[发明专利]温度自补偿式光纤液位传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感器技术类，更具体地说，它涉及一种能自动抑制环境温度干扰的光纤液位传感器。

背景技术

液位传感器在工业和日常生活中有着重要而广泛的用途。在化工生产中，它可以用来计测反应釜的液位平面和化学储罐内的液体平面；在冶金工业中，可以用来计测铸造生产过程中的钢包液位；在电力工业中，可以用来检测油浸式变压器中导热油的液位；在日常生活中则可用来检测大量的汽油、柴油和天然气储罐中的危险液体高度等。在上述液位测量场合中，现场恶劣的工作环境(腐蚀、高温、电磁干扰和易燃)对传感器的正常使用具有很大的干扰，往往导致检测误差。

现有的光纤液位传感器如文献“基于非本征Fabry-Perot腔高精度光纤液位传感器研究”(吕涛，刘德森，刘志麟.《光子学报》，2007，36(4)，pp.690～693.)报道的光纤液位传感器，该传感器是基于Fabry-Perot腔制作的，在实际运用中，易受环境温度和光源强度变化的影响，造成传感器可操作性和连续性差，因此，必须采取相应补偿措施以满足传感器的高准确度和长期稳定性的要求。

发明内容

本发明针对采用Fabry-Perot腔制作的光纤液位传感器所存在的易受温度和光源光强变化影响而导致的传感性能下降问题，将微细加工技术和光纤传感技术相结合，提供一种具有新型结构的温度自补偿式光纤液位传感器的设计，能有效消除外界温度和光源强度变化的干扰，提高了光纤液位传感器的性能，为解决在易燃、易爆、腐蚀、高温和电磁干扰等危险、恶劣环境下的液位可靠监测提供了一条切实可行的途径。

为解决上述问题，本发明提出的温度自补偿式光纤液位传感器包括：缓冲圆柱体、传感圆柱体、温度补偿圆柱体和光纤；按照缓冲圆柱体、传感圆柱体、温度补偿圆柱体的次序顺次粘接构成传感器；在缓冲圆柱体的上表面加工有均布于表面的4个缓冲孔，缓冲圆柱体的下表面加工有一个缓冲腔，缓冲孔贯通缓冲腔；在传感圆柱体的下表面和上表面分别加工有一个上、下圆柱形腔，上下圆柱形腔之间构成一层弹性膜，厚度为100um，半径为500um；压力传感光纤穿过温度补偿圆柱体后与传感圆柱体的下圆柱形腔构成一个光学谐振腔，深度为18um，当压力传感光纤中的传输光进入谐振腔后，在谐振腔的上下表面发生反射，上表面的反射光通过透射再次进入压力传感光纤后，与下表面的反射光汇聚成一束，进入信号接收单元；温度补偿圆柱体上表面加工有均布的4个圆柱形腔体，4根温度传感光纤穿过温度补偿圆柱体与4个圆柱形腔体构成4个光学谐振腔，谐振腔的深度为18um，当温度传感光纤中的传输光进入谐振腔后，在谐振腔的上下表面发生反射，上表面的反射光通过透射再次进入温度传感光纤后，与下表面的反射光汇聚成一束，进入信号接收和处理单元。

所述缓冲圆柱体能够对传感圆柱体的弹性膜起到保护作用，防止外部硬物对弹性膜的损伤和检测液体对弹性膜的剧烈冲击。

所述缓冲圆柱体的缓冲孔的上半部为圆柱形，下半部为圆台形，液体通过该缓冲孔流入缓冲腔，防止待测液体对传感圆柱体弹性膜的剧烈冲击。

所述的压力传感光纤和温度传感光纤均为单模光纤，在光纤中传输的为单模光。所述的缓冲圆柱体、传感圆柱体和温度补偿圆柱体的制作材料均为单晶硅，便于采用微机电系统技术进行加工。

所述的温度补偿圆柱体设有有下圆柱形腔排气孔和圆柱形腔体排气孔，下圆柱形腔排气孔与外界大气和传感圆柱体的下圆柱形腔连通，圆柱形腔体排气孔有4个，均布在温度补偿圆柱体上表面，且与外界大气和温度补偿圆柱体的圆柱形腔体连通。

本发明的工作原理如下：

把所述的温度自补偿式光纤液位传感器安装在与储罐连通的管道上，储罐中储存的液体通过缓冲圆柱体的缓冲孔缓慢流入缓冲腔，当缓冲腔中的液体压力作用在传感圆柱体的弹性膜上，光学谐振腔的深度会发生变化，由谐振腔上下表面反射汇聚进入传感光纤的光束光强I_s可由下式表达：