CN2648416Y - 光纤光栅液位传感器 - Google Patents

Abstract

一种光纤光栅液位传感器，其包括壳体、片状弹性元件和带有至少一个光栅的一段光纤，所述片状弹性元件的边缘部分固定在所述壳体上，所述壳体内腔被所述片状弹性元件隔离成为气体腔；所述光纤具有第一固定区域，所述第一固定区域固定于所述壳体或所述壳体上的光纤固定部件上；所述光纤具有第二固定区域，所述第二固定区域固定于所述片状弹性元件或所述片状弹性元件上的光纤固定部件上；所述光纤的第一与第二固定区域之间部分的轴线与所述片状弹性元件所在平面垂直，且该部分光纤上带有至少一个传感光栅。这种结构的传感器适于易燃易爆环境下工作；不怕辐射、抗电磁干扰、可靠性好、测量精度高；具有温度补偿功能，测量结果不受温度影响。

Description

光纤光栅液位传感器

技术领域

本实用新型涉及一种液位传感器。更具体地说，本实用新型涉及一种光纤光栅液位传感器。

背景技术

液位传感器在工业控制与检测领域有着广泛应用。目前的液位传感器有很多种，例如浮筒式液位传感器、压阻式液位传感器、电容式液位传感器、超声波液位传感器和光纤液位传感器等。其中，光纤液位传感器具有电绝缘、抗电磁干扰、抗辐射、耐腐蚀等突出优点，特别适合于易燃、易爆、强电磁干扰、强辐射以及腐蚀性环境下使用。

光纤光栅是一种新型传感元件，其反射波长随应变线性变化，将其与弹性元件相结合可以实现多种物理量的测量。同其它类型光纤传感器相比，光纤光栅传感器具有可靠性好、抗干扰能力强的优点，它对被测量进行波长编码，这种编码方式不受光源功率波动以及链路损耗起伏等因素的影响。光纤光栅传感器的另一个优点是易于复用，多个光纤光栅可以很容易地串接在同一根光纤里，易于组成测量网络。

中国专利(专利号01265843.X)“光纤光栅液位传感器”描述了一种光纤光栅液位传感器，其构成是将光纤光栅侧向粘贴在弹性膜片的表面。液体压力变化引起弹性膜片形变，从而使得光纤光栅发生相应的形变，导致光纤光栅的反射波长移动，通过监测光纤光栅的反射波长获知液位变化信息。该设计实际上是将光纤光栅当成一种应变片，用光纤光栅替代传统的电阻应变片，其设计方法并没有超出传统应变片式液位传感器的设计思路。其不足之处是：由于光纤光栅是侧向粘贴于弹性膜片表面的，其拉伸或压缩形变是由膜片形变决定的，而弹性膜片沿光纤轴线方向的形变在大范围内不是线性的，因此该种纤光栅液位传感器只能提供较窄的线性范围，以致影响传感器测量精度。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有光纤光栅液位传感器其在大范围内很难获得良好的线性，导致传感器测量精度低的技术问题，提供一种动态范围大、线性好、精度高、易于复用、能于易燃易爆环境下工作的光纤光栅液位传感器；并进一步提供一种具备以上特性而且具备温度补偿功能的光纤光栅液位传感器。

为解决上述问题，本实用新型的技术方案是构造一种光纤光栅液位传感器，其包括壳体、片状弹性元件和带有至少一个光栅的一段光纤，所述片状弹性元件的边缘部分固定在所述壳体上，所述壳体内腔被所述片状弹性元件隔离成为气体腔；所述光纤具有第一固定区域，所述第一固定区域固定于所述壳体上或通过第一光纤固定部件固定在所述壳体上；所述光纤具有第二固定区域，所述第二固定区域固定于所述片状弹性元件上或通过第二光纤固定部件固定在所述片状弹性元件上；所述光纤的第一与第二固定区域之间部分的轴线与所述片状弹性元件所在平面垂直，且该部分光纤上带有至少一个传感光栅。

在本实用新型的实施例中，所述片状弹性元件外侧还可有一液体腔，所述液体腔内充满导压介质，所述液体腔上有一隔离膜片，所述隔离膜片将所述液体腔与外界隔离开。

其中，所述光纤可具有第三固定区域，所述第三固定区域固定于所述壳体或通过第三光纤固定部件固定在所述壳体上，所述光纤的第二固定区域与第三固定区域之间部分的轴线与所述光纤的第一固定区域与第二固定区域之间部分的轴线在同一条直线上，所述第三固定区域与所述第一固定区域分别位于所述第二固定区域的两侧，所述光纤的第一固定区域与第二固定区域之间部分有第一传感光栅，所述光纤的第二固定区域与第三固定区域之间部分有第二传感光栅。

在本实用新型的实施例中，所述气体腔可设有与大气相通的导气管。所述光纤可从所述导气管中穿出。

所述光纤的第一固定区域与第二固定区域之间部分可以位于所述气体腔内，也可以位于所述液体腔内。

所述光纤的第二固定区域与第三固定区域之间部分可以与所述光纤的第一固定区域与第二固定区域之间部分分别位于所述片状弹性元件的两侧，也可以与所述光纤的第一固定区域与第二固定区域之间部分位于所述片状弹性元件的同侧。

本实用新型的工作原理是将所述的光纤光栅液位传感器放置在被测液体底部，当液位发生变化时，液体内部压力变化导致片状弹性元件的中心区域发生位移，片状弹性元件的位移引起光纤光栅的轴向拉伸或压缩，由此导致光纤光栅的反射波长移动，通过检测光纤光栅的反射波长移动获知液位变化信息。

与其它类型传感器一样，光纤光栅传感器也存在着温度串扰问题，温度的变化会引起测量误差。为了解决此问题，本实用新型提供不受温度影响的光纤光栅液位传感器。不受温度影响的光纤光栅液位传感器通过以下三个技术方案中的任意一个予以实现：

1、参考光栅方案

依照本方案的光纤光栅液位传感器，所述光纤上带有两个光栅。一个位于所述光纤的第一与第二固定区域之间，用来测量液位，我们称之为传感光栅，它同时也对温度有响应。另一个位于所述光纤的第一与第二固定区域之间部分以外的区域上，用来测量温度，它只对温度有响应，对液位没有响应，我们称之为参考光栅。两个光栅的温度和液位响应分别为：

        Δλ₁＝AΔH+BΔT    (1)

        Δλ₂＝CΔT         (2)式中Δλ₁和Δλ₂分别为传感光栅和参考光栅的反射波长变化量，ΔH和ΔT分别为液位高度变化量和温度变化量，A和B分别为传感光栅的液位和温度响应系数，C为参考光栅的响应系数。通过参考光栅知道了温度变化，然后利用(1)式对传感光栅的读数进行修正，扣除温度对测量结果的影响。

2、双光栅方案

依照本方案的光纤光栅液位传感器，所述光纤上带有两个传感光栅。此两个光栅均位于所述光纤的第一与第二固定区域之间，两个光栅均用来测量液位，它们均对温度有响应，但两者具有不同的液位和温度响应系数。两个光栅的温度和液位响应分别为：

                Δλ₃＝DΔH+EΔT      (3)

                Δλ₄＝FΔH+GΔT      (4)式中Δλ₃和Δλ₄分别为两个光栅的反射波长变化量，ΔH和ΔT分别为液位高度变化量和温度变化量，D和F分别为两个光栅的液位响应系数，E和G分别为两个光栅的温度响应系数。由于两个光栅具有不同的温度和液位响应系数，即D≠F，E≠G，知道了两个光栅的波长变化量，通过(3)和(4)两式，可以同时获知温度和液位变化情况。

3、温度补偿方案

依照本方案的光纤光栅液位传感器，所述光纤具有第三固定区域，所述第三固定区域固定于所述壳体上或通过第三光纤固定部件固定在所述壳体上，所述光纤的第二与第三固定区域之间部分的轴线与所述光纤的第一与第二固定区域之间部分的轴线在同一条直线上，所述第三固定区域与所述第一固定区域分别位于所述第二固定区域的两侧，所述光纤的第一与第二固定区域之间部分有一个传感光栅，所述光纤的第二与第三固定区域之间部分亦有一个传感光栅。当所述片状弹性元件发生位移时，一个光栅被拉伸，另一个光栅被压缩，液位高度通过测量两个光栅的波长差来确定。由于两个光栅具有相同的温度响应，温度变化引起两个光栅产生相同的波长变化量，因此，两个光栅的波长差只依赖于液位高度，是与温度无关的。

本实用新型与中国专利(专利号01265843.X)“光纤光栅液位传感器”的不同之处在于：

中国专利01265843.X是将光纤光栅侧向粘贴在弹性膜片表面，弹性膜片的形变引起光纤光栅发生相应形变，由于弹性膜片沿光纤轴线方向的形变在大范围内不是线性的，因此依照该实用新型的光纤光栅液位传感器只能提供较窄的线性范围；

本实用新型的光纤光栅液位传感器，光纤光栅的轴线是垂直于片状弹性元件所在平面的，它是通过片状弹性元件的中心区域位移引起光纤光栅的轴向拉伸或压缩，选择合适的片状弹性元件型面参数，很容易获得线性的液位高度-片状弹性元件位移关系曲线，因此本实用新型能够提供非常宽的线性范围。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1.本实用新型以光波为信号载体，以光纤为传输介质，具有电绝缘特性，适于易燃易爆环境下工作；

2.本实用新型不怕辐射，抗电磁干扰，可靠性好；

3.本实用新型动态范围大，线性范围宽，精度高；

4.本实用新型具有温度补偿功能，测量结果不受温度影响；

5、本实用新型易于复用，多个光纤光栅液位传感器可以串接在一根光纤上，易于组成测量网络。

附图说明

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步的说明，其中：

图1是本实用新型第一实施例的结构示意图；

图2是本实用新型第二实施例的结构示意图；

图3是图2中的光纤固定部件10的俯视图；

图4是本实用新型第三实施例的结构示意图；

图5是本实用新型第四实施例的结构示意图；

图6是本实用新型第五实施例的结构示意图；

图7是本实用新型第六实施例的结构示意图；

图8是本实用新型第七实施例的结构示意图。

具体实施方式

图1示出了本实用新型的第一实施例，所述的光纤光栅液位传感器，其包括状壳体1、片状弹性元件7和光纤2。壳体1为圆筒形。片状弹性元件7为圆形膜片，由金属材料制成，也可为其他弹性膜片。片状弹性元件7上带有第二光纤固定部件8。片状弹性元件7的边缘部分密封固定在壳体1上，将壳体1的内腔隔离成为气体腔5。光纤2有第一固定区域3，以焊接或胶粘的方式固定在壳体1上。光纤2有第二固定区域9，以焊接或胶粘的方式固定在片状弹性元件7上的光纤固定部件8上。在光纤2的第一固定区域3和第二固定区域9之间有传感光栅6，传感光栅6的轴线垂直于片状弹性元件7所在的平面。光纤2是在拉伸状态下固定到壳体1和光纤固定部件8上去的，即传感光栅6处于预应变状态。当光纤光栅液位传感器置于被测液体中时，液体压力作用于片状弹性元件7的外侧，导致其中心区域发生向上的位移，施加于传感光栅6上的预应变被部分地释放，传感光栅6的反射波长向短波方向移动。由于片状弹性元件7中心区域的位移量是液体压力的线性函数，液体压力又是液位高度的线性函数，因此传感光栅6的波长变化量与液位高度之间成线性关系，通过监测传感光栅6的波长变化便可获知液位信息。

图2示出本实用新型的第二实施例，该实施例与图1所示实施例的不同之处在于：

图2所示实施例中，壳体1上有第一光纤固定部件10，该光纤固定部件10上有一个突出部分，其俯视图如图3所示。片状弹性元件7上的第二光纤固定部件8是一个镂空的结构，其镂空的空间能够容纳第一光纤固定部件10上的突出部分，两者可以相对运动，两者之间不接触、无摩擦。光纤2的第一固定区域3固定于第一光纤固定部件10的突出部分上，其第二固定区域9固定在第二光纤固定部件8上。当液体压力作用于片状弹性元件7的外侧时，片状弹性元件7的中心区域发生向上的位移，其结果是传感光栅6被拉伸，传感光栅6的反射波长向长波方向移动。

图2所示实施例中，片状弹性元件7的外侧有一液体腔，其内充满导压介质11，该液体腔上有一个隔离膜片12，该隔离膜片将液体腔与外界环境隔离开。液体腔内的导压介质11为液压油，隔离膜片12是由耐腐蚀材料制成的。隔离膜片与导压介质起隔离导压作用，将被测液体压力有效传递给片状弹性元件7，避免片状弹性元件7与腐蚀性被测液体直接接触，能够有效延长光纤光栅液位传感器的使用寿命。

图2所示实施例中还多了一个导气管4，该导气管使气体腔5与大气相通。在实际应用中，很多时候被测液体是暴露在大气中的，在这种情况下，片状弹性元件7的外侧所感受到的压力是液体压力与大气压力之和，而大气压力随天气情况而变化，这将会带来测量误差。导气管4的作用便是克服上述问题。导气管4将气体腔5与大气联通，由此，片状弹性元件7的内侧压力为大气压力，其外侧压力为液体压力与大气压力之和，两侧的大气压力相互抵消掉，不管大气压力如何变化，测量结果不受其影响。

图4示出了本实用新型的第三实施例，该实施例中与第二实施例不同在于，传感光栅6位于液体腔内，被测液体压力作用导致传感光栅6被拉伸，其反射波长向长波方向移动。另外，图4所示实施例中，光纤2的另一端亦从壳体1中穿出，这样多个光纤光栅液位传感器可以方便地串接在同一根光纤上，易于组成测量网络。

图5和图6分别示出了本实用新型的第四和第五实施例，这两个实施例能够实现温度与液位的同时测量。与图4相比，图5中多了一个参考光栅13，该参考光栅13位于所述光纤的第一固定区域3与第二固定区域9之间部分以外的区域中，它处于自由状态，它不受液位、应变等因素影响，只对温度有响应。利用该光栅13测量温度，知道了温度变化，再利用公式Δλ₁＝AΔH+BΔT(1)对传感光栅6的读数进行修正，由此便可扣除温度变化对测量结果的影响。在本实施例中参考光栅13位于气体腔中，实际上它也可以位于所述光纤的其它区域，例如可位于固定区域3下面，由于该部分光纤的一端是自由的，处于该区域的参考光栅不受液位、应变等因素影响，只对温度变化有响应。与图1相比，图6所示实施例中，光纤2的第一固定区域3与第二固定区域9之间有两个传感光栅，即第一传感光栅6和第二传感光栅14。第一传感光栅6的反射波长在1550nm附近，第二传感光栅14的反射波长在1300nm附近，两个光栅具有不同的温度和液位响应系数，通过监测此两个光栅的反射波长变化情况，再利用两公式：

            Δλ₃＝DΔH+EΔT    (3)

            Δλ₄＝FΔH+GΔT    (4)进行计算，便可同时获知温度和液位信息。在本实施例中，第一传感光栅6和第二传感光栅14是串连的，实际上这两个光栅也可以重叠写入在所述光纤的相同位置上。

图7和图8分别示出了第五和第六两个具有温度补偿功能的实施例。在这两个实施例中，光纤2具有第三固定区域15，以焊接或胶粘的方式固定在壳体1上的第三光纤固定部件17上，光纤2的第二固定区域9和第三固定区域15之间部分的轴线与第一固定区域3和第二固定区域9之间部分的轴线在同一条直线上，第一固定区域3与第三固定区域15分别位于第二固定区域9的两侧，在第一固定区域3与第二固定区域9之间有第一传感光栅6，在第二固定区域9与第三固定区域15之间有第二传感光栅16，两个光栅的波长均在1550nm附近。在图7所示实施例中，第一传感光栅6位于液体腔中，第二传感光栅16位于气体腔5中，光纤2的第二固定区域直接固定在片状弹性元件7上。在图8所示实施例中，第一传感光栅6和第二传感光栅16均位于气体腔5中，其中第二光纤固定部件8和第一光纤固定部件10的结构与图2所示实施例相同。在以上两个实施例中，液位的变化不是以单个光栅的波长变化来表达，而是以两个光栅的波长差的变化来表达的。当液位变化引起片状弹性元件7的中心区域发生位移时，一个光栅被拉伸，另一个光栅被压缩。当温度发生变化时，温度变化引起两个光栅的反射波长向相同的方向发生相同的移动量，因此两个光栅的波长差是温度无关的，由此通过测量两个光栅的波长差的变化情况，可以实现温度无关的液位测量。另外，在以上两个实施例中，光纤2是从导气管4中穿出的。导气管4为耐腐蚀材料制成的，在将气体腔5连通大气的同时对光纤2起到保护作用。

Claims (10)

1、一种光纤光栅液位传感器，其包括：壳体(1)、片状弹性元件(7)和一段带有至少一个光栅的光纤(2)；其特征在于：

所述片状弹性元件(7)的边缘部分固定在所述壳体(1)上，所述壳体内腔被所述片状弹性元件(7)隔离成为气体腔(5)；

所述光纤(2)具有第一固定区域(3)，所述第一固定区域(3)固定于所述壳体(1)上或通过第一光纤固定部件(10)固定于所述壳体(1)上；

所述光纤(2)具有第二固定区域(9)，所述第二固定区域(9)固定于所述片状弹性元件(7)上或通过第二光纤固定部件(8)固定于所述片状弹性元件(7)上；

所述光纤(2)的第一固定区域(3)与第二固定区域(9)之间部分的轴线与所述片状弹性元件(7)所在平面垂直，且该部分光纤上带有至少一个传感光栅(6)。

2、根据权利要求1所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述光纤(2)的第一固定区域(3)与第二固定区域(9)之间部分设有两个传感光栅(6、14)。

3、根据权利要求1所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述光纤(2)的第一固定区域(3)与第二固定区域(9)之间部分设有一个传感光栅(6)，所述光纤的第一固定区域(3)与第二固定区域(9)之间部分以外的区域中设有一个参考光栅(13)。

4、根据权利要求1所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述光纤(2)具有第三固定区域(15)，所述第三固定区域(15)固定于所述壳体(1)上或通过第三光纤固定部件(17)固定于所述壳体(1)上，所述光纤(2)的第二固定区域(9)与第三固定区域(15)之间部分的轴线与所述光纤(2)的第一固定区域(3)与第二固定区域(9)之间部分的轴线在同一条直线上，所述第三固定区域(15)与所述第一固定区域(3)分别位于所述第二固定区域(9)的两侧，所述光纤(2)的第一固定区域(3)与第二固区域(9)之间部分设有第一传感光栅(6)，所述光纤(2)的第二固定区域(9)与第三固定区域(15)之间部分设有第二传感光栅(16)。

5、根据权利要求1或4所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述片状弹性元件(7)外侧设有一液体腔，所述液体腔内充满导压介质(11)，所述液体腔上有一隔离膜片(12)，所述隔离膜片(12)将所述液体腔与外界隔离开。

6、根据权利要求1或4所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述光纤(2)的第一固定区域(3)与第二固定区域(9)之间部分位于所述气体腔(5)内。

7、根据权利要求4所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述光纤(2)的第二固定区域(9)与第三固定区域(15)之间部分位于所述气体腔(5)内。

8、根据权利要求5所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述光纤(2)的第一固定区域(3)与第二固定区域(9)之间部分位于所述液体腔内。

9、根据权利要求5所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述光纤(2)的第二固定区域(9)与第三固定区域(15)之间部分位于所述液体腔内。

10、根据权利要求1所述的光纤光栅液位传感器，其特征在于：所述气体腔(5)设有与大气相通的导气管(4)。

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