CN2784889Y - 光纤法布里－泊罗腔液位传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种光纤法布里－泊罗腔液位传感器。包括有外壳(1)、保护盖(2)、外应变片(3)、重油(4)、应变片(5)、玻璃腔(6)、导油管(7)、自聚焦透镜(9)、光纤(10)，其中玻璃容器(6)置于外壳(1)中部所设的腔体内，应变片(5)置于玻璃容器(6)的顶部，外应变片(3)置于外壳(1)上部所设的腔体内，重油(4)通过导油管(7)通入外应变片(3)与应变片(5)之间的腔体内，保护盖(2)盖在外应变片(3)的上面，玻璃容器(6)的底部外侧依次设有自聚焦透镜(9)及光纤(10)，且应变片(5)的底部设有凸台(51)或自聚焦透镜(9)及光纤(10)伸出应变片(5)与玻璃容器(6)底部之间的腔体内。本实用新型不需考虑温度对传感头的影响，从而极大简化了***的补偿与校正问题，其设计巧妙，安全性好，适用性好。

Description

光纤法布里-泊罗腔液位传感器

1、技术领域：

本实用新型是一种光纤法布里-泊罗腔液位传感器，属于光纤法布里-泊罗腔液位传感器创新技术。

2、背景技术：

在日常生活及工业生产中，在石油化工行业，大型油罐及易燃、易爆液体储罐的液位检测中过去一直采用人工的方法用机械式或电学原理传感器检测，传统上的电学原理液位传感器，有电阻型、电容型、超声波、磁致伸缩、电极式、热学方法、放射线方法等等。电学原理液位传感器有精度和可靠性等诸多不足，但是最致命的缺陷是不能用于易燃易爆等危险环境。光纤传感器基本原理是根据外界待测参数对光纤中光参数如强度、波长、频率、相位、偏振态的作用来获得被测参数的信息，其安全性好，适合于在这些场合应用。但是，无论是电学原理液位传感器还是光纤传感器，温度变化产生的影响都是不可忽略的，往往在检测后还要进行复杂的补偿与事后校正，这些方法不仅检测可靠性差，同时有潜在的危险性。

3、发明内容：

本实用新型的目的在于克服上述缺点而提供一种不需考虑温度对传感头的影响，从而极大简化了***的补偿与校正问题的光纤法布里-泊罗腔液位传感器。本实用新型设计巧妙，使用的安全性好，适用性好。

本实用新型的结构示意图如图1所示，包括有外壳(1)、保护盖(2)、外应变片(3)、重油(4)、应变片(5)、玻璃腔(6)、导油管(7)、自聚焦透镜(9)、光纤(10)，其中玻璃容器(6)置于外壳(1)中部所设的腔体内，应变片(5)置于玻璃容器(6)的顶部，外应变片(3)置于外壳(1)上部所设的腔体内，重油(4)通过导油管(7)通入外应变片(3)与应变片(5)之间的腔体内，保护盖(2)盖在外应变片(3)的上面，玻璃容器(6)的底部外侧依次设有自聚焦透镜(9)及光纤(10)，且应变片(5)的底部设有凸台(51)。

上述凸台(51)的凸起高度和其材料的热膨胀系数与玻璃容器(6)的腔深度及热膨胀系数匹配组合。

上述应变片(5)与玻璃容器(6)底部之间的腔体设有与与外界大气相通的导气管(8)。

本实用新型的另一种结构如图2所示，包括有外壳(1)、保护盖(2)、外应变片(3)、重油(4)、应变片(5)、玻璃腔(6)、导油管(7)、自聚焦透镜(9)、光纤(10)，其中玻璃容器(6)置于外壳(1)中部所设的腔体内，应变片(5)置于玻璃容器(6)的顶部，外应变片(3)置于外壳(1)上部所设的腔体内，重油(4)通过导油管(7)通入外应变片(3)与应变片(5)之间的腔体内，保护盖(2)盖在外应变片(3)的上面，玻璃容器(6)的底部外侧依次设有自聚焦透镜(9)及光纤(10)，且应变片(5)的底面为平面，自聚焦透镜(9)及光纤(10)伸出应变片(5)与玻璃容器(6)底部之间的腔体内。

上述自聚焦透镜(9)及光纤(10)的伸出长度及材料的热膨胀系数与玻璃容器(6)的腔深度及热膨胀系数匹配组合。

本实用新型由于巧妙地设计了应变片的结构，故不需考虑温度对传感头的影响，从而极大简化了***的补偿与校正问题。本实用新型是一种设计巧妙，使用的安全性好，适用性好的光纤法布里-泊罗腔液位传感器。

4、附图说明：

图1为本实用新型实施例1的结构示意图；

图2为本实用新型实施例1温度补偿计算原理图；

图3为本实用新型实施例2的结构示意图。

5、具体实施方式：

实施例1：

本实用新型的结构示意图如图1所示，包括有外壳(1)、保护盖(2)、外应变片(3)、重油(4)、应变片(5)、玻璃腔(6)、导油管(7)、自聚焦透镜(9)、光纤(10)，其中玻璃容器(6)置于外壳(1)中部所设的腔体内，应变片(5)置于玻璃容器(6)的顶部，外应变片(3)置于外壳(1)上部所设的腔体内，重油(4)通过导油管(7)通入外应变片(3)与应变片(5)之间的腔体内，保护盖(2)盖在外应变片(3)的上面，玻璃容器(6)的底部外侧依次设有自聚焦透镜(9)及光纤(10)，且应变片(5)的底部设有凸台(51)。

上述凸台(51)的凸起高度和其材料的热膨胀系数与玻璃容器(6)的腔深度及热膨胀系数匹配组合。

上述应变片(5)与玻璃容器(6)底部之间的腔体设有与与外界大气相通的导气管(8)。

本实用新型的温度补偿计算示意图如图2所示，根据材料的热性质，对于长度为l、热膨胀系数为α的材料，当温度变化ΔT时材料线度变化为Δl＝α·ΔT·l。

在应变片(5)腔面内侧的中心形成一相当于光纤端面大小(直径约100μm)的凸起台阶，台阶的高度参考应变片(5)与外壳(1)材料的热膨胀系数确定，并且使带台阶的部分要能够具有足够的刚度。

设制作时的温度为t₀，外壳(1)的凹腔深度为l₀₁，材料的热膨胀系数为α₁，应变片(5)的凸台高度为l₀₂，热膨胀系数为α₂，于是F-P腔的实际长度为：

                    d₀＝l₀₁-l₀₂

假设温度变化ΔT后为温度t，那么外壳(1)的凹腔深度为：

                    l_t1＝l₀₁+α₁ΔTl₀₁

凸台高变为：

                    l_t2＝l₀₂+α₂ΔTl₀₂

于是温度t时候的F-P腔长度为

                    d_t＝l_t1-l_t2

                      ＝d₀+(α₁l₀₁-α₂l₀₂)ΔT

                      ＝d₀+cΔT

选择合适的材料热膨胀系数以及初始长度，使

                    c＝α₁l₀₁-α₂l₀₂＝0

那么，

                    d_t＝d₀

这样F-P腔长就不会随温度变化。这里要求温度变化范围ΔT不非常大(一般能满足)，以使得材料的热膨胀系数在基本不变的温度范围。

这个做法的前提是外壳(1)的热膨胀系数要小于应变片(5)的热膨胀系数，但又不能过小，以避免二者封装之后的热失配过大。使用与硅匹配的材料Invar合金做外壳(1)，根据Invar合金的热膨胀系数1.8×10^-6/℃和硅的热膨胀系数2.3×10^-6/℃数值以及上面的配置关系式，可以把外壳(1)深度l₀₁设置为46μm，凸台高度l₀₂设置为36μm，这样就可以补偿腔长度的构成量——支撑长度的温度影响。

这时弹性片的挠度公式相应地应调整为：

$w_0=\frac{3P{R_0}^4(1-v^2)}{16E{h}^3}[1-{\left(\frac{r_0}{R_0}\right)}^4-4{\left(\frac{r_0}{R_0}\right)}^2\ln \frac{R_0}{r_0}]$

上式r₀是凸台的半径。这里在整个凸台面上具有一致的挠度，但与原来平面弹性片的中心挠度相比有所减小，其因子A(r₀)是

$A\left(r_0\right)=1-{\left(\frac{r_0}{R_0}\right)}^4-4{\left(\frac{r_0}{R_0}\right)}^2\ln \frac{R_0}{r_0}$

这种补偿方法不仅可以补偿腔长度的构成量——支撑长度的温度影响，而且重要的是还有如下两个好处：

1.化原先弹性片弯曲时的曲面为平面，一方面使得F-P腔的两个面是完全平面，更符合F-P腔要求，另一方面降低了光纤与应变片(5)同轴度的要求，使得工艺上更容易实现F-P腔的快速封装；

2.有利于在凸台上镀光学膜，因为这种情况下的光学膜不会发生挠曲，而光学膜对于改善反射率、提高反差、降低探测电路指标要求等有着非常重要的作用。

实施例2：

本实用新型的结构示意图如图3所示，包括有外壳(1)、保护盖(2)、外应变片(3)、重油(4)、应变片(5)、玻璃腔(6)、导油管(7)、自聚焦透镜(9)、光纤(10)，其中玻璃容器(6)置于外壳(1)中部所设的腔体内，应变片(5)置于玻璃容器(6)的顶部，外应变片(3)置于外壳(1)上部所设的腔体内，重油(4)通过导油管(7)通入外应变片(3)与应变片(5)之间的腔体内，保护盖(2)盖在外应变片(3)的上面，玻璃容器(6)的底部外侧依次设有自聚焦透镜(9)及光纤(10)，且应变片(5)的底面为平面，自聚焦透镜(9)及光纤(10)伸出应变片(5)与玻璃容器(6)底部之间的腔体内。

上述自聚焦透镜(9)及光纤(10)的伸出长度及材料的热膨胀系数与玻璃容器(6)的腔深度及热膨胀系数匹配组合。

本实用新型的温度补偿原理与实施例1相似。

Claims (5)

1、一种光纤法布里-泊罗腔液位传感器，包括有外壳(1)、保护盖(2)、外应变片(3)、重油(4)、应变片(5)、玻璃腔(6)、导油管(7)、自聚焦透镜(9)、光纤(10)，其中玻璃容器(6)置于外壳(1)中部所设的腔体内，应变片(5)置于玻璃容器(6)的顶部，外应变片(3)置于外壳(1)上部所设的腔体内，重油(4)通过导油管(7)通入外应变片(3)与应变片(5)之间的腔体内，保护盖(2)盖在外应变片(3)的上面，玻璃容器(6)的底部外侧依次设有自聚焦透镜(9)及光纤(10)，其特征在于应变片(5)的底部设有凸台(51)。

2、根据权利要求1所述的光纤法布里-泊罗腔液位传感器，其特征在于上述凸台(51)的凸起高度和其材料的热膨胀系数与玻璃容器(6)的腔深度及热膨胀系数匹配组合。

3、根据权利要求2所述的光纤法布里-泊罗腔液位传感器，其特征在于上述应变片(5)与玻璃容器(6)底部之间的腔体设有与与外界大气相通的导气管(8)。

4、一种光纤法布里-泊罗腔液位传感器，包括有外壳(1)、保护盖(2)、外应变片(3)、重油(4)、应变片(5)、玻璃腔(6)、导油管(7)、自聚焦透镜(9)、光纤(10)，其中玻璃容器(6)置于外壳(1)中部所设的腔体内，应变片(5)置于玻璃容器(6)的顶部，外应变片(3)置于外壳(1)上部所设的腔体内，重油(4)通过导油管(7)通入外应变片(3)与应变片(5)之间的腔体内，保护盖(2)盖在外应变片(3)的上面，玻璃容器(6)的底部外侧依次设有自聚焦透镜(9)及光纤(10)，其特征在于应变片(5)的底面为平面，自聚焦透镜(9)及光纤(10)伸出应变片(5)与玻璃容器(6)底部之间的腔体内。

5、根据权利要求2所述的光纤法布里-泊罗腔液位传感器，其特征在于上述自聚焦透镜(9)及光纤(10)的伸出长度及材料的热膨胀系数与玻璃容器(6)的腔深度及热膨胀系数匹配组合。

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