[发明专利]一种基于级联光纤光栅的液位传感器工作方法及装置

说明书

一种基于级联光纤光栅的液位传感器工作方法及装置，包括光纤、光纤光栅、金属外套管、密封槽、感应膜、气囊、密封圈、封帽；金属外套管的两端各设有密封槽，密封槽的外围相配合地设有封帽，封帽上开设与光纤相配合的光纤孔，光纤孔的孔壁与金属外套管的内壁相切；金属外套管的中部磨削出多个凹槽，凹槽内形成感应膜；光纤上刻写至少两个光纤光栅，光纤光栅均与感应膜位置相对应；光纤贯穿金属外套管，气囊设在金属外套管内。本发明的方法通过改变所述金属外套管的材料、感应膜的厚度、气囊的气压来调节该液位传感器探头的量程以及灵敏度。具有抗电磁干扰，信号传递传输距离远和易于联网等优点，更好地适应于在深井中测量深液位，准确高效。

技术领域

本发明属于光纤光栅液位传感器测量技术领域，具体一种基于级联光纤光栅的液位传感器工作方法及装置。

背景技术

伴随通讯技术的发展、成熟和产业化，光纤通讯成为通讯技术中心的关键的重要部分，围绕光纤通讯的发展的光纤器件，光纤激光器都已经大量实现了产业化。最近，随做人工智能及5G通讯的要求，光纤器件和光纤传感器的需求日益增加，开发多功能化、集成化、智能化是光纤器件和光纤传感器的的新的需求和方向。其中，光纤光栅是光纤器件中的一个重要的无源器件，基于光纤光栅开发的温度、湿度、应力等光纤传感器得到了广泛的关注和研究。其中，光纤光栅的温度和应变传感器是在工程领域中应用最广泛，技术最成熟的光纤传感器。而在光纤液位传感器方面，也有了较多的报道和文献，例如现有的基于光纤光栅式的液位传感器、基于压力测量的光纤液位传感器及其制备方法这些现有技术，但是在环境使用，深液位探测，压力探测范围中尚存在不足。

目前，深井液位测量中，主要采用电阻式液位计，其原理是利用待测点液体的压力来改变传感器电阻变化，从而导致电压变化来测量液位。但电压信号易受传输距离和电磁干扰等因素的影响，在导电液体中电阻式液位计易出现短路现象，造成误报。

现有的光纤光栅液位传感器，其原理是利用感应膜外侧的液体压力和内侧的空腔压力不同产生压力差，导致感应膜发生弹性形变，带动光纤光栅形变，引起光纤光栅反射中心波长的变化来测量液位。但这种液位传感器量程和灵敏受感应膜的影响，大量程传感器要求感应膜耐压能力强，但对压力感应不够灵敏，降低了传感器的灵敏度。相应的提高传感器灵敏度又会减小其量程，无法适应深井等特殊场景的液位测量。

发明内容

有鉴于此，为解决上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种基于级联光纤光栅的液位传感器工作方法及装置，具有大量程、范围可动态调整、一体化、探头式，以及抗电磁干扰，信号传递传输距离远和易于联网等优点，更好地适应于在深井中测量深液位，准确高效。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于级联光纤光栅的液位传感器工作方法，包括以下步骤：

S1：金属外套管的中部磨削出多个开口向外的凹槽，具有一定深度的凹槽处内形成感应膜；光纤上刻写至少两个光纤光栅，光纤穿过金属外套管，使得光纤光栅位于感应膜处；

S2：光纤拉紧，在金属外套管的两端处光纤与金属外套管内壁胶粘固定；气囊设在金属外套管内并冲入气体使其膨胀，膨胀的气囊将光纤光栅紧压在感应膜内壁；

S3：金属外套管的两端通过密封圈、密封槽密封，外侧封帽将装置密封，光纤通过封帽上的光纤孔伸出装置与外联设备连接；

S4：液体压力作用在金属外套管的外表面，感应膜内外两侧产生压差从而发生较大形变，由于气囊的挤压，光纤光栅随感应膜形变而产生应变，引起光纤光栅反射中心波长的变化来测量液位；液体压力随着装置与液体上液面的距离发生变化，从而可实现液位的测量；

S5：液位测量范围动态调整的具体实施方法为：

S51：气囊的初始压力为P1时，传感器的测量范围为H1到H2，则感应膜内外两侧的压差为0到P，则P＝(H2-H1)ρg，ρ为测量液体密度，g为重力加速度；