[发明专利]使用塑料光纤的非接触式飞行时间燃料水平传感器

说明书

本发明涉及使用塑料光纤的非接触式飞行时间燃料水平传感器。燃料感测系统利用非接触式塑料光纤(POF)以光学地感测燃料罐中的液体燃料的水平。在一个实现中，燃料水平感测系统包括以下元件：(i)高速和高功率红色激光二极管；(ii)超高灵敏度光子计数雪崩光电二极管；和(iii)大直径和大数值孔径的渐变折射率POF。当雪崩光电二极管首先检测到由POF端面反射的入射光，然后响应于由红色激光二极管发射的激光脉冲而检测到由燃料表面反射的入射光时，燃料水平被感测。时间延迟检测电路计算分隔相应到达时间的时间间隔。燃料水平计算器基于由时间延迟检测电路提供的时间间隔来计算燃料水平。

技术领域

本公开总体上涉及用于测量诸如存储罐或其它容器的存储罐中的液体的水平的系统和方法。更具体地，本公开涉及用于使用光学传感器进行液体水平测量的系统和方法。

背景技术

在许多商业和军事应用中需要连续测量液体的水平。例如，液体水平传感器通常用于飞行器、汽车和卡车的燃料罐中。液体水平传感器还用于监测用于燃料分配、废水处理、化学品存储、食品加工等的存储罐内的液体水平。

一种现有的解决方案是使用放置在飞机的燃料罐内的电容探针。这种解决方案是笨重且昂贵的，因为电容探针是金属的并且通过金属安装结构支撑在燃料罐内。此外，电容探针需要电流经过燃料罐，这是需要使用高度屏蔽的电缆来馈通燃料罐的特征，从而增加了飞机的重量。

另一种解决方案是使用光学电容探针，其中由燃料水平变化引起的电容信号由玻璃光纤(GOF)传输穿过燃料罐。激光用于远程地为罐内的太阳能电池供电，该太阳能电池继而向电容感测元件和光学发送器供电。因此，光学电容探针具有在燃料罐内产生的电流，在燃料罐内需要高度屏蔽的线缆和太阳能电池的外壳以及光学发送器，这增加了重量。另外，在燃料罐位置使用GOF由于GOF破损而具有维护问题，并且导致飞机的燃料罐位置的劳动密集型修理。

根据通常的基于塑料光纤的燃料水平传感器设计，塑料光纤感测元件(以下称为“POF传感器”)浸入在燃料罐中。浸入式POF传感器具有由于与飞机燃料发生化学反应而导致POF传感器长期劣化的问题。另外，当POF传感器浸入飞机燃料中时，沉积在POF传感器上的燃料泥状物质使POF传感器的光学传输特性劣化，使得光学燃料水平测量不可重复且不精确。

在使用塑料光纤以光学地感测燃料罐中的液体燃料的水平的系统和方法中存在改进的空间。

发明内容

本文公开的主题部分地涉及一种塑料光纤燃料水平传感器，该塑料光纤燃料水平传感器能够使用自由空间光学飞行时间原理在不接触燃料罐中的燃料的情况下执行高分辨率飞机燃料水平感测。由于POF传感器不浸入燃料罐中的燃料中，因此非接触式POF传感器既不会由于沉积在POF传感器上的“泥状物质”的影响而容易劣化，也不会受到由于燃料质量变化而引起的燃料折射率变化的影响。本文提出的非接触式POF传感器还消除了感测元件由于与燃料发生化学反应而长期劣化的影响。下面更详细地公开的非接触式POF传感器使得燃料水平测量高度精确、可重复并且安全。