[發明專利]一種基于光纖光柵的液位傳感探頭

在審

• 申請號: 202011539309.X
• 申請日: 2020-12-23
• 公開（公告）號: CN112525297A
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 梅影;王學鋒;楊瀟君;白雪菲;李瑞艷;杜瑞;潘亮
• 申請（專利權）人: 北京航天控制儀器研究所
• 主分類號: G01F23/292
• 分類號: G01F23/292;G02B6/02;G02B6/036;G02B6/44
• 代理公司: 中國航天科技專利中心 11009
• 代理人: 范曉毅

本發明涉及一種基于光纖光柵的光纖液位傳感探頭。液位傳感探頭包含長周期光纖光柵以及復合材料外護套。長周期光纖光柵通過測量周圍環境折射率的變化測量液位信息。纖芯材料為摻鍺或者硼的二氧化硅，內包層為二氧化硅，外包層材料為摻氟的二氧化硅，外護套為聚四氟乙烯等復合材料。傳感器利用光纖作為敏感元件以及傳輸通道，調制光的傳播行為方式，通過測量光波參數的變化，獲得精確液位信息。測量手段本質安全，傳感器前端無源，不需要連接復雜的電纜，沒有電火花的風險，同時適用于超低溫環境。

技術領域

本發明屬于光纖光柵傳感技術領域，特別涉及一種基于光纖光柵的液位傳感探頭。

背景技術

國內現有低溫液位測量技術主要使用機械式和電子式液位傳感器，上述傳感器的缺點為測量精度較差，反應時間相對滯后，安全性較差，無法滿足實時連續性液位變化監測的需求。國際上，美國等國家陸續研制出了新型的超聲波液位傳感器以及光纖液位傳感器，測量體系與產品系列精度高，功能齊全，自動化程度高。其中光纖傳感器的低功耗，耐腐蝕和耐超低溫環境的能力，以及抗電磁干擾，遠距離監測，靈敏度高的優勢，使得其成為了低溫液位測量的未來發展方向。

一般情況下，低溫液體具有密度小、沸點低、易汽化等特點，在液體容量產生變化時，容器內液體頻繁在氣相、液相或氣液兩相間轉換，大大影響了液位測量的精度。另一方面，液體容量變化過程中會產生較大的溫度沖擊，液位傳感器需要在此溫度沖擊范圍內功能正常，且結構不發生破壞，同時在儀器工作中對外不產生電火花，保證容器的安全性。

發明內容

本發明的目的在于克服上述缺陷，提供一種耐受超低溫的光纖液位傳感探頭，通過纖芯、內包層、外包層和外護套的設計，利用光纖作為敏感元件以及傳輸通道，調制光的傳播行為方式，通過測量光波參數的變化，獲得精確液位信息，測量手段本質安全，傳感器前端無源，不需要連接復雜的電纜，沒有電火花的風險，同時適用于超低溫環境。

為實現上述發明目的，本發明提供如下技術方案：

本發明提供一種基于光纖光柵的液位傳感探頭，由內到外依次包括同軸的纖芯，內包層，外包層和外護套；

纖芯用于光信號的傳輸；所述纖芯設有光纖光柵結構，用于光信號的衍射；

內包層用于將纖芯內傳輸的光信號衍射至外包層內表面；

外包層用于將內包層衍射的光信號傳輸至外包層外表面，使光信號與待測介質交互；

外護套為鏤空結構，保護光纖液位傳感探頭并使待測介質透過保護套與外包層外表面接觸；

纖芯的折射率＞內包層的折射率＞外包層的折射率。

進一步的，纖芯為摻鍺或者硼的二氧化硅，折射率≥1.45。

進一步的，纖芯的光纖光柵結構長度≤60mm，周期為幾百微米。

進一步的，發出光信號的光源為掃頻激光或者寬帶寬光源，波長為1300nm～1700nm。

進一步的，內包層為二氧化硅，折射率為1.445～1.45。

進一步的，外包層為摻氟的二氧化硅，折射率為1.44～1.445。

進一步的，外護套采用耐受20K超低溫的復合材料；所述的外護套所用材料包括但不限定于聚四氟乙烯、聚酰亞胺或聚氨酯。

進一步的，外護套與外包層之間設有空隙，待測介質可進入外護套與外包層之間，與外包層外表面接觸。

進一步的，纖芯所設的光纖光柵結構個數≥2。

進一步的，外護套與外包層之間的空隙≥0.55mm。

本發明與現有技術相比具有如下有益效果：