[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明的技术方案是：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。 

本发明的工作原理是：

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。

本发明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：