光纤液位传感器及其制造方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201911264259.6 (22)申请日 2019.12.11 (71)申请人 湘潭大学 地址 411105 湖南省湘潭市雨湖区羊牯塘 街道湘潭大学 申请人 东南大学 南京梦联桥传感科技有限公司 山东航天电子技术研究所 南京梦联桥材料科技有限公司 (72)发明人 杨才千唐人杰杨国玉刘莲 杨宁范丽李帅张旭辉许福 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 王美章 (51)Int.Cl. G01F 23/00(2006.01) (54)发明名称 一种。

2、光纤液位传感器及其制造方法 (57)摘要 本发明公开了一种光纤液位传感器及其制 造方法， 传感器包括:外壳， 外壳内一端固定设有 固定基座； 一悬臂杆， 悬臂杆一端与所述固定基 座铰接， 悬臂杆的自由端在外壳内沿水平方向悬 空设置； 一沉管， 呈竖向设置， 沉管顶部与传力杆 一端连接， 传力杆另一端穿过所述外壳底部后延 伸至外壳内部并通过万向铰座与所述悬臂杆的 底部连接； 悬臂杆的自由端与所述壳体之间设有 光纤测力机构， 所述光纤测力机构包括： 光纤， 光 纤上位于外壳内的部分串联有两个增敏FBG段， 分别是第一增敏FBG段和第二增敏FBG段， 其中， 所述第一增敏FBG段在悬臂杆的自由端和外。

3、壳之 间呈竖向布置， 用于检测力的变化； 所述第二增 敏FBG段设置在光纤上与所述悬臂杆固定连接的 部分， 用于温度补偿。 权利要求书2页 说明书10页 附图4页 CN 110849436 A 2020.02.28 CN 110849436 A 1.一种光纤液位传感器， 其特征在于,包括: 外壳， 外壳内一端固定设有固定基座； 一悬臂杆， 悬臂杆一端与所述固定基座铰接， 悬臂杆的自由端在外壳内沿水平方向悬 空设置； 一沉管， 呈竖向设置， 沉管顶部与传力杆一端连接， 传力杆另一端穿过所述外壳底部后 延伸至外壳内部并通过万向铰座与所述悬臂杆的底部连接； 悬臂杆的自由端与所述壳体之间设有光纤测力机。

4、构， 所述光纤测力机构包括： 光纤， 光纤的一端伸出所述外壳后与导出光纤连接， 导出光纤连接解调仪； 光纤上位于外壳内的部分串联有两个增敏FBG段， 分别是第一增敏FBG段和第二增敏 FBG段， 其中， 所述第一增敏FBG段在悬臂杆的自由端和外壳之间呈竖向布置， 用于检测力的 变化； 所述第一增敏FBG段的上端通过第一管式封装件封装， 第一管式封装件与外壳之间固 定连接； 所述第一增敏FBG段的下端通过第二管式封装件封装， 第二管式封装件与所述悬臂杆 的自由端固定连接； 保护套管， 套接在光纤上所述第一增敏FBG段的外部， 保护套管的直径大于管式封装件 的直径， 保护套管上端与所述第一管式封装。

5、件之间固定连接， 并且， 连接后， 第一管式封装 件的上端伸出保护套管的上端， 第二管式封装件的下端伸出保护套管的下端， 伸出部分粘 结垫片， 用于将管式封装件固定； 所述第二增敏FBG段设置在光纤上与所述悬臂杆固定连接的部分， 用于温度补偿。 2.根据权利要求1所述的光纤液位传感器， 其特征在于,所述第一管式封装件和第二管 式封装件上、 下对称布置， 所述光纤位于管式封装件的中心。 3.根据权利要求1所述的光纤液位传感器， 其特征在于,所述第一管式封装件和第二管 式封装件结构相同， 并且， 均设有用于对所述光纤定位用的条形凹槽， 所述条形凹槽开到管 式封装件的中心， 光纤定位后通过胶粘剂与管。

6、式封装件相固定。 4.根据权利要求3所述的光纤液位传感器， 其特征在于,还包括弹簧管套， 套接于所述 保护套外部， 用于使悬臂杆的自由端在控制范围内摆动； 弹簧套管的上端通过上弹簧固定 座与外壳固定连接， 弹簧套管的下端通过下弹簧固定座与悬臂杆的自由端固定连接。 5.一种基于权利要求14中任一所述光纤液位传感器的工作方法， 其特征在于,包括 以下步骤： A.当容器中液体液位变化时， 沉管所受浮力随之改变， 传力杆把变化的力传到悬臂杆 上， 带动悬臂杆转动， 引起光纤上第一增敏FBG段轴向应变， 根据解调仪分析得到第一增敏 FBG段的中心波长漂移量 和第二增敏FBG段的中心波长漂移量 2； B 。

7、.根据第二增敏FBG段的中心波长漂移量2与温度变化量T之间的关系式 计算出温度变化量T； 式中，为第二增敏FBG段的初始中心波长； 为光纤材料的热膨胀系数； 权利要求书 1/2 页 2 CN 110849436 A 2 为热光系数； C.根据第一增敏FBG段的中心波长漂移量 与液位变化量h及温度变化量T之间 的关系式计算出被测液体的液位高度； 式中， 液为被测液体密度； g为重力系数； A为沉管底面积； a为传力杆与悬臂杆铰接点距悬臂杆与固定基座铰接点之间的距离； B为第一增敏FBG初始中心波长； Pe为有效弹光系数； K为弹簧管套与第一增敏FBG的等效弹性系数； l为第一增敏FBG的轴线距悬。

8、臂杆与固定基座铰接点之间的距离； lF为第一增敏FBG的标距。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110849436 A 3 一种光纤液位传感器及其制造方法 技术领域 0001 本发明涉及一种光纤液位传感器及其制造方法， 属于光电子测量领域。 背景技术 0002 随着我国航空航天技术的飞速发展， 航天器频繁发射， 对航天器燃料储罐的液位 精确计量具有重大的意义。 同时， 作为未来发展的主要方向， 新型低温液体燃料如液氢、 液 氧等具有无毒无污染、 比冲高等特点， 成为载人航天器的首选。 但是， 这些低温液体燃料储 箱的损伤机理较为复杂。 为了保证低温液体燃料储箱的安全使用， 需要在制造、 运输。

9、以及使 用等各个环节对其温度、 燃料液位、 泄漏等状态进行监测， 其中液位监测是一项重要的监测 内容。 0003 目前使用的液位测量方法比较多， 主要包括电容法、 压差法、 浮筒法、 磁翻板法， 最 近研发的新方法主要有射频导纳法、 超声波法、 光纤法、 热式测量法及核辐射法等。 但是由 于光纤传感器为无源传感器， 且具有抗电磁干扰、 抗辐射、 抗腐蚀、 耐高低温、 不可燃， 以及 体积小、 重量轻、 柔韧性好等诸多优点， 并且光纤传感系统无火花， 更安全， 所以光纤法测量 液位是当前主流液位测量方法， 也受到了国内外诸多学者的关注研究， 方法不断在改进。 0004 如JDSiegwarth等。

10、人利用基于光纤的气界面传感器检测液氮和液氢的气界面； Fei Ye等人提出了一种用于超低温流体的液位传感系统， 该系统基于一系列铝涂层光纤布 拉格光栅， 这些光栅用高频衰减光纤(HAF)写入， 采用频移干涉测量法(FSI)进行询问； Alex A.Kazemi等人提出了基于基于光纤长周期光栅(LPG)和基于全内反射(TIR)两种液位传感 技术的光纤液位检测系统。 0005 上述方法由于原理机制的不同， 各有其优缺点， 或是精度不够， 或是适用性单一， 或是结构复杂等等。 发明内容 0006 本发明提供了一种光纤液位传感器及其制造方法， 基于光纤布拉格光栅传感技 术， 研发了一种适合液体燃料等多。

11、种液体液位的在线监测技术， 该方法的优点是适用范围 比较广， 测量的灵敏度高且可设计性强， 即使对于密度小的液氢也可以对其液位进行较为 准确的测量。 另外， 采用光纤传感， 抗电磁干扰和抗辐射能力强， 光纤传感器的体积与直径 小、 重量轻和柔性好， 便于密封， 并且光纤传感系统无火花， 安全性高， 适合于航天器燃料液 位监测。 0007 用于解决多种液体液位的实时在线监测问题。 0008 为了实现上述技术目的， 本发明采用的技术方案是： 0009 一种光纤液位传感器， 包括: 0010 外壳， 外壳内一端固定设有固定基座； 0011 一悬臂杆， 悬臂杆一端与所述固定基座铰接， 悬臂杆的自由端在。

12、外壳内沿水平方 向悬空设置； 说明书 1/10 页 4 CN 110849436 A 4 0012 一沉管， 呈竖向设置， 沉管顶部与传力杆一端连接， 传力杆另一端穿过所述外壳底 部后延伸至外壳内部并通过万向铰座与所述悬臂杆的底部连接； 0013 悬臂杆的自由端与所述壳体之间设有光纤测力机构， 所述光纤测力机构包括： 0014 光纤， 光纤的一端伸出所述外壳后与导出光纤连接， 导出光纤连接解调仪； 0015 光纤上位于外壳内的部分串联有两个增敏FBG段， 分别是第一增敏FBG段和第二增 敏FBG段， 其中， 所述第一增敏FBG段在悬臂杆的自由端和外壳之间呈竖向布置， 用于检测力 的变化； 00。

13、16 所述第一增敏FBG段的上端通过第一管式封装件封装， 第一管式封装件与外壳之 间固定连接； 0017 所述第一增敏FBG段的下端通过第二管式封装件封装， 第二管式封装件与所述悬 臂杆的自由端固定连接； 0018 保护套管， 套接在光纤上所述第一增敏FBG段的外部， 保护套管的直径大于管式封 装件的直径， 保护套管上端与所述第一管式封装件之间固定连接， 并且， 连接后， 第一管式 封装件的上端伸出保护套管的上端， 第二管式封装件的下端伸出保护套管的下端， 伸出部 分粘结垫片， 用于将管式封装件固定； 0019 所述第二增敏FBG段设置在光纤上与所述悬臂杆固定连接的部分， 用于温度补偿。 00。

14、20 所述第一管式封装件和第二管式封装件上、 下对称布置， 所述光纤位于管式封装 件的中心。 0021 所述第一管式封装件和第二管式封装件结构相同， 并且， 均设有用于对所述光纤 定位用的条形凹槽， 所述条形凹槽开到管式封装件的中心， 光纤定位后通过胶粘剂与管式 封装件相固定。 0022 还包括弹簧管套， 套接于所述保护套外部， 用于使悬臂杆的自由端在控制范围内 摆动； 弹簧套管的上端通过上弹簧固定座与外壳固定连接， 弹簧套管的下端通过下弹簧固 定座与悬臂杆的自由端固定连接。 0023 一种基于所述光纤液位传感器的工作方法， 包括以下步骤： 0024 A.容器中液体液位变化时， 沉管所受浮力随。

15、之改变， 传力杆把变化的力传到悬臂 杆上， 带动悬臂杆转动， 引起光纤上第一增敏FBG段轴向应变， 根据解调仪分析得到第一增 敏FBG段的中心波长漂移量 和第二增敏FBG段的中心波长漂移量 2； 0025 B.根据第二增敏FBG段的中心波长漂移量 2与温度变化量T之间的关系式 计算出温度变化量T； 0026式中， 为第二增敏FBG段的初始中心波长； 0027 为光纤材料的热膨胀系数； 0028 为热光系数； 0029 C.根据第一增敏FBG段的中心波长漂移量 与液位变化量h及温度变化量T 之间的关系式计算出被测液体的液位高度； 0030 式中， 液为被测液体密度； 说明书 2/10 页 5 C。

16、N 110849436 A 5 0031 g为重力系数； 0032 A为沉管底面积； 0033 a为传力杆与悬臂杆铰接点距悬臂杆与固定基座铰接点之间的距离； 0034 B为第一增敏FBG初始中心波长； 0035 Pe为有效弹光系数； 0036 K为弹簧管套与第一增敏FBG的等效弹性系数； 0037 l为第一增敏FBG的轴线距悬臂杆与固定基座铰接点之间的距离； 0038 lF为第一增敏FBG的标距。 0039 本发明一种光纤液位传感器的优异之处在于： 0040 第一.通过悬臂杆把浮力变化转变成光纤光栅的轴向应变， 将被测容器液位高度 检测转化成对光纤布拉格光栅波长的调制， 光纤布拉格光栅波长的漂。

17、移与液位高度变化之 间呈线性关系。 0041 第二.本发明避免了FBG栅区与悬臂梁的粘贴， 能够提高测量线性度和重复性， 并 可通过调节悬臂杆及沉管的参数调整灵敏度。 0042 第三.光纤光栅传感技术具有环境适应性能高、 长期可靠性强、 本质绝缘等优点， 特别适合于易燃、 易爆、 腐蚀环境下的液位检测。 0043 第四.本发明属于非本征光纤传感， 适用范围广， 可设计性强。 0044 第五.光纤传感器的体积与直径小、 重量轻和柔性好， 便于密封。 0045 第六.光纤传感系统无火花， 安全性高。 0046 第七.结构简单， 易于操作。 附图说明 0047 图1为本发明的结构示意图； 0048 。

18、其中： 1是外壳， 2是固定基座， 3是传力杆， 4是沉管， 5是悬臂杆， 6是第二增敏FBG 段， 7是弹簧管套， 8是第一增敏FBG段， 9是保护套管， 10是导出光纤， 11是万向铰， 13是垫片。 0049 图2为第一增敏FBG段管式封装示意图； 0050 其中： 8是第一增敏FBG段， 9是保护套管， 12是管式封装件。 0051 图3为第一增敏FBG段管式封装件侧视图。 0052 图4为传感器结构简化力学模型。 0053 其中， F1为沉管和传力杆的重力与浮力的合力； F2为第一增敏FBG段与弹簧管套的 拉力； a为传力杆与悬臂杆铰接点距悬臂杆与基座铰接点之间的距离； l为第一增敏。

19、FBG段的 轴线距悬臂杆与基座铰接点之间的距离； 0054 图5为万向铰结构示意图。 0055 图6为沉管与传力杆螺纹连接示意图。 0056 图7为本发明测量灵敏度与沉管底面直径的关系曲线。 0057 图8为液位传感器连接结构图。 0058 图9为液位传感器传感机制示意图。 0059 具体实施方法 0060 下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。 说明书 3/10 页 6 CN 110849436 A 6 0061 实施例1 0062 如图1所示， 一种光纤液位传感器， 包括悬臂杆、 固定基座、 传力杆、 沉管、 两个串联 的布拉格光栅、 弹簧管套、 保护套管、 。

20、导出光纤、 外壳、 万向铰、 管式封装件、 垫片。 固定基座 固定在外壳底部， 悬臂杆左端通过轴承铰接在基座上， 传力杆顶部用万向铰铰接在悬臂杆 上， 沉管顶部与传力杆底部螺纹连接。 0063 两个串联的光纤布拉格光栅分别为第一增敏FBG段和第二增敏FBG段。 0064 第一增敏FBG段用于检测力的变化， 第一增敏FBG段上临近壳体的一端通过第一管 式封装件封装， 第一管式封装件固定在外壳顶部， 第一增敏FBG段上临近悬臂杆的一端通过 第二管式封装件封装， 第二管式封装件固定在悬臂杆的自由端； 0065 第二增敏FBG段固定在悬臂杆上， 用于温度补偿。 0066 保护套筒， 套接在两个管式封装。

21、件外部， 用于保护光纤； 0067 此外， 还包括弹簧管套在保护套管外， 提供拉力拉住悬臂杆使其在控制范围内摆 动； 第一增敏FBG段上端连接导出光纤， 导出光纤连接解调仪， 解析中心波长变化。 0068 对于光纤光栅管式封装， 需要注意材料的选取。 对于用途的不同， 管式封装件材料 也有不同的选择， 一般需要选取强度高、 疲劳特性好、 弹性范围宽、 耐腐蚀、 耐低温性能好的 材料； 胶粘剂的选取必须适用于封装件与光纤的粘结， 同时需要有较好的耐久性。 封装时应 对光纤作一定抗滑移处理， 可剥去粘结段的涂覆层再注胶， 同时光纤光栅须准确平直的放 在封装件中心位置， 否则容易导致光纤光栅与力的方。

22、向有一定夹角， 从而不能准确反映真 实应变。 因此设计的封装件截面如图3所示， 有一个开到中心的凹槽， 将光纤平放至其中， 之 后再用胶粘剂粘结。 胶粘剂固化后， 将保护套管套在封装件外， 两端预留封装件一定的长 度， 如图2所示， 靠近外壳一侧的封装件需要与保护套管粘结在一起， 下端封装件自由。 须保 证封装件放置在保护套管中心， 且保护套管内径要大于封装件直径一些， 应留出足够空间， 避免下端封装件与保护套管内壁摩擦， 影响测量。 之后将封装件两端预留的位置与垫片粘 结在一起， 用于将第一增敏FBG段管式封装后固定在悬臂杆及外壳上部。 须保证管式封装件 粘结在垫片的中间。 0069 本发明。

23、的工作原理是： 0070 在初始状态时， 无论容器中液体液位处于何种位置， 此时第一增敏FBG段都有一个 初始中心波长。 当容器中液体液位出现变化后， 沉管所受浮力也随之改变， 从而传力杆传递 给悬臂杆的力也产生变化， 悬臂杆因而有一定摆动才能使力平衡， 因此第一增敏FBG段与弹 簧管套这一部分所受拉力发生改变， 第一增敏FBG段产生轴向应变， 第一增敏FBG段的中心 波长漂移。 通过导出光纤外接解调仪解析出第一增敏FBG段中心波长的变化， 即可将第一增 敏FBG段中心波长的变化转化成液位变化。 0071 本发明的数学模型分析如下所示： 0072 传感器结构的简化力学模型如图4所示， 将沉管和。

24、传力杆的重力与浮力的合力记 为F1， F1通过传力杆作用在悬臂杆上， 并通过悬臂杆带动第一增敏FBG段与弹簧管套轴向拉 伸， 第一增敏FBG段与弹簧管套的拉力记为F2。 F1、 F2时刻力矩平衡。 计算关系式为： 0073 F1aF2l (1) 0074 式中， a为传力杆与悬臂杆铰接点距悬臂杆与基座铰接点之间的距离， l为第一增 敏FBG段的轴线距悬臂杆与基座铰接点之间的距离。 说明书 4/10 页 7 CN 110849436 A 7 0075 由于对任意时刻F1变化的只有浮力， 且因F1浮力的变化才导致F2的变化， 即可得变 化关系式： 0076 F浮aF2l (2) 0077 把第一增。

25、敏FBG段与弹簧管套的那一部分看作一根弹簧， 取等效弹性系数为K， 即 可得： 0078 液gAahKllF (3) 0079 式中液为被测液体密度， g为重力系数， A为沉管底面积， h为液位变化量， lF为 第一增敏FBG段轴向伸长量。 然后需要将轴向伸长量与应变联系， 再将应变与波长漂移量联 系。 0080 可以知道第一增敏FBG段的应变为： 0081 0082 以下考虑波长与应变的关系： 0083 对光纤布拉格光栅， 其是一种带阻滤波功能的无源光子器件， 结构图如图5所示。 FBG可以改变光的传播方向， 当入射光通过光栅区域时， 满足布拉格反射条件的光波会被反 射回去， 其他波长的光将。

26、通过FBG， 这就形成了反射和透射两种光谱， 彼此互补。 布拉格反射 条件式为： 0084 B2neff (5) 0085 上式的微分形式为： 0086 0087 式中neff和分别为纤芯的有效折射率和栅格周期。 0088 当光纤光栅受到应力作用时， 光栅的栅格周期常数在应力的拉伸作用下将发生改 变； 同时， 在应力的作用下光纤光栅中发生的弹光效应将改变其折射率， 即： 0089 0090 0091 式中 为轴向应变， P11和P12是弹光系数， v为泊松比。 0092记称为有效弹光系数。 0093 把式(6)和式(7)及Pe代入式(5)， 可得应变作用的表达式： 0094 0095 当光纤光。

27、栅受到变化温度的影响时， 光纤光栅的栅格周期常数将在热涨效应的作 用下发生变化， 热光效应将改变光栅区域的折射率。 在一定温度变化范围， 它们变化与温度 变化成正比， 表达式为： 说明书 5/10 页 8 CN 110849436 A 8 0096 0097 0098 式中 为光纤材料的热膨胀系数， V为光纤的归一化频率。 0099记称为热光系数。 0100 把式(9)和式(10)及代入式(5)， 可得温度作用的表达式： 0101 0102 所以， 当光纤光栅同时受到应力和温度作用时， 第一增敏FBG段的波长漂移总量 为： 0103 0104 联立(4)、 (13)式并代入(3)式， 即可得：。

28、 0105 0106 使用时， 先观察第二增敏FBG段的中心波长漂移量， 代入式(11)算出温度变化量， 再将第一增敏FBG段波长变化及温度变化代入式(14)即可算出液位变化， 从而推断液位高 度。 0107 一种光纤液位传感器的使用方法， 所述方法的具体步骤如下： 0108 A.当容器中液体液位变化时， 沉管所受浮力随之改变， 传力杆把变化的力传到悬 臂杆上， 带动悬臂杆转动， 引起第一增敏FBG段轴向应变， 从而根据光纤布拉格光栅解调仪 分析得到第一增敏FBG段的中心波长变化量 ； 0109 B.根据第二增敏FBG段的中心波长漂移量 2与温度变化量T之间的关系式 计算出温度变化量T。 式中。

29、：为第二增敏FBG段初始中心波长， 为光纤 材料的热膨胀系数， 为热光系数； 0110 C.根据第一增敏FBG段的中心波长漂移量 与液位变化量h及温度变化量T 之间的关系式计算出被测液体的液位高度。 一般 来说， 温度变化不大， 在此例中， 假定温度不变， 忽略温度的影响， 则第一增敏FBG段的中心 波长漂移量 与液位变化量h之间的关系式为： 0111 0112 具体参数如下： 0113 1.悬臂杆位置参数： 传力杆与悬臂杆铰接点距悬臂杆与基座铰接点之间的距离a 说明书 6/10 页 9 CN 110849436 A 9 为100mm， 第一增敏FBG段的轴线距悬臂杆与基座铰接点之间的距离l为。

30、200mm； 0114 2.沉管采用直径分别为20mm、 40mm、 60mm、 80mm、 100mm的不锈钢管； 0115 3.被测液体参数： 取液氢密度 70.85Kg/m3， 重力系数g9.8； 0116 4.光纤布拉格光栅技术参数： 中心波长 B1550nm， 有效弹光系数Pe0.22,第一 增敏FBG段标距lF120mm； 0117 5.弹簧管套等效弹性系数K20N/mm。 0118 根据公式(9)， 第一增敏FBG段的中心波长漂移量 与被测容器液位的灵敏度为： 0119 0120 将各已知量代入上式， 理论计算得出， 用该液位传感器测量液氢的液位， 沉管底面 直径分别为20mm、。

31、 40mm、 60mm、 80mm、 100mm时， 灵敏度对应为0.5494pm/cm、 2.1977pm/cm、 4.9447pm/cm、 8.7906pm/cm、 13.7354pm/cm， 如图7所示。 当光纤布拉格光栅解调仪的波长精 度为1pm时， 该传感器的液位精度最高为0.728mm。 0121 实施例2 0122 如图1所示， 一种光纤液位传感器， 包括悬臂杆、 固定基座、 传力杆、 沉管、 两个串联 的布拉格光栅、 弹簧管套、 保护套管、 导出光纤、 外壳、 万向铰、 管式封装件、 垫片。 固定基座 固定在外壳底部， 悬臂杆左端通过轴承铰接在基座上， 传力杆顶部用万向铰铰接在。

32、悬臂杆 上， 沉管顶部与传力杆底部螺纹连接。 两个串联的光纤布拉格光栅分别为第一增敏FBG段和 第二增敏FBG段。 第一增敏FBG段管式封装， 保护套管套在封装件外， 用于保护内部光纤布拉 格光栅， 两端分别固定在悬臂杆右端和外壳顶部， 用于检测力的变化； 第二增敏FBG段固定 在悬臂杆上， 用于温度补偿。 此外， 还包括弹簧管套在保护套管外， 提供拉力拉住悬臂杆使 其在控制范围内摆动； 第一增敏FBG段上端连接导出光纤， 导出光纤连接解调仪， 解析中心 波长变化。 0123 对于光纤光栅管式封装， 需要注意材料的选取。 对于用途的不同， 管式封装件材料 也有不同的选择， 一般需要选取强度高、。

33、 疲劳特性好、 弹性范围宽、 耐腐蚀、 耐低温性能好的 材料； 胶粘剂的选取必须适用于封装件与光纤的粘结， 同时需要有较好的耐久性。 封装时应 对光纤作一定抗滑移处理， 可剥去粘结段的涂覆层再注胶， 同时光纤光栅须准确平直的放 在封装件中心位置， 否则容易导致光纤光栅与力的方向有一定夹角， 从而不能准确反映真 实应变。 因此设计的封装件截面如图3所示， 有一个开到中心的凹槽， 将光纤平放至其中， 之 后再用胶粘剂粘结。 胶粘剂固化后， 将保护套管套在封装件外， 两端预留封装件1/4的长度， 如图2所示， 靠近外壳一侧的封装件需要与保护套管粘结在一起， 下端封装件自由。 须保证 封装件放置在保护。

34、套管中心， 且保护套管内径要大于封装件直径一些， 应留出足够空间， 避 免下端封装件与保护套管内壁摩擦， 影响测量。 之后将封装件两端预留的位置与垫片粘结 在一起， 用于将第一增敏FBG段管式封装后固定在悬臂杆及外壳上部。 须保证管式封装件粘 结在垫片的中间。 0124 一种光纤液位传感器的使用方法， 所述方法的具体步骤如下： 0125 A.当容器中液体液位变化时， 沉管所受浮力随之改变， 传力杆把变化的力传到悬 臂杆上， 带动悬臂杆转动， 引起第一增敏FBG段轴向应变， 从而根据光纤布拉格光栅解调仪 分析得到第一增敏FBG段的中心波长变化量 ； 说明书 7/10 页 10 CN 110849。

35、436 A 10 0126 B.根据第二增敏FBG段的中心波长漂移量 2与温度变化量T之间的关系式 计算出温度变化量T。 式中：为第二增敏FBG段初始中心波长， 为光纤 材料的热膨胀系数， 为热光系数； 0127 C.根据第一增敏FBG段的中心波长漂移量 与液位变化量h及温度变化量T 之间的关系式计算出被测液体的液位高度。 一般来 说， 温度变化不大， 在此例中， 假定温度不变， 忽略温度的影响， 则第一增敏FBG段的中心波 长漂移量 与液位变化量h之间的关系式为： 0128 0129 具体参数如下： 0130 1.悬臂杆位置参数： 传力杆与悬臂杆铰接点距悬臂杆与基座铰接点之间的距离a 为10。

36、0mm， 第一增敏FBG段的轴线距悬臂杆与基座铰接点之间的距离l为200mm； 0131 2.沉管采用直径分别为20mm、 40mm、 60mm、 80mm、 100mm的不锈钢管； 0132 3.被测液体参数： 取92#汽油密度 725Kg/m3， 重力系数g9.8； 0133 4.光纤布拉格光栅技术参数： 中心波长 B1550nm， 有效弹光系数Pe0.22,第一 增敏FBG段标距lF120mm； 0134 5.弹簧管套等效弹性系数K20N/mm。 0135 根据公式(9)， 第一增敏FBG段的中心波长漂移量 与被测容器液位的灵敏度为： 0136 0137 将各已知量代入上式， 理论计算得。

37、出， 用该液位传感器测量92#汽油的液位， 沉管 底面直径分别为20mm、 40mm、 60mm、 80mm、 100mm时， 灵敏度对应为5.622pm/cm、 22.488pm/cm、 50.599pm/cm、 89.954pm/cm、 140.553pm/cm， 如图7所示。 当光纤布拉格光栅解调仪的波长精 度为1pm时， 该传感器的液位精度最高为0.071mm。 0138 实施例3 0139 如图1所示， 一种光纤液位传感器， 包括悬臂杆、 固定基座、 传力杆、 沉管、 两个串联 的布拉格光栅、 弹簧管套、 保护套管、 导出光纤、 外壳、 万向铰、 管式封装件、 垫片。 固定基座 固定。

38、在外壳底部， 悬臂杆左端通过轴承铰接在基座上， 传力杆顶部用万向铰铰接在悬臂杆 上， 沉管顶部与传力杆底部螺纹连接。 两个串联的光纤布拉格光栅分别为第一增敏FBG段和 第二增敏FBG段。 第一增敏FBG段管式封装， 保护套管套在封装件外， 用于保护内部光纤布拉 格光栅， 两端分别固定在悬臂杆右端和外壳顶部， 用于检测力的变化； 第二增敏FBG段固定 在悬臂杆上， 用于温度补偿。 此外， 还包括弹簧管套在保护套管外， 提供拉力拉住悬臂杆使 其在控制范围内摆动； 第一增敏FBG段上端连接导出光纤， 导出光纤连接解调仪， 解析中心 波长变化。 0140 对于光纤光栅管式封装， 需要注意材料的选取。 。

39、对于用途的不同， 管式封装件材料 也有不同的选择， 一般需要选取强度高、 疲劳特性好、 弹性范围宽、 耐腐蚀、 耐低温性能好的 说明书 8/10 页 11 CN 110849436 A 11 材料； 胶粘剂的选取必须适用于封装件与光纤的粘结， 同时需要有较好的耐久性。 封装时应 对光纤作一定抗滑移处理， 可剥去粘结段的涂覆层再注胶， 同时光纤光栅须准确平直的放 在封装件中心位置， 否则容易导致光纤光栅与力的方向有一定夹角， 从而不能准确反映真 实应变。 因此设计的封装件截面如图3所示， 有一个开到中心的凹槽， 将光纤平放至其中， 之 后再用胶粘剂粘结。 胶粘剂固化后， 将保护套管套在封装件外，。

40、 两端预留封装件1/4的长度， 如图2所示， 靠近外壳一侧的封装件需要与保护套管粘结在一起， 下端封装件自由。 须保证 封装件放置在保护套管中心， 且保护套管内径要大于封装件直径一些， 应留出足够空间， 避 免下端封装件与保护套管内壁摩擦， 影响测量。 之后将封装件两端预留的位置与垫片粘结 在一起， 用于将第一增敏FBG段管式封装后固定在悬臂杆及外壳上部。 须保证管式封装件粘 结在垫片的中间。 0141 一种光纤液位传感器的使用方法， 所述方法的具体步骤如下： 0142 A.当容器中液体液位变化时， 沉管所受浮力随之改变， 传力杆把变化的力传到悬 臂杆上， 带动悬臂杆转动， 引起第一增敏FBG。

41、段轴向应变， 从而根据光纤布拉格光栅解调仪 分析得到第一增敏FBG段的中心波长变化量 ； 0143 B.根据第二增敏FBG段的中心波长漂移量 2与温度变化量T之间的关系式 计算出温度变化量T。 式中： 为第二增敏FBG段初始中心波长， 为光纤 材料的热膨胀系数， 为热光系数； 0144 C.根据第一增敏FBG段的中心波长漂移量 与液位变化量h及温度变化量T 之间的关系式计算出被测液体的液位高度。 一般 来说， 温度变化不大， 在此例中， 假定温度不变， 忽略温度的影响， 则第一增敏FBG段的中心 波长漂移量 与液位变化量h之间的关系式为： 0145 0146 具体参数如下： 0147 1.悬臂。

42、杆位置参数： 传力杆与悬臂杆铰接点距悬臂杆与基座铰接点之间的距离a 为100mm， 第一增敏FBG段的轴线距悬臂杆与基座铰接点之间的距离l为200mm； 0148 2.沉管采用直径分别为20mm、 40mm、 60mm、 80mm、 100mm的不锈钢管； 0149 3.被测液体参数： 取水的密度 1000Kg/m3， 重力系数g9.8； 0150 4.光纤布拉格光栅技术参数： 中心波长 B1550nm， 有效弹光系数Pe0.22,第一 增敏FBG段标距lF120mm； 0151 5.弹簧管套等效弹性系数K20N/mm。 0152 根据公式(9)， 第一增敏FBG段的中心波长漂移量 与被测容器。

43、液位的灵敏度为： 0153 0154 将各已知量代入上式， 理论计算得出， 用该液位传感器测量水的液位， 沉管底面直 径分别为20mm、 40mm、 60mm、 80mm、 100mm时， 灵敏度对应为7.755pm/cm、 31.019pm/cm、 说明书 9/10 页 12 CN 110849436 A 12 69.792pm/cm、 124.074pm/cm、 193.866pm/cm， 如图7所示。 当光纤布拉格光栅解调仪的波长 精度为1pm时， 该传感器的液位精度最高为0.052mm。 0155 上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明， 上述实施方式仅仅举例了 5种沉管尺寸测量三种液体的液位测量， 但是本发明并不限于上述实施方式， 在不脱离本发 明原理宗旨的前提下， 可以作出各种变化。 说明书 10/10 页 13 CN 110849436 A 13 图1 图2 图3 说明书附图 1/4 页 14 CN 110849436 A 14 图4 图5 图6 说明书附图 2/4 页 15 CN 110849436 A 15 图7 图8 说明书附图 3/4 页 16 CN 110849436 A 16 图9 说明书附图 4/4 页 17 CN 110849436 A 17 。