常使用的是液压类液位计，但是该液位传感器的缺点是被测液体的密度必须满足稳定不变，同时压力表的精度不足也会造成测量结果的误差。
通过对比了传统的传感器在测量液位方面存在的不足与缺陷，从而设计出一种基于光纤的阵列液位传感器，借助于光纤具有灵敏度高、传输速度快、在恶劣环境下稳定性好、抗电磁干扰能力强等优点。因此用光纤传感技术取代传统的电子传感元件是提高性能的理想方法。另外结合图像处理技术，实现液位的精准测量。
光纤传感技术可以应用到各个方面，其中包括电力、石油化工、医疗生化、航空航天、环境保护、国防建设等领域。
现有的基于光纤传感技术的液位检测主要有以下两种情况：
压力式光纤液位传感器:这类传感器是利用液体高度所形成的压力作用于光纤传感探头，由光纤传感探头的信号推算出液面的高度。近年来，研究得比较多的两种压力式光纤液位传感器是光纤法布里-泊罗腔液位传感器和光纤光栅液位传感器。光纤法布里-泊罗腔液位传感器不能进行液位绝对测量，光纤光栅液位传感器波长解调技术难度大，解调仪价格昂贵。而且这两种方法中，液体压力转换精度很难保证，因而影响测量精度。
反射式光纤液位传感器:反射式光纤传感器是将待测液位作为一个反射平面，由光纤输出的光线垂直于待测液面，经液面反射后的光强垂直于液面进入到光纤，通过检测光纤中的光强变化即可测量液位的高度值，因此它是一种基于强度调制型的光纤液位传感器。
发明内容
根据上述提出的技术问题，从而提供一种基于光纤阵列液位传感器的液位测量***及制备方法、使用方法。借助于光纤本身优良的特性，可以实现高精度测量和不受环境的干扰。为光传感技术在商业中的应用拓宽了空间，特别是航空航天，石化等工业中应用广泛。本发明采用的技术方法如下：
一种基于光纤阵列液位传感器的液位测量***，包括Led面板光源、容器、光纤阵列液位传感器、光信号采集单元和数据处理单元。所述Led面板光源用于给光纤阵列液位传感器提供光信号；所述光纤阵列液位传感器用于检测光源信号经过容器内液体发生反射后输出的光信号，所述光信号采集单元主要用途是将输出的光信号转换为数字信号，然后将采集到的数字信号传输到数字处理单元。光纤阵列液位传感器检测到反射的光信号后，通过光信号采集单元将光信号转换为数字信号，然后传输到数据处理单元，数据处理单元的图像处理模块对数字信号进行分析和处理，最后给出液位的高度信息。
进一步地，所述容器设置在光源和光纤阵列液位传感器之间，所述光源垂直放置在容器的一侧，所述光纤阵列液位传感器垂直放在容器的另一侧，其中光源和光纤阵列液位传感器需要正对着放在容器的两侧。Led面板发出的光和光纤阵列液位传感器正对着放在容器的两侧。
进一步地，所述光纤阵列液位传感器包括若干紧密排布的光纤和固定光纤结构的阵列结构器件。
所述光纤为商用多模光纤，光纤直径为1～2mm，包层厚度为8μm-10 μm，数值孔径为0.2-0.4。
本发明还公开了基于光纤阵列液位传感器的液位测量***中光纤阵列液位传感器的制作方法，包括如下步骤：
步骤一：选取若干直径为1～2mm，长度一样的光纤，保证每一根光纤两端的截面平整光滑，不会影响光信号的传输和输出；如果截面不平整的话就无法保证采集到的光信号的完整性。
步骤二：选取长度和宽度适中的长方体橡胶板器件，在长方体橡胶板上面每隔2mm位置取一个小孔，小孔的直径1-2mm，保证可以把选取好的光纤截面放入即可。
步骤三：步骤二中，在长方体橡胶板上取完小孔后，把所有的光纤全部整齐的排列进小孔当中，在这一步当中，一定需要注意的是橡胶板上的小孔的位置要取的均匀，然后保证***小孔的光纤截面没有受到损耗。
步骤四：再次取一块长度和宽度适中的正方形橡胶板，然后同样在正方形橡胶板上每隔2mm取一个直径1mm的小孔，最后把光纤的另一端整齐排列进正方形的橡胶板，这一步同样需要保证插进去的光纤截面没有受到损耗。
进一步地，由于需要保证测量的精度，所以光纤与光纤之间的间隔距离要保证相等，并且尽可能的小，在本实例中，光纤之间的距离为2mm。
进一步地，由于需要保证测量的精度，为了不受外界的干扰和保证光信号传输的稳定性，光纤阵列的截面整齐且光滑平整，这样可以排除外界的干扰，保证采集到的光信号完整。
本发明还公开一种基于光纤阵列液位传感器的液位测量方法，包括如下步骤：
步骤一、开启Led面板光源，随着液位高度的变化，由于Led面板发出的光信号通过液体之后会发生反射，所以经过液体的光信号的强度发生变化。
步骤二：安装在容器另一侧的光纤阵列液位传感器检测到经过液体后反射后的光信号，把光信号通过光纤阵列液位传感器传输到光信号采集单元，光信号采集单元负责将光信号转换为数字信号。
步骤三、通过光信号采集单元采集数字信号并将其传输至数据处理单元；
步骤四、数据处理单元对采集到的数字信号进行处理，从中计算出液位的高度信息，最终做出反馈。
本发明很有扩展性，满足对不同液位需求的测量，不限定具体测量的液位高度，应用性强，内置一个光纤阵列液位传感器，容易制作并且成本低，本传感器具备光纤所具备的特点，不受外界环境的干扰，所以具备传统测量方法不具备的优点和特性。
本发明具有以下优点：
1、光纤具备不易腐蚀，抗干扰的特性，耐热等特性，因此相比于传统的测量方法，该传感器具有抗干扰能力强，耐腐蚀，耐热等优点，解决了传统方法存在的不足之处。
2、相对来说，光纤的应用很普遍且成本更低，而且搭建本套***也相对容易，因此对比传统的方法，本方法的成本更加低廉。
3、在算法层面，只要算法设计合理，复杂度低，那么软件层面的集成几乎是零成本，并且还可以根据得到的数字信号，可以设计算法计算出液体的其他一些指标，所以算法层面，可扩展性很强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施案例或现有技术中的技术方案，下面将对实施案例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施案例；对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明液位测量***装配图主视图。
图2为本发明光纤阵列液位传感器主视图。
图3为本发明液位传感器的制作过程；图(a)本实例中所选光纤的规格；图(b)长方体结构示意图；图(c)正方体结构示意图；图(d)使用光纤连接两个阵列器件的示意图；图(e)装配好的光纤阵列液位传感器。
图4为本发明液位测量***的图像处理算法的程序流程图。
图5为本发明液位测量***的不同液位高度对应传感器亮度信息的示意图。
图中：1、Led面板光源，2、容器，3、CCD传感器，4、光纤阵列液位传感器，5、数据处理单元；6、长方形橡胶板，7、正方形橡胶板，8、光纤， 9、连接光纤的小孔。
具体实施方式
为使本发明实施案例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施案例中的附图，对本发明实施案例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施案例是本发明一部分实施案例，而不是全部的实施案例。基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护的范围。
如图1、图2所示，本发明实施案例公开了一种基于光纤阵列液位传感器的液位测量***，包括Led面板光源、容器、光纤阵列液位传感器、光信号采集单元和数据处理单元，Led面板光源1、容器2、光纤阵列液位传感器 4、光信号采集单元3均设置于***壳体内部，壳体用于固定上述若干个部分为一个整体，所述Led面板光源用于给光纤阵列液位传感器提供光信号，所述容器用于盛装待测量液位的液体，所述光纤阵列液位传感器用于检测光源经过容器内的液体后反射出的光信号，所述光信号采集单元用于将光信号转换为数字信号；Led面板光源经过容器时发生光的反射，反射后光的强度会发生变化，光纤阵列液位传感器检测到光信号后，通过光信号采集单元将光信号转换为数字信号，然后再把数字信号传输到数据处理单元，数据处理单元的图像处理模块对数据进行分析和处理，最后给出液位的高度信息。
所述光纤阵列液位传感器包括若干紧密排布的光纤和用于固定若干根光纤位置的阵列结构的器件。
所述光纤为商用多模光纤，光纤直径为1～2mm，包层厚度为8μm-10 μm，数值孔径为0.2-0.4。
如图3(a)～(e)所示，本实施案例中，所述光纤阵列液位传感器的制作步骤如下：
步骤一：选取90支直径为1～2mm，长度约10cm的光纤(8)，保证每一根光纤两端的截面平整光滑，不会影响光信号的传输和输出，在本实验中已经使用光滑的玻璃对光纤截面进行打磨，使输出的光信号完整清晰，如果截面不平整的话就无法保证采集到的光信号的完整性。
步骤二：选取长度为15cm和宽度为3cm的长方体橡胶板器件(6)，在长方体橡胶板上面每隔2mm位置取一个小孔(9)，小孔的直径2mm，保证可以把选取好的光纤截面放入即可。
步骤三：步骤二中，在长方体橡胶板上取完小孔后，把所有的光纤全部整齐的排列进小孔当中(10)，在这一步当中，一定需要注意的是橡胶板上的小孔的位置要取的均匀，然后保证***小孔的光纤截面没有受到损耗。
步骤四：再次取一块宽度为5cm的正方体橡胶板(7)，然后同样在正方形橡胶板上每隔1mm取一个直径2mm的小孔(9)，最后把光纤的另一端整齐排列进正方形的橡胶板(10)，这一步同样需要保证插进去的光纤截面没有受到损耗。
本实施案例中，所述光信号采集单元选择CCD传感器(3)，所述数据处理单元选择PC机(5)。本测量方法很好的解决了传统液位测量方法存在的缺点。相比于传统的传感器，该传感器不仅具有不易磨损，耐腐蚀，测量精度高，体积小，功能完善等优点；而且抗电磁干扰能力强，***的搭建容易，应用范围广。测量***可以对任何液体的液位进行测量，比如燃油、腐蚀性液体等。
本实施案例中，所述容器设置在光源和光纤阵列液位传感器之间，所述 Led面板光源垂直放置在盛放液体的容器的一侧。光纤阵列液位传感器不受不同光源的限制。光纤阵列液位传感器放置在容器的另一侧，与Led面板光源保持对立位置。
如图2所示，所述光纤阵列液位传感器包括若干紧密排布的光纤和固定光纤位置的阵列器件，二者主要组成了光纤阵列液位传感器，用于对光信号的检测。所述光纤用于探测光信号和传输经过反射后的光信号。通过光源亮度信息来测量液位高度时所使用的原理是：光通过液体后会发生反射，部分光束可以通过，部分光束无法通过，从而导致光信号强度发生变化；因此可以通过分析光信号变化的强弱来获取一些指标，比如液位等。
本***中，光源通过盛放液体的容器时，由于液体的高度发生变化，光通过液体后发生反射现象，光信号也会随之发生变化。因此，可以通过分析光信号前后的变化得出一些有用的指标。具体地，以柴油为例进行液位的测量，光纤阵列液位传感器通过检测光信号的变化，收集液位变化数据，如图 5所示。
作为优选的实施方式，光纤之间的距离间隔相等。光纤阵列的截面整齐且平整。
在PC端的图像处理算法上面，要求写出的程序最好考虑周全、易维护，具有健壮性。
如图4所示，本发明还公开一种基于光纤阵列液位传感器的液位测量方法，包括如下步骤：
步骤1、开启Led面板光源，随着液位高度的变化，由于光源通过液体之后会发生反射，所以导致经过液体的光信号强度发生变化。
步骤2：安装在容器另一侧的光纤阵列液位传感器检测到经过液体后反射出的光信号，把光信号通过光纤阵列液位传感器传输到光信号采集单元，光信号采集单元负责将光信号转换为数字信号。
步骤3、通过光信号采集单元采集数字信号并将其传输至数据处理单元；
步骤4、数据处理单元对采集到的数字信号进行处理，从中计算出液位的高度信息，最终做出反馈。
最后应说明的是：以上各实施案例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施案例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施案例技术方案的范围。
Claims (7)
1.一种基于光纤阵列液位传感器的液位测量***，其特征在于，包括Led面板光源(1)、容器(2)、光纤阵列液位传感器(4)、光信号采集单元(3)和数据处理单元(5)，所述Led面板光源(1)用于给光纤阵列液位传感器(4)提供光信号，其固定于容器(2)的一侧；所述光纤阵列液位传感器(4)用于检测经过容器内液体反射输出的光信号，其固定于容器(2)的另一侧，所述光信号采集单元(3)主要用于把光信号转换为数字信号，然后把数字信号传输到数据处理单元(5)，Led面板光源(1)经过容器(2)中的液体后发生反射作用，光纤阵列液位传感器(4)探测到反射的光信号后，通过光信号采集单元(3)将光信号转换为数字信号，然后传输到数据处理单元(5)，数据处理单元(5)的图像处理模块对数字信号进行分析和处理，最后给出液位的高度信息。
2.根据权利要求1所述的基于光纤阵列液位传感器的液位测量***，其特征在于，Led面板发出的光源和光纤阵列液位传感器正对着放在容器的两侧。
3.根据权利要求1所述的基于光纤阵列液位传感器的液位测量***，其特征在于，所述光纤阵列液位传感器包括若干紧密排布的光纤和用于固定若干根光纤位置的阵列结构的器件。
4.根据权利要求1所述的基于光纤阵列液位传感器的液位测量***，其特征在于，所述光纤为商用多模光纤，光纤直径为1～2mm，包层厚度为8μm-10μm，数值孔径为0.2-0.4。
5.一种权利要求1～4任一项所述的基于光纤阵列液位传感器的液位测量***的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：选取若干直径为1～2mm，长度一样的光纤(8)，保证每一根光纤两端的截面平整光滑；
步骤二：选取长度和宽度适中的长方体橡胶板器件(6)，在长方体橡胶板上面每隔2mm位置取一个小孔(9)，小孔的直径1-2mm，保证可以把选取好的光纤截面放入即可；
步骤三：在长方体橡胶板上取完小孔后，把所有的光纤全部整齐的排列进小孔当中(10)，保证***小孔的光纤截面没有受到损耗；
步骤四：再次取一块长度和宽度适中的正方形橡胶板(7)，然后同样在正方形橡胶板上每隔2mm取一个直径1mm的小孔(9)，最后把光纤的另一端整齐排列进正方形的橡胶板(10)。
6.根据权利要求5所述的基于光纤阵列液位传感器的液位测量***，其特征在于，光纤与光纤之间的间隔距离要保持相等，并且尽可能小的预设值。
7.一种采用权利要求1～4任一项所述的基于光纤阵列液位传感器的液位测量***的液位测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、开启Led面板光源，随着液位高度的变化，由于光源通过液体之后会发生反射，所以经过液体后的光信号强度发生变化；
步骤2：安装在容器另一侧的光纤阵列液位传感器检测到经过液体反射后的光信号，光信号通过光纤阵列液位传感器传输到光信号采集单元；
步骤3、光信号采集单元将光信号转换为数字信号，然后把数字信号传输到数据处理单元；
步骤4、数据处理单元对采集到的数字信号进行处理，从中计算出液位的高度信息，最终做出反馈。
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