一种声光耦合的光纤液位传感器系统技术方案

本发明专利技术公开了一种光纤液位传感器，其特征在于，伸入待测液体内部的光纤作为测量本体；在光纤一端设计了将光波与声波同时耦合进入光纤的结构；光纤的另一端为自由端悬垂在待测液体中；光纤表面覆盖有与待测液体不相亲的涂覆层。本发明专利技术的有益效果是：超小尺寸；大量程连续测量；非金属、不导电特性；耐腐蚀性；耐高低温特性和低成本。该传感器在检测极端环境下的液位，例如液氢、液氧、液氦、核反应堆水位、以及导电液体时，较常规液位传感器有极大的优势。

Acousto optic coupling optical fiber liquid level sensor system

The invention discloses an optical fiber liquid level sensor, which is characterized in that the measured liquid into the internal fiber as measured in the fiber end body; design of light and sound and coupled into the fiber structure; the other end of the optical fiber is a free end hangs in the liquid to be measured; fiber surface is covered with a coating liquid is not blind the test to be. The invention has the advantages of ultra small size, continuous measurement in a large number range, non metallic, non conductive characteristics, corrosion resistance, high and low temperature resistance, and low cost. The liquid level sensor in the detection of extreme environments, such as liquid hydrogen, liquid oxygen, liquid helium, nuclear reactors, and a conductive liquid level, has great advantages compared with the conventional liquid level sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种声光耦合的光纤液位传感器系统
本专利技术属于光纤传感技术，材料科学，光电子技术以及声波导技术的交叉领域，涉及到器件封装和光电检测技术，具体为一种采用声光耦合的方式实现大量程液位测量的光纤液位传感器系统。
技术介绍
液位传感器是用来检测液体高度的测量仪器，在液体生产、存储、转移和使用过程中被普遍使用，特别对于极低温、高温、强腐蚀性、剧毒、易挥发和可燃等这几类高危液体，对液位的传感监控几乎是必不可少的，准确的液位监测，有助于安全生产，并在有泄漏风险时及时报警。在液位传感器中，普遍使用光纤液位传感器进行特殊的液体环境中的液位测量，例如采用光纤布拉格光栅(FBG)实现液位测量。光纤液位传感器相较传统的机械、电学传感器具有明显的优势，诸如，其具有耐极低温和相对高温特性，通常，光纤材料主要成分采用二氧化硅制成，由于二氧化硅耐温性，所以传统光纤液位传感器可测低至液氦温度，高至800度的宽温度范围，远远超出传统机械、电学传感器的使用温度范围；其次，其具有高强的耐腐蚀性，一般情况下，除氢氟酸等强酸外，一般强酸或强碱溶液基本都无法腐蚀光纤。另外，光纤液位传感器还具有非导电性，因此光纤液位传感器还可用于导电液体的测量。光纤传感器用于液位测量的基本原理是，利用光纤测量手段测量液位的变化，然后将液位信息按照一定的规律转化成电、光、压力、或其它信息的信号并输出，从而实现以满足信息的传输、处理、存储和反馈控制等要求的液位测量。现有技术中，与光纤相关的液位传感器（也称为光纤液位传感器）包括四大类。第一类，机械式光纤液位传感器，其中，光纤仅简单作为直径小、重量轻、耐高低温、耐腐蚀的“刻度线”使用。光纤一端连接在浮体结构（液位传感器主体）上，另一端连接机械伸缩机构。随着液面浮体结构的位置变化，将导致光纤的长度发生变化。通过记录光纤的物理长度，即可实现液位测量。第二类，光栅式光纤液位传感器，其中，光纤本身作为传感器探头的单点液位传感器，其类似于液位开关，一般使用光纤光栅（如专利文献CN101194160A所记载）、光纤法布里玻罗干涉腔或者表面刻有微结构的光纤来探测液位，当液位到达不同的光栅或微结构位置时，会导致光学特性发生改变，从而以此来测量液位的变化。第三类，传输式光纤液位传感器，该方案中，光纤仅作为光信号的载体使用，通过在光纤端面安装或加工微结构探头，例如压力、折射率变化或温度探头等，利用这些探头探测液位的变化，并将探测到的液位信息转换为光信号，经光纤传导进入信号解调系统，从而实现液位测量（诸如专利文献CN103918288A所记载）。第四类，分布式光纤液位传感器，其特征在于，在光纤上高密度连续加工光纤光栅或分布式光纤振动传感器（例如专利文献WO2015/128680A1所记载），在使用光纤光栅方案中，光栅在液面内外感应不同物理状态，通过检索光栅光谱解调光纤光栅找跳跃点来确认液位。该方案中，光纤光栅的位置是固定的，对光纤光栅的分布密度（或光栅间距）依赖程度较大，是一种准分布式的测量方案。然而，现有技术中尚不存在一种真正意义上的能够对液位进行全分布式测量的光纤液位传感器解决方案，换言之，还不存在这样的一种仅使用一根光纤，即可完成加注液位和剩余液位的测量的光纤液位传感器解决方案。在现有技术中，为了解决该问题，通常需要使用两种不同的液位传感器来解决。另外，现有技术中也极少提供在极端环境下使用的普适解决方案，可测液氢，液氧，液氦，导电液体以及高温核反应堆水位等。同时，现有技术中也不存在引入声光光纤耦合方式的光纤液位传感器。查阅全球专利文献以及权威期刊均无相关报道。原理上讲，超声波（当压电换能器加上高频电压时,压电换能器的振动会在媒质中产生超声波）在透明媒质中传播时,媒质折射率发生空间周期性变化,使通过媒质的光线发生改变的现象,称为声光效应。当声波频率增高,且光束宽度比声波波长大得多时,这种折射率的周期性变化起着光栅的作用,使入射光束发生声光衍射,光束通过声场后,出射光束的一侧出现较强的一级衍射光,称为声光布喇格衍射。当超声波穿过固体媒质时,媒质分子电偶极矩发生变化,从而使媒质的折射率发生周期性变化,形成折射率光栅（即超声光栅)。本专利技术正是提出一种基于声光光纤耦合方式的光纤液位传感器，即真正意义上的能够对液位进行全分布式测量的光纤液位传感器解决方案，是一种在极端环境下使用的普适解决方案。
技术实现思路
鉴于上述技术问题，本专利技术目的在于提供一种能够在极端环境下使用的大量程的光纤液位传感器系统，该系统能够对液位进行全分布式测量，仅使用一根光纤，即可完成加注液位和剩余液位的测量，可测液氢，液氧，液氦，导电液体以及高温核反应堆水位等。具体的，本专利技术解决该技术问题采用以下的技术方案：一种声光耦合的光纤液位传感器系统，其特征在于，包括伸入待测液体内部的光纤、设置于光纤一端用于将光波与声波同时耦合进入光纤的耦合结构、覆盖于光纤表面的与待测液体不相亲的涂覆层、以及声光信号解调系统，其中，光纤的另一端为自由端，悬垂在待测液体中。根据本专利技术上述的声光耦合的光纤液位传感器系统，其特征在于，声波与光波均从光纤的一端耦合进入系统，光纤的另一端为自由端悬垂在液体中。根据本专利技术上述的声光耦合的光纤液位传感器系统，其特征在于，在声波耦合进入所述光纤的连接处，在所述光纤外部设置有声波耦合套管。该声波耦合套管与所述光纤间使用可固化胶粘接或采用激光熔接连接，从而固定其相对位置。该声波耦合套管外形被设计或打磨成特定形状，优选为适配光纤并适于安装压电陶瓷的形状，从而有益于提高声波耦合效率。根据本专利技术上述的声光耦合的光纤液位传感器系统，其特征在于，所述声学耦合套管外再安装一片或多片压电陶瓷片。优选使用两片相对安装的压电陶瓷，可实现各种声波耦合进入光纤的模式。所述声波耦合套管外安装的一块或多块压电陶瓷片作为声波发生器件产生声波。根据本专利技术，为避免光纤外悬挂的液滴对液位的影响，光纤外表面优选覆盖与待测液体不相亲的涂覆层。根据本专利技术，还包括声光信号解调系统，用于对耦合进入光纤的声波、光波信号进行解调。所述声光信号解调系统主要由该光环行器和波长调节系统组成。当声学光栅在光纤中向前传播光线时，与宽谱光源传播的光线耦合，并且仅反射特定波长的光波，该波长满足光栅布拉格衍射条件。该特定波长的反射光，经过光环形器进入波长解调系统中进行解调。当声波形成的长周期光栅传播至液气界面时，声波传播速度发生改变，进而引起长周期声学光栅的栅距发生变化，由此在光学特性上表现为反射光波长发生突变，这一现象将被持续监测的波长解调系统捕获，通过计算起始声波发生与波长突变的时间间隔，从而即可换算出液面高度。根据本专利技术，在某些特殊情况下，例如储液罐有横向加速度或液体呈现强烈振动时，为保证光纤处在液体中的相对稳定位置，可以在光纤自由悬垂端加载重物，或者将其与储液罐底部连接。换言之，所述光纤自由悬浮端加载重物，或者与待测液体的储液罐底部连接，以避免所述光纤在具有横向加速度或者外界强扰动的情况下侧向移动。如上所述，根据本专利技术提供的光纤液位传感器系统，是基于声光耦合的原理，使用压电陶瓷把声波耦合进入光纤，并在光纤中形成一个沿光纤传播的声学光栅。其中，声学光栅的生产是基于超声造成的固体折射率变化。由于光纤本体又是一个声学波导，选择本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤液位传感器系统，其特征在于，包括伸入待测液体内部的光纤、设置于光纤一端用于将光波与声波同时耦合进入光纤的耦合结构、以及覆盖于光纤表面的与待测液体不相亲的涂覆层。

【技术特征摘要】
1.一种光纤液位传感器系统，其特征在于，包括伸入待测液体内部的光纤、设置于光纤一端用于将光波与声波同时耦合进入光纤的耦合结构、以及覆盖于光纤表面的与待测液体不相亲的涂覆层。2.如权利要求1所述的光纤液位传感器系统，其特征在于，还包括声光信号解调系统，用于对耦合进入光纤的声波、光波信号进行解调。3.如权利要求1所述的光纤液位传感器系统，其特征在于，声波与光波均从光纤的一端耦合进入系统，光纤的另一端为自由端悬垂在液体中。4.如权利要求1所述的光纤液位传感器系统，其特征在于，在声波耦合进入所述光纤的连接处，在所述光纤外部设置有声波耦合套管，该声波耦合套管与...

【专利技术属性】
技术研发人员：田志鹏，
申请(专利权)人：田志鹏，
类型：发明
国别省市：广西,45