一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器及其使用方法技术

本发明专利技术涉及一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器及其使用方法，属于光电子测量技术领域。本发明专利技术包括空心浮力塑料杆、位置固定环套、杠杆、杠杆支撑杆、固定底座、传压杆、光纤Bragg光栅、等强度悬臂梁、导出光纤、悬臂梁支撑杆、传力弹簧、容器壁；其中固定底座放置于容器底部，位置固定环套、杠杆支撑杆和悬臂梁支撑杆焊接在固定底座上，空心浮力塑料杆放置于位置固定环套中，空心浮力塑料杆的顶部连接传力弹簧，传力弹簧的另一端连接杠杆的左端，杠杆支撑杆与杠杆支点相连，杠杆支点的右部通过传压杆与等强度悬臂梁相连，光纤Bragg光栅粘贴在等强度悬臂梁上下两壁。本发明专利技术实现了对被测液位的实时在线监测。

【技术实现步骤摘要】
一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器及其使用方法
本专利技术涉及一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器及其使用方法，属于光电子测量

技术介绍
储油罐是储存油品的重要设备，储油罐液位的精确计量对生产厂库存管理及经济运行影响很大。但国内许多反应罐、大型储油罐的液位计量仍采用人工检测的方法，这样易引发安全事故，无法为生产操作和管理决策提供准确的依据。以往的诸多电测型传感器容易导致测量系统产生静电，甚至在强电场下发生电离作用，引起放电而形成电火花，并且在信号放大过程中容易受到环境噪声和电磁干扰等因素的影响,因此不利于推广到储油气罐的液位检测中。光纤传感器有抗电磁干扰、本质安全、动态范围宽、灵敏度高、便于组网、可实现分布式测量等优点，为实现储油气罐液位的实时在线检测提供了可行的途径。
技术实现思路
本专利技术提供了一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器及其使用方法，以用于解决对储油罐液位实时在线检测的问题。本专利技术的技术方案是：一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器，包括空心浮力塑料杆1、位置固定环套2、杠杆3、杠杆支撑杆4、固定底座5、传压杆6、光纤Bragg光栅7、等强度悬臂梁8、导出光纤9、悬臂梁支撑杆10、传力弹簧11、容器壁13；其中固定底座5放置于容器底部，位置固定环套2、杠杆支撑杆4和悬臂梁支撑杆10焊接在固定底座上5，空心浮力塑料杆1放置于位置固定环套中2，空心浮力塑料杆1的顶部连接传力弹簧11，传力弹簧11的另一端连接杠杆3的左端，杠杆支撑杆4与杠杆3支点相连，杠杆3支点的右部通过传压杆6与等强度悬臂梁8相连，光纤Bragg光栅7粘贴在等强度悬臂梁8上下两壁，等强度悬臂梁8右端固定于悬臂梁支撑杆10上，光纤Bragg光栅的导出光纤9通过容器口引出并与外接光缆相连接。还包括平衡螺母12；其中杠杆3的最右端攻螺纹，平衡螺母12套在螺纹上。一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：A、当容器中加入液体后，空心浮力塑料杆1所受到的液体浮力通过传力弹簧11加载到杠杆3的左端；杠杆3把浮力转化为对等强度悬臂梁8移动端的压力，带动粘贴在等强度悬臂梁8上下两壁的光纤Bragg光栅7拉伸和压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在等强度悬臂梁8上下两壁的光纤Bragg光栅7的中心波长差值；B、根据粘贴在等强度悬臂梁8上下两壁的光纤Bragg光栅7的中心波长差值与液位高度H的关系式计算出被测容器的液位高度；式中：l为等强度悬臂梁8的工作长度，h为等强度悬臂梁8的厚度，B为等强度悬臂梁8固定端的宽度，E为等强度悬臂梁8的弹性模量，为光纤Bragg光栅7的应变敏感系数，为光纤Bragg光栅7的中心波长，为容器内被测液体的密度，g为重力系数，s为空心浮力塑料杆1的横截面积，n为杠杆3左右两边与支点间距离的倍率比。所述杠杆3左右两边与支点间距离的倍率比n的变化范围为1到4。本专利技术的工作原理是：在初始状态时，平衡螺母12使杠杆3左右两边重力平衡，容器中加入液体后，空心浮力塑料杆1所受到的液体浮力通过传力弹簧11加载到杠杆3的左端，杠杆3把浮力转化为对等强度悬臂梁8移动端的压力，带动粘贴在等强度悬臂梁8上下两壁的光纤Bragg光栅7拉伸和压缩（上壁的光纤Bragg光栅拉伸，下壁的光纤Bragg光栅压缩）将被测容器液位高度检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，光纤Bragg光栅7的差动式粘贴有助于抵消环境温度的影响，光纤Bragg光栅的导出光纤9通过容器口引出并与外接光缆相连接，构成差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器。本专利技术的数学模型分析如下：空心浮力塑料杆1所受到的液体浮力G，浮力方程是：（1）式中，为容器内被测液体的密度，g为重力系数，s为空心浮力塑料杆1的横截面积，H为容器的液位高度。杠杆3左右两边的力平衡方程是：F=G·n（2）式中，F为杠杆3右端加载到等强度悬臂梁8移动端的压力，n为杠杆3左右两边与支点间距离的倍率比。把（1）式带入（2）式得:（3）等强度悬臂梁8各点的应变为：（4）式中，l为等强度悬臂梁8的工作长度，h为等强度悬臂梁8的厚度，B为等强度悬臂梁8固定端的宽度，E为等强度悬臂梁8的弹性模量。把（3）式带入（4）式得:（5）当等强度悬臂梁8受压力F的作用弯曲时，上表面受到的是拉伸应变，而下表面受到的是压缩应变-，若两只光栅处于同样的温度场中，则应变信号可表示为：（6）式中，为上表面受到拉伸应变后光纤Bragg光栅7的反射波长，为下表面受到的是压缩应变后光纤Bragg光栅7的反射波长，为光纤Bragg光栅7的应变敏感系数，为光纤Bragg光栅7的中心波长。该方案属于机械补偿并不要求额外的温度检测，其中的关键是两根光纤Bragg光栅应采用同一型号的光敏光纤制成。粘贴在等强度悬臂梁8上下两壁的光纤Bragg光栅7中心波长差值为：（7）把（6）、（7）式带入（5）式得：（8）式（8）表明了被测容器液位高度H与光纤Bragg光栅波长移位之间的数学模型，通过测量光纤Bragg光栅波长移位就可以计算出被测容器液位高度。本专利技术的有益效果是：1、杠杆把浮力转化为对等强度悬臂梁移动端的压力，将被测容器液位高度检测转化为对光纤Bragg光栅波长的调制，光纤Bragg光栅波长移位与被测容器液位高度具有线性关系。2、调整杠杆左右两边与支点间距离的倍率比可改变传感器的测量灵敏度。3、此渗压传感器本身不带任何电信号，可适用于易燃易爆等高危环境中的液位检测。4、通过采用光纤Bragg光栅，具有较强的抗电磁干扰能力和耐腐蚀能力。5、结构简单，便于操作。附图说明图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术中等强度悬臂梁的局部俯视示意图；图3为本专利技术中等强度悬臂梁的局部侧视示意图；图中各标号：1为空心浮力塑料杆、2为位置固定环套、3为杠杆、4为杠杆支撑杆、5为固定底座、6为传压杆、7为光纤Bragg光栅、8为等强度悬臂梁、9为导出光纤、10为悬臂梁支撑杆、11为传力弹簧、12为平衡螺母、13为容器壁。具体实施方式实施例1：如图1-3所示，一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器，包括空心浮力塑料杆1、位置固定环套2、杠杆3、杠杆支撑杆4、固定底座5、传压杆6、光纤Bragg光栅7、等强度悬臂梁8、导出光纤9、悬臂梁支撑杆10、传力弹簧11、容器壁13；其中固定底座5放置于容器底部，位置固定环套2、杠杆支撑杆4和悬臂梁支撑杆10焊接在固定底座上5，空心浮力塑料杆1放置于位置固定环套中2，空心浮力塑料杆1的顶部连接传力弹簧11，传力弹簧11的另一端连接杠杆3的左端，杠杆支撑杆4与杠杆3支点相连，杠杆3支点的右部通过传压杆6与等强度悬臂梁8相连，光纤Bragg光栅7粘贴在等强度悬臂梁8上下两壁，等强度悬臂梁8右端固定于悬臂梁支撑杆10上，光纤Bragg光栅的导出光纤9通过容器口引出并与外接光缆相连接。一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器的使用方法，所述方法的具体步骤如下：A、当容器中加入液体后，空心浮力塑料杆1所受到的液体浮力通过传力弹簧11加载到杠杆3的左端；杠杆3把浮力转化为对等强度悬臂梁8移动端的压力，带动粘贴在等强度悬臂梁8上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器，其特征在于：包括空心浮力塑料杆（1）、位置固定环套（2）、杠杆（3）、杠杆支撑杆（4）、固定底座（5）、传压杆（6）、光纤Bragg光栅（7）、等强度悬臂梁（8）、导出光纤（9）、悬臂梁支撑杆（10）、传力弹簧（11）、容器壁（13）；其中固定底座（5）放置于容器底部，位置固定环套（2）、杠杆支撑杆（4）和悬臂梁支撑杆（10）焊接在固定底座上（5），空心浮力塑料杆（1）放置于位置固定环套中（2），空心浮力塑料杆（1）的顶部连接传力弹簧（11），传力弹簧（11）的另一端连接杠杆（3）的左端，杠杆支撑杆（4）与杠杆（3）支点相连，杠杆（3）支点的右部通过传压杆（6）与等强度悬臂梁（8）相连，光纤Bragg光栅（7）粘贴在等强度悬臂梁（8）上下两壁，等强度悬臂梁（8）右端固定于悬臂梁支撑杆（10）上，光纤Bragg光栅的导出光纤（9）通过容器口引出并与外接光缆相连接。

【技术特征摘要】
1.一种差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器的使用方法，其特征在于：所述方法的具体步骤如下：A、当容器中加入液体后，空心浮力塑料杆(1)所受到的液体浮力通过传力弹簧(11)加载到杠杆(3)的左端；杠杆(3)把浮力转化为对等强度悬臂梁(8)移动端的压力，带动粘贴在等强度悬臂梁(8)上下两壁的光纤Bragg光栅(7)拉伸和压缩，从而根据光纤Bragg光栅解调仪分析得到粘贴在等强度悬臂梁(8)上下两壁的光纤Bragg光栅(7)的中心波长差值ΔλB；B、根据粘贴在等强度悬臂梁(8)上下两壁的光纤Bragg光栅(7)的中心波长差值ΔλB与液位高度H的关系式计算出被测容器的液位高度；式中：l为等强度悬臂梁(8)的工作长度，h为等强度悬臂梁(8)的厚度，B为等强度悬臂梁(8)固定端的宽度，E为等强度悬臂梁(8)的弹性模量，Sε为光纤Bragg光栅(7)的应变敏感系数，λB为光纤Bragg光栅(7)的中心波长，ρ为容器内被测液体的密度，g为重力系数，s为空心浮力塑料杆(1)的横截面积，n为杠杆(3)左右两边与支点间距离的倍率比；所述差动式杠杆结构光纤Bragg光栅液位传感器，包括空心浮力塑料杆(1)、位置固定环套(2)、杠杆(...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢涛，李川，李英娜，赵振纲，欧阳鑫，刘爱莲，吴文兵，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：