[发明专利]一种开腔压差式光纤法珀液位传感器及其液位测量方法

说明书

本发明公开了一种开腔压差式光纤法珀液位传感器及其液位测量方法，包括由单晶硅膜片（1）、圆管状的高硼硅玻璃套管（2）、圆柱形的D型高硼硅玻璃管（3）和光纤（4）以及以及由单晶硅膜片（1）、圆管状的高硼硅玻璃套管（2）、圆柱形的D型高硼硅玻璃管（3）和光纤（4）所构成的法珀腔（8），单晶硅膜片（1）作为弹性膜片用于感受压力；高硼硅玻璃套管（2）、D型高硼硅玻璃管（3）作为传感器的支撑结构和光纤（4）的容纳结构，通孔（7）使法珀腔（8）与外界连通；光纤端面与D型高硼硅玻璃（3）管端面持平；法珀腔腔长6与单晶硅膜片中心位置形变量：。本发明的传感器具有良好的线性响应度以及温度稳定性，用于高精度液位测量。

技术领域

本发明涉及于光纤传感领域，特别是涉及一种具有敞开式F-P腔结构的压差式光纤液位传感器及其液位测量方法。

背景技术

液位测量在工业和日常生活应用中发挥着重要作用。传统的电气传感器在导电、易燃、易爆以及腐蚀性强的恶劣环境下不能满足液位测量要求。与电气传感器相比，光纤传感器重量轻，抗电磁干扰，灵敏度高，并且可以多路复用。

近年来，已经提出了多种类型的光纤传感器来实现液位测量，以光栅为核心的传感器如光纤布拉格光栅，长周期光栅、倾斜光纤布拉格光栅和法布里-珀罗传感器，由于对温度敏感而导致了测量范围不广。光纤法珀压力传感器虽然具有较宽的测量范围，可灵活设计、具有广泛的应用范围；但是在其封闭结构的FP腔体中会存在残留气体。残余气体会在隔膜的内表面上产生的压力受到温度的影响，成为不希望的压力，会削弱传感器的温度稳定性。封闭结构FPI传感器中膜片外侧的压力是液体和其上方空气的压力，因此空气压力会影响液位测量。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种开腔压差式光纤法珀液位传感器及其液位测量方法，通过两个不同规格的玻璃套管的组合，将法珀腔与外界联通，以消除残留气体的影响，同时构成压差式传感结构。当环境温度升高时，没有残留气体的热膨胀引起的误差，从而显着降低温度压力交叉敏感性。

本发明的一种开腔压差式光纤法珀液位传感器，该传感器包括由单晶硅膜片1、圆管状的高硼硅玻璃套管2、圆柱形的D型高硼硅玻璃管3和光纤4以及由单晶硅膜片1、圆管状的高硼硅玻璃套管2、圆柱形的D型高硼硅玻璃管3和光纤4所构成的法珀腔8，其中：所述单晶硅膜片1作为弹性膜片，用于感受压力；所述高硼硅玻璃套管2、D型高硼硅玻璃管3同时作为传感器的支撑结构和光纤4的容纳结构；其中：

高硼硅玻璃套管2和单晶硅膜片1贴紧；D型高硼硅玻璃管3与单晶硅膜片1非接触，D型高硼硅玻璃管3外径与高硼硅玻璃套管2内径相同；光纤4从D型高硼硅玻璃管3中穿过，D型高硼硅玻璃管3外侧具有一个与轴平行的平面，插入高硼硅玻璃套管2后，与D型高硼硅玻璃管3的轴平行的平面与高硼硅玻璃套管2内壁构成一个轴向的通孔7；通孔7使法珀腔8与外界连通；光纤端面与D型高硼硅玻璃3管端面持平；

所述光纤4的端面和单晶硅膜片1的内表面形成法珀腔8的两个反射面，光纤4与单晶硅膜片1的距离决定了单晶硅膜片不发生形变时法珀腔8的初始腔长6。

本发明的利用一种开腔压差式光纤法珀传感器的液位测量方法，该测量方法包括以下步骤：

经过光纤4输出的一部分光在光纤端面上发生第一次反射，形成反射参考光9，其余部分光传播到单晶硅膜片1内表面上发生第二次反射，形成反射传感光10；

反射参考光9耦合到光纤4中，与反射传感光10叠加，形成干涉；

干涉信号中包含光程差信息，该光程差是对应腔长的2倍；当单晶硅膜片1上的液体压力发生变化时，单晶硅膜片1发生偏转，从而导致干涉信号的变化和法珀腔8腔长的变化；

依据液位与液压的关系式和液压与单晶硅膜片中心位置的形变量的关系式：