一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器制造技术

本发明专利技术涉及液位检测技术领域，具体一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器。该传感器通过将光纤光栅进行螺旋排列缠绕在碳纤维加热管的测量区域，通过液体和气体对外界热源的热量吸收速率差异的测量，实现对液体液位高度的连续精确检测。本发明专利技术传感器满足对易燃易爆的危险液体，以及低温介质液体的液位检测；同时相较于现有直线型分布的光纤光栅阵列，去除了测量阵列中光纤光栅之间的间隔的影响，消除测量盲区，实现在液位高度上的连续精确测量，通过螺旋分布减少了光纤光栅的纵向长度，进一步提高了测量精度。了测量精度。了测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器


[0001]本专利技术涉及光纤传感技术、液位检测
，尤其涉及一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器。

技术介绍

[0002]在当今工业生产领域，对储存液体的液位测量需求一直广泛存在。其需求具体表现在要求液位传感器的测量对象广、测量精度尽可能高、在面对易燃易爆类的液体测量时能够保证安全且精确地进行检测，能够具有良好的实用性和可靠性。光纤传感器可以对温度、压力等物理量有良好的响应度，且可以用于高温高压、腐蚀、电气噪声的恶劣测量环境。因此将光纤传感器应用于液位测量领域是具有重大意义的。
[0003]光纤液位传感器根据测量原理可以分为三类：基于光纤内法布里－珀罗干涉结构(FPI)、基于光纤内马赫
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曾德尔干涉结构(MZI)、光纤光栅结构。相较于其他两种结构，光纤光栅结构具有抗电磁干扰、抗腐蚀、电绝缘、高灵敏度和低成本以及和普通光纤的良好的兼容性等优点，可以应对液位检测环境对光纤的要求。在检测的响应上，由于光纤光栅的谐振波长对温度的变化敏感，在单根光纤上易于复用，因此光纤光栅结构对于温度检测具有良好的响应度。
[0004]近些年在液位检测领域上的光纤光栅技术不断涌现，2014年11月在专利号为CN104154968A的专利中公布了一种基于细芯倾斜光纤光栅的液位传感器，2018年8月在专利号为CN108398163A的专利中公布了一种液体流速及液位同采的光纤光栅传感器。可以看出应用在液位检测的光纤光栅结构依然存在值得改进的空间，液位检测的需求仍然广泛存在于工业的各个领域，其具体表现在经常需要对工业液体原料和成品的液体量有精确的反映。考虑到液位检测的过程是在工业领域下完成的，这样测量的环境要求较高，需要在确保安全的前提下测量结构尽可能做到简单、具有自参考纠错能力。光纤液位传感器具有无源、自参考的特性，非常适合应用于工业液位检测。
[0005]在专利号为200320017647.x的中国专利中，光纤光栅的测量工作原理是依托液体对于传感器的压力变化，通过对光栅的受拉或者受压来监测光纤光栅的反射波长变化获取液位的变化。但是对于温度补偿只是从光纤光栅的自身出发，而没有考虑传感器金属结构在温度变化的前提下产生的形变量，降低了整个传感器系统的测量精度和线性度。在专利号为CN111678615A的专利中，光纤光栅的阵列分布选择直线分布，这样做当液位位于两个光栅之间的间隔或是一个光栅之上时，很难仅通过光纤阵列的波长变化来对液体的液位进行进一步的确认，会导致其测量精度相对较低。

技术实现思路

[0006]针对上述存在的问题或不足，为了解决现有光纤光栅液位传感器对于测量物理量选取和测量精度提升需求的问题，本专利技术提供一种螺旋排列的光纤光栅传感器，在能够适用于易燃易爆的危险测量环境的前提下减小外界其他物理量影响并提高测量的精度。
[0007]一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器，由直流电源、脉冲加热控制器、碳纤维加热管、光纤光栅和信号解调仪所构成。
[0008]所述直流电源作为碳纤维加热管的激励源，通过导线与脉冲加热控制器相连，以确保对碳纤维加热管能够形成周期性的电流脉冲激励。
[0009]所述光纤光栅是光纤布拉格光栅以螺旋缠绕的方式环绕设置在碳纤维加热管的外部，其一端与信号解调仪连接在一起，未与信号解调仪连接的另一端选取第一个布拉格光栅，并确保该布拉格光栅与目标容器的底部相接触。同时碳纤维加热管被光纤光栅缠绕的部分要高于目标容器的可盛放液体的液面高度，以确保量程能够满足液位测量的要求，即碳纤维加热管轴向的测量长度区域均被光纤光栅分布。
[0010]具体的光纤光栅在碳纤维加热管上的缠绕方式为：以未与解调仪连接的一端选取第一个布拉格光栅开始沿碳纤维加热管的轴向缠绕；光纤光栅的各间隔部分保持横向与碳纤维加热管的端面平行绕置分布，且光纤光栅的间隔部分长度相同不超过碳纤维加热管的外径；各布拉格光栅部分的长度相同实现碳纤维加热管的轴向缠绕分布，其缠绕角度即间隔部分所在平面与布拉格光栅部分所在平面构成的角度相同，并低于90度，直至缠绕过的碳纤维加热管长度高于量程。
[0011]所述碳纤维加热管作为加热源，以其端面与待测液面平行的方式置于待测液体的容器中，在接收到脉冲加热控制器发出的周期性电流脉冲信号后，会对其周围的空气介质和液体介质传递周期性的热量；碳纤维加热管同时对以螺旋缠绕其外部的光纤光栅进行周期性的加热。碳纤维加热管的特点是电热转换效率高、需要直流电源提供的电压较低，可以有效避免漏电对于易燃易爆的液体产生危险。整个光纤光栅横跨两种介质，由于空气介质和待测的液体介质对于相同时间内碳纤维加热管散发的相同热量的吸收速率不同，导致光纤光栅接收到的温度信号存在差异，信号解调器针对这种差异进行测量和解调。
[0012]所述信号解调仪连接光纤光栅，信号解调仪的宽带光源对光纤光栅输出光信号，并且信号解调仪对光纤光栅反射回的传感信号采集，通过对采集的反射信号进行解调和处理，得出不同介质的吸热速率，以实现对液气分界面的位置进行精准定位。
[0013]进一步的，所述光纤光栅的间隔部分长度为碳纤维加热管端面的圆周长度的一半，以确保光纤光栅的栅区部分和光栅间隔部分分别置于碳纤维加热管圆柱体的两侧。
[0014]进一步的，所述布拉格光栅部分的缠绕角度为45度。
[0015]相比现有技术，本专利技术利于光纤光栅的几何适应性，将其进行特定的布置(缠绕在碳纤维加热管的测量区域)，采用了与直线排列的光纤布拉格光栅温度传感阵列不同的排布方式。通过对光纤光栅阵列的螺旋排列，将光纤光栅的间隔部分对液位测量精度的影响消除，提升了测量的精度；同时光纤光栅中的布拉格光栅部分成角度缠绕分布于碳纤维加热管外部，光纤光栅在参考纵向(碳纤维加热管的轴向)的长度也得到了减少，当液位处于其中一个光栅时，由于光栅的纵向长度的减少，测量的精度范围也同时得到缩小，从而对测量的精度有很大提高。
[0016]其次，本专利技术对于加热元件的选取采用了碳纤维加热管。碳纤维加热管相较于传统的金属加热线，有着更好的电热转换效率，缩短加热时间以提高检测的实时性。同时碳纤维加热管可以避免漏电和电磁干扰造成的危害，提高了易燃易爆液体作为探测对象可能存在的安全隐患。现阶段光纤布拉格光栅阵列的制备工艺成熟，能够达到螺旋阵列所需要的
光栅长度和光栅间隔长度需求。光栅制备工艺的成熟也使得整个传感器系统对于温度的变化稳定度更高，接收的信号强度更高。而在对信号的解调上，可以采用简单的可调谐F
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P滤波器来进行对接收进来的光纤光栅信号的解调，以降低整个系统的成本。
[0017]综上所述，本专利技术不仅在工作的环境要求上满足了其应能够适用于对易燃易爆液体中能安全稳定工作的需求，更是在原有的直线排布的光纤布拉格光栅阵列基础上从两方面提高了探测的精度。该传感器可以作为实际生产工作中面对易燃易爆液体测量液位高度的需求的一种可靠精确方案。
附图说明
[0018]图1为本专利技术的光纤光栅的直线结构示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种螺旋排列的光纤光栅液位传感器，由直流电源、脉冲加热控制器、碳纤维加热管、光纤光栅和信号解调仪所构成，其特征在于：所述直流电源作为碳纤维加热管的激励源，通过导线与脉冲加热控制器相连，以确保对碳纤维加热管能够形成周期性的电流脉冲激励；所述光纤光栅是光纤布拉格光栅以螺旋缠绕的方式环绕设置在碳纤维加热管的外部，其一端与信号解调仪连接在一起，未与信号解调仪连接的另一端选取第一个布拉格光栅，并确保该布拉格光栅与目标容器的底部相接触；同时碳纤维加热管被光纤光栅缠绕的部分要高于目标容器的可盛放液体的液面高度，即碳纤维加热管轴向的测量长度区域均被光纤光栅分布；所述碳纤维加热管作为加热源，以其端面与待测液面平行的方式置于待测液体的容器中，在接收到脉冲加热控制器发出的周期性电流脉冲信号后，对其周围的空气介质和液体介质传递周期性的热量；碳纤维加热管同时对以螺旋缠绕其外部的光纤光栅进行周期性的加热；所述信号解调仪连接光纤光栅，其中的宽带光源对光纤光栅输出光信号，并对光纤光栅反射回的传感信号...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙懿，吴宇，王琳，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：