一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器及液位测量方法技术

本发明专利技术公开了一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器及测量方法，包括：双仓金属结构架，双仓金属结构架内部设有间隔壁，间隔壁将双仓金属结构架分成压力仓和温度仓；压力仓远离间隔壁的一端设有金属膜片，压力仓内设有压力光纤光栅，温度仓内设有温度补偿光纤光栅；压力光纤光栅的一端连接金属膜片，另一端经过预拉伸穿过间隔壁与温度补偿光纤光栅一端熔接；温度补偿光纤光栅另一端穿过双仓金属结构架与信号采集装置连接。本发明专利技术有益效果：温度光栅处于适度自由状态仅对环境的温度敏感，温度光栅与应力光栅处于同一温度场中起到液位补偿的作用，有效的提高测量精度。

【技术实现步骤摘要】
一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器及液位测量方法
本专利技术属于光纤传感器制备
，涉及光纤光栅的封装尤其是带温度补偿的补偿型光栅封装方式和相对应的液位测量方法。
技术介绍
光纤光栅由于体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、易于组网复用等特点，在传感器领域越来越受重视。在水深测量领域，光纤光栅压力传感器具有广泛的应用前景，但由于裸光栅的压力系数仅为3pm/MPa,如此低的压力系数不能满足实际应用中的常规测量要求。另一方面，光纤光栅对应变和温度同时敏感，在传感过程中容易引起交叉敏感问题。因此，为了达到压力测量的目标，需对光纤光栅进行压力增敏，同时还要进行温度补偿。传统的压力传感器尽管结构各异，一般均采用双光栅形式，但并没有有效解决温度的交叉敏感问题，这是由于传感器处于一个温度实时变化的环境中，温度补偿光栅对温度的响应速度小于压力敏感光栅，导致无法获得准确的实时水位信息。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中传统光纤光栅压力传感器无法实时精确测量液位深度的缺点，本专利技术公开了一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器及液位测量方法，首先选择线性响应水压变化的弹性膜片，使粘接在膜片上的压力光栅的波长变化能线性响应水压变化。然后压力光栅与温度光栅处于相同的温度场中，保证两个光栅对温度同一响应。并且采用一致的环氧树脂胶封装，消除因不同材料导致温度膨胀系数的不同对光栅的影响。测量时先通过对压力光栅初始波长的标定和温度光栅初始温度波长的标定，计算时从读取的波长数据中消除温度变化对压力光栅波长的影响，通过波长与水压的换算从而准确得到液位深度的信息。有效解决传统光纤光栅压力传感器不能实时精确测量液位深度的缺点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，包括：双仓金属结构架，所述双仓金属结构架内部设有间隔壁，所述间隔壁将双仓金属结构架分成压力仓和温度仓；所述压力仓远离间隔壁的一端设有金属膜片，所述压力仓内设有压力光纤光栅，所述温度仓内设有温度补偿光纤光栅；所述压力光纤光栅的一端连接金属膜片，另一端经过预拉伸穿过间隔壁与温度补偿光纤光栅一端熔接；所述温度补偿光纤光栅另一端穿过双仓金属结构架与信号采集装置连接。进一步地，所述金属膜片通过激光焊接与双仓金属结构架紧密固定形成周边夹紧结构，所述金属膜片中央与金属毛细管焊接形成中央硬心，所述压力光纤光栅的一端固定在所述中央硬心上。进一步地，所述压力光纤光栅和温度补偿光纤光栅剥除涂覆层后通过光纤熔接在一起。进一步地，所述间隔壁上设有第一开槽毛细管，所述压力光纤光栅通过第一开槽毛细管与双仓金属结构架连接。进一步地，所述温度补偿光纤光栅通过第二开槽毛细管与双仓金属结构架连接。进一步地，还包括：外筒，所述外筒与双仓金属结构架通过螺纹槽衔接；外筒与双仓金属结构架之间设置O型密封圈。本专利技术公开了一种光纤光栅液位监测系统，包括：权利上述的任一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器、波长解调仪和上位机解调系统；所述液位传感器、波长解调仪和上位机解调系统依次连接。本专利技术公开了一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器的液位测量方法，包括：(1)在放入水中之前对液位传感器进行标定，得到压力光纤光栅的初始波长数据和温度补偿光纤光栅的波长数据；(2)将液位传感器放入水中静置设定时间，再次读取温度补偿光纤光栅的波长作为初始温度补偿光纤光栅波长的标定；(3)根据上述得到的波长数据，按以下公式进行计算：H＝((λ-λ0)-(λT-λT0)*KT)/K；其中，λ0为液位传感器放入水中之前，压力光纤光栅的初始波长数据；λ和λT分别为液位传感器放入水中之后，压力光纤光栅和温度补偿光纤光栅获得的实时波长数据；λT0为液位传感器放入水中之后，温度补偿光纤光栅稳定后读取的波长数据；KT是为了消除光栅温度交叉敏感影响的补偿因子，K为水压灵敏度系数；H为液位深度。本专利技术有益效果：1.金属平膜片对水压线性响应，并且将压强的变化线性转化为应力光栅波长的变化；2.温度光栅处于适度自由状态仅对环境的温度敏感，温度光栅与应力光栅处于同一温度场中起到液位补偿的作用，有效的提高测量精度；3.液位计内金属结构架与外筒通过螺纹槽衔接，内金属架与外筒间放置O型密封圈，具有良好的防水密封性能；4.从光栅一端引出的裸纤通过松套管和金属开槽毛细管的保护，并再由铠装作为外保护层固定，提升液位计整体的机械性能，易适用于复杂的施工环境。5.上位机解调系统对液位传感器的初始波长和水下的初始温度进行标定，计算中消除了温度的交叉敏感问题，使获得的液位信息实时准确。附图说明图1为光纤光栅液位监测系统结构示意图；图2为内部结构架上双光栅的封装结构示意图；图3(a)为光栅与铠装缆连接所用夹具的夹片结构示意图；图3(b)为光栅与铠装缆连接所用夹具的基座结构示意图；图4是装配完成后液位计的整体结构示意图；其中，1金属膜片、2金属毛细管、3压力光纤光栅、4温度补偿光纤光栅、5第一开槽毛细管、6第二开槽毛细管、7双仓金属结构架、8夹具、9热固化胶、10铜筛、11标准格兰接头、12铠装缆、13O型密封圈、14外筒。具体实施方式下面结合附图与具体实施方式对本专利技术作进一步的说明。本专利技术公开了一套完整光纤光栅液位计的液位监测系统，如图1所示，包括：波长解调仪(内含激光器)、光纤光栅液位传感器和上位机解调系统。波长解调仪为传感器提供光源和采集传感器获得的液位信号。上位机解调系统通过对采集的数据进行计算，还原出液位信息并予以显示。光纤光栅传感器部分作为整个监测系统的关键，首先选择挠度较小的金属平膜片直接感受水压的变化，在金属膜片1中央小硬心部分将压力光纤光栅3与膜片永久固定，使水压变化等比例传导于压力光纤光栅3。而温度补偿光纤光栅4并不受压力传导的影响，并且与压力光纤光栅3处于同一温度场中，实现对压力光纤光栅3中因温度敏感产生应变的消除。本专利技术提出了一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，如图2所示，包括：双仓金属结构架7，双仓金属结构架7内部设有间隔壁，间隔壁将双仓金属结构架7分成压力仓和温度仓；压力仓远离间隔壁的一端设有金属膜片1，压力仓内设有压力光纤光栅3，温度仓内设有温度补偿光纤光栅4；压力光纤光栅3的一端连接金属膜片1，另一端经过预拉伸穿过间隔壁与温度补偿光纤光栅4一端熔接；温度补偿光纤光栅4另一端穿过双仓金属结构架7与信号采集装置连接。金属膜片1通过激光焊接与双仓金属结构架7紧密固定形成周边夹紧结构，膜片中央与金属毛细管2焊接形成中央硬心；压力光纤光栅3和温度补偿光纤光栅4剥除涂覆层后通过光纤熔接在一起并分别穿过第一开槽毛细管5、第二开槽毛细管6，通过填胶粘接相连；第一开槽毛细管5和第二开槽毛细管6在双仓金属结构架7开槽位置处通过填充热固化胶9使液位计整个内部结构构成一个整体；夹具8和铠装缆12将光栅尾纤保护并固定在双仓金属结构架7上；夹具8结构如图3(a)和图3(b)所示。外筒14和双仓金属结构架7通过螺纹槽衔接，内嵌防水密封圈；通过标准格兰接头11将铠装缆12与外筒14紧密连接，并具有防水密封性。本专利技术中通过金属毛细管2与金属膜片1相连的压力光纤光栅3定义为应力光栅，它通过预拉伸后在第二开槽毛细管6位置处与金属结构架连接；温度补偿光纤光栅4定义为温补光栅，它本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，包括：双仓金属结构架，所述双仓金属结构架内部设有间隔壁，所述间隔壁将双仓金属结构架分成压力仓和温度仓；所述压力仓远离间隔壁的一端设有金属膜片，所述压力仓内设有压力光纤光栅，所述温度仓内设有温度补偿光纤光栅；所述压力光纤光栅的一端连接金属膜片，另一端经过预拉伸穿过间隔壁与温度补偿光纤光栅一端熔接；所述温度补偿光纤光栅另一端穿过双仓金属结构架与信号采集装置连接。

【技术特征摘要】
1.一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，包括：双仓金属结构架，所述双仓金属结构架内部设有间隔壁，所述间隔壁将双仓金属结构架分成压力仓和温度仓；所述压力仓远离间隔壁的一端设有金属膜片，所述压力仓内设有压力光纤光栅，所述温度仓内设有温度补偿光纤光栅；所述压力光纤光栅的一端连接金属膜片，另一端经过预拉伸穿过间隔壁与温度补偿光纤光栅一端熔接；所述温度补偿光纤光栅另一端穿过双仓金属结构架与信号采集装置连接。2.如权利要求1所述的一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，所述金属膜片通过激光焊接与双仓金属结构架紧密固定形成周边夹紧结构，所述金属膜片中央与金属毛细管焊接形成中央硬心，所述压力光纤光栅的一端固定在所述中央硬心上。3.如权利要求1所述的一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，所述压力光纤光栅和温度补偿光纤光栅剥除涂覆层后通过光纤熔接在一起。4.如权利要求1所述的一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，所述间隔壁上设有第一开槽毛细管，所述压力光纤光栅通过第一开槽毛细管与双仓金属结构架连接。5.如权利要求1所述的一种改进型双光纤光栅封装的液位传感器，其特征在于，所述温度补偿光纤光栅通过第二开槽毛细管与双仓金属结构架...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔洪亮，张洪，罗政纯，王阳阳，于淼，王忠民，李亚，崔鸿奎，
申请(专利权)人：珠海任驰光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44