專利名稱：數(shù)字式光纖液位/壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型設(shè)計了一種液位和壓力測量傳感器，是一種能夠?qū)θ魏我后w介質(zhì)的液位和壓力實(shí)施高精度，大量程的全程測量的光纖液位傳感器和壓力傳感器。
技術(shù)背景在目前的液位和壓力傳感器領(lǐng)域中，大多數(shù)是以電學(xué)原理為基礎(chǔ)的傳感器，例如壓阻式液位傳感器，電容式和壓電式液位壓力傳感器。但是，在石油和天然氣等對易燃易爆高危險液體環(huán)境下進(jìn)行液位測量時，則需要采用本質(zhì)安全的，無電纜連接的液位/壓力傳感器。
中國專利號為ZL-02224560X和ZL-200420059735.3公開了一種能夠應(yīng)用于上述易燃易爆以及強(qiáng)腐蝕液體液位測量的光纖液位傳感器。前種光纖液位傳感器主要采用內(nèi)應(yīng)力片，外應(yīng)力片以及光纖組成內(nèi)，外兩個腔體。內(nèi)腔體是由內(nèi)應(yīng)力片與光纖的端面相對而構(gòu)成的“法布里-珀羅腔”，而外應(yīng)力片與內(nèi)應(yīng)力片之間構(gòu)成了受力腔體，該受力腔體中充有液體介質(zhì)。在進(jìn)行液位測量時，液位的變化使外應(yīng)力片所受到的壓力改變而造成微小形變，并通過受力腔體中的液體介質(zhì)的傳導(dǎo)使內(nèi)腔體上的內(nèi)應(yīng)力片跟隨形變，這時，通過光纖入射到內(nèi)應(yīng)力片上的光線所反射到光纖端面上的能量就會隨著液位的高低變化而發(fā)生近似線性變化。因此，通過外部設(shè)置的檢測設(shè)備對出射光強(qiáng)度的連續(xù)測量就可以對液位的高低數(shù)值進(jìn)行連續(xù)測量。第二種專利的結(jié)構(gòu)，利用的原理和測量的光信號都有相似之處，其共同特點(diǎn)都是直接探測光強(qiáng)度的線性變化。
但是，這兩種光纖液位傳感器都存在一些不足，都是通過直接測量法布里-珀羅腔反射回來的光強(qiáng)度的線性變化來感應(yīng)外部液位的變化。這種測量方法特別容易受到使用的激光光源強(qiáng)度波動、環(huán)境變化的影響。差動光路可以減少這個問題的影響，但差動光路中相同型號的光探測器靈敏度的不同和隨機(jī)衰變也會帶來測量誤差。而且上述方法測量得到的線性區(qū)間范圍小，量程和精度受到一定的限制。
以上兩種光纖液位傳感器要解決所述的問題必將帶來很高的成本費(fèi)用和系統(tǒng)的復(fù)雜化。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題在于針對上述兩種光纖傳感器所存在的不足提供一種低成本，高穩(wěn)定性的光纖液位傳感器，該傳感器利用彈性波紋管構(gòu)成一個感應(yīng)裝置，彈性波紋管底端面中心具有反射凸臺，其鍍膜反射面與光纖或者光纖準(zhǔn)直器端面構(gòu)成一個法布里-珀羅腔，不僅能夠在各種環(huán)境下對各種液體液位的變化進(jìn)行大量程測量；而且具有測量精度高，生產(chǎn)工藝簡單，價格低廉等特點(diǎn)。
為此，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是一種數(shù)字式光纖液位/壓力傳感器，其特征在于它包括前端面為開口的圓筒型殼體，圓管狀與外部連接的連通器，彈性波紋管，波紋管底端的反射凸臺，光纖準(zhǔn)直器及光纖；圓筒型殼體底端面有一個中軸孔與圓筒型殼體內(nèi)腔連通，該中軸孔內(nèi)部放置和固定光纖準(zhǔn)直器或者光纖；所述的彈性波紋管置于圓筒型殼體內(nèi)部，其上端與圓筒型殼體頂端密封連接，且讓波紋管底端的反射凸臺平面與光纖準(zhǔn)直器的軸線垂直，使反射凸臺與光纖準(zhǔn)直器之間形成一光學(xué)法布里-珀羅腔體，光纖由中軸孔與光纖準(zhǔn)直器連接；所述圓管狀與外部連接的連通器一端與彈性波紋管上端密封固定，另一端用于連接外部液體容器。
所述的圓筒型殼體采用熱膨脹系數(shù)比較小的金屬材料。
所述的圓管狀與外部連接的連通器一端與彈性波紋管上端密封固定，另一端用于連接外部液體容器。
所述的反射凸臺連接在波紋管的底端，其鍍膜反射面與光纖準(zhǔn)直器垂直，形成一個法布里-珀羅腔體。外部的單?；蛘叨嗄９饫w通過圓筒狀殼體底部的中軸孔與光纖準(zhǔn)直器連接。
所述的圓筒狀殼體的整個內(nèi)部空間為半徑為0.5mm-100mm，深度為0.5mm-100mm的圓柱空腔。
所述的反射凸臺的高度可以在0.1mm到50mm范圍選取，半徑可以在0.001到50mm范圍選取，在其表面鍍有反薄膜。
所述的反射凸臺上光學(xué)膜的反射率可以是4％到99.9％。
所述的彈性波紋管是采用的高強(qiáng)度，高疲勞強(qiáng)度的彈性材料，其半徑為0.5mm到100mm，長度為0.5mm到100mm的金屬波紋管。
為簡化加工和裝配工藝，采用的大口徑光纖或者自聚焦透鏡作為光纖準(zhǔn)直器，其光束半徑為0.05mm到4.0mm。
本實(shí)用新型根據(jù)容器內(nèi)的液體壓強(qiáng)與深度成正比的關(guān)系，也就是p＝ρgh式中P為液體內(nèi)的壓強(qiáng)，ρ為液體的密度，g為重力加速度，h為液體內(nèi)某點(diǎn)的深度。當(dāng)液體的密度ρ一定時，通過測量液體的壓強(qiáng)，就可以探測到液位。
由以上技術(shù)方案和原理可知，本實(shí)用新型采用彈性波紋管構(gòu)成一個完整的壓力感應(yīng)器，波紋管底端具有高反射率的鍍膜反射凸臺與光纖或光纖準(zhǔn)直器端面之間構(gòu)成一個光學(xué)法布里珀羅腔。由于光學(xué)結(jié)構(gòu)中的光纖或光纖準(zhǔn)直器是固定在殼體上的，通過光纖或光纖準(zhǔn)直器入射到鍍膜反射凸臺再反射到光纖準(zhǔn)直器端面就會發(fā)生干涉現(xiàn)象，產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)傳感器與外部的液體通過連通器連通時，彈性波紋管會受到外部的壓力作用產(chǎn)生形變，引起反射凸臺微小的位移變化，也相應(yīng)地引起光程差的變化，干涉條紋就會有相應(yīng)的變化和移動。而干涉條紋的變化和移動的條數(shù)是隨液位的變化而線性變化的，因此檢測光纖出射光的條紋數(shù)的變化就會檢測到被測液位高度的變化。而這種變化是連續(xù)的，因此具有很高的測量精度和靈敏度。
由于本實(shí)用新型通過測量干涉條紋的變化數(shù)來反映液位的變化，而干涉條紋數(shù)不受激光光源的強(qiáng)度波動的影響，即使干涉條紋的光強(qiáng)度有一些變化，也很容易讀取條紋，克服了光強(qiáng)度波動帶來的影響和誤差，解決了光學(xué)系統(tǒng)中很難解決的一個難題。而且，在工作區(qū)的整個信號的傳輸過程中，都是在光纖中進(jìn)行，完全不受外部的電磁干擾，也不會給測量的物質(zhì)帶來電擊的潛在危險，該傳感器本身是本質(zhì)安全型。因此，這種裝置可以應(yīng)用在幾乎任何液體液位和力的測量，特別是有害，易燃易爆的液體液位的測定和壓力的測量方面。本實(shí)用新型還能夠設(shè)計為網(wǎng)絡(luò)化集中管理，對多個目標(biāo)同時檢測，成本還將有所下降，具有極大的實(shí)用性和安全性。


圖1是本實(shí)用新型的實(shí)例內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
以下，通過實(shí)例并結(jié)合附圖對本實(shí)用新型做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
在圖1中，1.圓管狀連通器；2.彈性波紋管；3.鍍膜反射凸臺；4.圓筒型殼體；5.光纖或光纖準(zhǔn)直器；6，多模/單模光纖；實(shí)施方案如圖所示，在本實(shí)用新型中的殼體是由外接連通器1和圓筒型殼體4兩部分固定連接構(gòu)成。連接的時候，將反射凸臺3固定在彈性波紋管下端面，將彈性波紋管2固定在圓筒型殼體內(nèi)并調(diào)節(jié)好位置，再與圓管狀連通器連接，彈性波紋管上下移動范圍也被限制在圓筒狀殼體4內(nèi)部。帶尾纖的光纖準(zhǔn)直器5從圓筒型殼體4的底部插入，調(diào)試好位置與反射凸臺3保持垂直和一定的距離，然后固定。
反射凸臺3鍍有反射膜，光纖準(zhǔn)直器5的出射端面可以鍍光學(xué)膜，光學(xué)膜是半透半反膜，使反射凸臺3與光纖準(zhǔn)直器5端面之間構(gòu)成一個法布里-珀羅腔，彈性波紋管在液體的壓力作用下產(chǎn)生形變，使得法布里-珀羅腔的腔長發(fā)生變化，從而導(dǎo)致干涉條紋的變化和移動。在本實(shí)用新型中，光纖6可以是多模光纖，也可以是單模光纖。為安全起見，在光纖準(zhǔn)直器5和光纖6外面都套有保護(hù)套，在這里特別指出。
本實(shí)用新型的彈性波紋管2可以是任何高強(qiáng)度，高疲勞強(qiáng)度的彈性材料，其半徑可以從0.5mm到100mm，長度為0.5mm到100mm的范圍中選取。要根據(jù)測量的量程，精度和價格性能來選材。
本實(shí)用新型的工作原理如下液體從外部連通器1進(jìn)入，在液體壓力的作用下彈性波紋管2做微小的形變，同時使激光光源經(jīng)過光纖耦合器，光纖6和光纖準(zhǔn)直器5傳輸進(jìn)入法布里-珀羅腔。激光經(jīng)過法布里-珀羅腔的調(diào)制后產(chǎn)生的干涉條紋經(jīng)過光纖準(zhǔn)直器5和光纖6輸出到光纖耦合器，光纖耦合器將反射光與入射光分開，使反射光進(jìn)入到光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電脈沖信號的變化，再由光電信號處理器計數(shù)脈沖數(shù)并輸出液位數(shù)據(jù)，再由判斷方向電路判斷干涉條紋移動方向作為液位上升和下降的信號，對干涉條紋的處理和判向也可以用CCD來處理。
本實(shí)用新型主要設(shè)計的是光纖傳感器的傳感頭部分的結(jié)構(gòu)，采用何種光源和電信號的處理器件不在本實(shí)用新型所述之內(nèi)。
最后應(yīng)該說明的是以上實(shí)施說明僅用以說明而非限制本實(shí)用新型的技術(shù)方案，盡管參照上述實(shí)施例對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍的任何修改和局部替換，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1，一種數(shù)字式光纖液位/壓力傳感器，其特征在于它包括前端面為開口的圓筒型殼體，圓管狀與外部連接的連通器，彈性波紋管，波紋管底端的反射凸臺，光纖準(zhǔn)直器及光纖；圓筒型殼體底端面有一個中軸孔與圓筒型殼體內(nèi)腔連通，該中軸孔內(nèi)部放置和固定光纖準(zhǔn)直器或者光纖；所述的彈性波紋管置于圓筒型殼體內(nèi)部，其上端與圓筒型殼體頂端密封連接，且讓波紋管底端的反射凸臺平面與光纖準(zhǔn)直器的軸線垂直，使反射凸臺與光纖準(zhǔn)直器之間形成一光學(xué)法布里-珀羅腔體，光纖由中軸孔與光纖準(zhǔn)直器連接；所述圓管狀與外部連接的連通器一端與彈性波紋管上端密封固定，另一端用于連接外部液體容器。
2，根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖液位/壓力傳感器，其特征在于所述的圓筒狀殼體的整個內(nèi)部空間為半徑為0.5mm-100mm，深度為0.5mm-100mm的圓柱空腔。
3，根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖液位/壓力傳感器，其特征在于所述的波紋管底端中心有一鍍光學(xué)膜的反射凸臺，其高度為0.1mm到50mm。
4，根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖液位/壓力傳感器，其特征在于所述的反射凸臺上光學(xué)膜的反射率可以是4％到99.9％。
5，根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖液位/壓力傳感器，其特征在于所述的光纖或者光纖準(zhǔn)直器前端端面鍍半透半反膜，后端接單模或者多模光纖。
6，根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式光纖液位/壓力傳感器，其特征在于所述的彈性波紋管其半徑為0.5mm-100mm長度為0.5mm到100mm的彈性波紋管。
專利摘要一種數(shù)字式光纖液位/壓力傳感器，其特征在于它包括前端面為開口的圓筒型殼體，圓管狀與外部連接的連通器，彈性波紋管，波紋管底端的反射凸臺，光纖準(zhǔn)直器及光纖；圓筒型殼體底端面有一個中軸孔與圓筒型殼體內(nèi)腔連通，該中軸孔內(nèi)部放置和固定光纖準(zhǔn)直器或者光纖；所述的彈性波紋管置于圓筒型殼體內(nèi)部，其上端與圓筒型殼體頂端密封連接，且讓波紋管底端的反射凸臺平面與光纖準(zhǔn)直器的軸線垂直，使反射凸臺與光纖準(zhǔn)直器之間形成一光學(xué)法布里－珀羅腔體，光纖由中軸孔與光纖準(zhǔn)直器連接；所述圓管狀與外部連接的連通器一端與彈性波紋管上端密封固定，另一端用于連接外部液體容器。
文檔編號G01F23/00GK2876724SQ200520065490
公開日2007年3月7日 申請日期2005年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月11日
發(fā)明者趙中華 申請人:趙中華