一种液位传感器、液位监测装置及方法与流程

1.本公开涉及液位检测技术领域，尤其涉及一种液位传感器、液位监测装置及方法。


背景技术：

2.随着机、电、液一体化技术的进步及故障诊断技术的提高，对液压传感器的测量精度和响应速度的要求也越来越高。液压传感器在多个领域得到广泛应用，例如，工业安全生产、海洋作业检测、水利水电、石油液位检测及航空航天等领域。液压液位的实时检测，对安全生产等方面具有十分重要的意义。


技术实现要素：

3.本公开实施例提供了一种液位传感器、液位监测装置及方法，能够利用光纤光栅实现液压监测，提高检测精度。
4.本公开实施例所提供的技术方案如下：
5.一种液位传感器，包括：
6.压力膜组件，被配置为随其所承受的待测液体压力变化而产生不同形变量；
7.光纤光栅组件，包括输入光纤、输出光纤及连接至所述输入光纤与所述输出光纤之间的光纤光栅，其中所述光纤光栅可拉伸，反射波长随所述光纤光栅的拉伸量变化而改变；及
8.转换组件，连接至所述压力膜组件及所述光纤光栅之间，且被配置为能够将所述压力膜组件的形变量转换为所述光纤光栅的拉伸量。
9.示例性的，所述转换组件包括：
10.连杆构件，连接至所述压力膜组件，以随所述压力膜组件的形变而移动；
11.杠杆构件，包括杠杆本体及支撑件，所述杠杆本体的中部设有支点枢轴，所述支点枢轴由所述支撑件支撑，所述杠杆本体的相对两端分别为第一端和第二端，所述第一端枢接至所述连杆构件上，所述光纤光栅沿其拉伸方向上的一端被固定，另一端连接至所述第二端。
12.示例性的，所述液位传感器还包括具有内腔的壳体，所述壳体顶部设有开口，所述压力膜组件设置于所述开口处，所述光纤光栅及所述转换组件容置于所述壳体内。
13.示例性的，所述壳体上设有第一穿孔和第二穿孔，所述输入光纤经由所述第一穿孔伸出至所述壳体外，所述输出光纤经由所述第二穿孔伸出至所述壳体外。
14.一种液位监测装置，所述液位监测装置包括：
15.光源调制单元，用于调制产生预设波长的光信号；
16.感应单元，包括至少一个如上所述的液位传感器，所述液位传感器的输入光纤连接至所述光源调制单元，以接收所述光信号；所述输出光纤用于输出所述光信号中波长与所述反射波长不同的透射光线；及
17.处理单元，所述处理单元连接至所述感应单元，用于根据来自所述输出光纤输出
的透射光线信息，判断当前液位信息。
18.示例性的，所述感应单元包括：
19.第一环形器，所述第一环形器包括沿光路方向依次设置的第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口连接至所述光源调制单元；及
20.两个所述液位传感器，两个所述液位传感器包括第一液位传感器及第二液位传感器，所述第一液位传感器的输入光纤连接至所述第二端口，所述第二液位传感器的输出光纤连接至所述第三端口；其中，
21.以所述压力膜组件受到液体压力为阈值时，所述光纤光栅组件的反射波长记为初始反射波长，所述第一液位传感器及所述第二液位传感器中至少一者的光纤光栅组件的初始反射波长不等于所述预设波长。
22.示例性的，用于盛放所述待测液体的容器上设有警戒液位线；所述第一液位传感器设置于所述警戒液位线处，且所述第一液位传感器的光纤光栅组件的初始反射波长等于所述预设波长，所述处理单元具体用于当接收到来自所述第一液位传感器的光线信息时，判断当前液位到达警戒液位线。
23.示例性的，所述第二液位传感器设置于所述容器的底部，且所述第二液位传感器的光纤光栅的初始反射波长不等于所述预设波长，所述处理单元具体用于根据接收到来自所述第二液位传感器的光线信息，计算当前液位值，所述光线信息包括光强值。
24.示例性的，应用于如上所述的液位传感器时，所述第一液位传感器相比所述第二液位传感器，所述支点枢轴与所述杠杆本体的所述第一端之间的轴向距离更近。
25.示例性的，所述光源调制单元包括沿光路依次设置的宽带光源、隔离器和第二环形器，所述第二环形器包括沿光路方向依次设置的第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口连接至所述宽带光源，所述第二端口上连接有作为滤波器的光纤光栅，所述第三端口连接至所述感应单元。
26.一种液位监测方法，所述方法包括如下步骤：
27.调制产生预设波长的光源；
28.将所述液位传感器的输入光纤接收所述光源，所述输出光纤输出所述光信号中波长与所述反射波长不同的透射光线；
29.根据来自所述输出光纤输出的透射光线信息，判断当前液位信息。
30.示例性的，所述根据来自所述输出光纤输出的透射光线信息，判断当前液位信息，具体包括：
31.当接收到来自所述第一液位传感器的光线信息时，判断当前液位到达警戒液位线；
32.根据接收到来自所述第二液位传感器的光线信息，计算当前液位值，所述光线信息包括光强值。
33.本公开实施例所带来的有益效果如下：
34.上述方案中，上述方案中，液位传感器包括压力膜组件、光纤光栅组件及转换组件，该液位传感器在进行液位检测时，可浸入待测液体中，压力膜组件在承受液体压力时会发生相应的变形。例如，液体压力越大，则变形量可越大。转换组件可以将压力膜组件的变形量转换为光纤光栅组件中的光纤光栅的拉伸量。光纤光栅被拉伸时，其反射波长会偏移。
因此，不同液位时，光纤光栅的反射波长会有所不同。当预定波长的光信号进入光纤光栅组件的输入光纤时，与反射波长相同波长的光线则会被光纤光栅反射，而与反射波长不同的透射光线则会被光纤光栅透射，透射光线经由输出光纤输出。因此，以压力膜组件受到液体压力为阈值(例如阈值为零)时，光纤光栅组件的反射波长记为初始反射波长。压力膜组件受到液体压力变化时，则反射波长相对初始反射波长发生相应偏移，输出光纤所输出的透射光线随之发生变化。因此，根据输出光纤所输出的透射光线，可实时监测液位液压信息。
35.由此可见，本公开实施例所提供的液位传感器、液位监测装置及方法，将光纤光栅组件作为滤波器，通过检测输出光纤上的光线信息，实现液压监测，可避免环境温度变化对检测结果的影响；且利用光纤光栅组件，具有抗电磁干扰能力强、精度高、可靠性强等优点，可适用于复杂恶劣的环境。
附图说明
36.图1表示本公开一个实施例中提供的液位传感器的结构示意图；
37.图2表示本公开另一个实施例中提供的液位传感器的结构示意图；
38.图3表示本公开实施例中提供的液位监测装置进行液位监测时的示意图；
39.图4表示本公开实施例中提供的液位监测装置的结构示意图；
40.图5表示本公开实施例中提供的液位监测装置中光源调制单元将宽度光源调制为窄带光波的光波示意图，其中(a)所示为宽谱光源的光波示意图，(b)所示为窄带光波的光波示意图；
41.图6表示本公开实施例中提供的液位监测装置中反射波长偏移时透射光强值示意图，其中(a)所示为光波交叠面积为0时全部光波被透射的示意图，(b)所示为光波部分交叠时部分光波被透射的示意图，(c)所示为光波交叠面积最大时全部光波全部被反射的示意图。
具体实施方式
42.为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例的附图，对本公开实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本公开的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
43.除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”、“一”或者“该”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
44.对本公开实施例所提供的液位传感器、液位监测装置及方法进行详细说明之前，
有必要对相关技术进行以下说明：
45.相关技术中，工业安全生产、海洋作业检测、水利水电、石油液位检测及航空航天等领域，液位液压是控制过程中的重要参数之一。液位液压的高精度实时检测，对安全生产等方面具有十分重要的意义。传统的液位传感器多是电容式、超声波式或磁致伸缩式液压传感器，不适用于易燃易爆、强腐蚀性、强电磁干扰等复杂恶劣环境。
46.为了解决上述技术问题，本公开实施例提供一种液位传感器、液位检测装置及液位检测方法，可实现液位液压自主、快速、精确检测，适用于复杂恶劣环境。该液位传感器是基于光纤光栅耦合模理论，将光纤光栅作为滤波器，根据经光纤光栅滤波后的透射光线来检测液位液压。
47.为了便于理解，对光纤光栅耦合模理论的说明如下：
48.光纤光栅(fbg)属于反射型带通滤波器。光纤光栅可通过将单模光纤纤芯横向暴露在具有周期性图案的强紫外光下而制作而成。强紫外光的曝光会永久增大光纤纤芯的折射率，根据曝光图案产生固定的折射率调制。这种固定的折射率调制被称为光栅。
49.在每个空间周期性折射率变化处，会有少量光发生反射。当光栅周期约为入射光波长的一半时，所有反射光相干组合成一束具有特定波长的大反射。这被称为布拉格条件。实现入射光发生反射的波长被称为布拉格波长。其它波长的光信号则几乎不受光纤光栅影响，将透过光纤光栅继续传输。
50.其中，光信号中满足反射波长λ为中心波长的窄谱分量会被光纤光栅反射，光纤光栅的中心反射波长的计算公式为λ＝2n
eff
λ，式中，λ是光栅间距，n
eff
是光纤纤芯的有效折射率，光栅间距λ和光纤纤芯的有效折射率n
eff
中任一者发生物理变化都将引起λ的偏移。因此，光纤光栅被拉伸时，其反射波长会改变。
51.请参见图1和图2所示，本公开实施例所提供的液位传感器包括压力膜组件100、光纤光栅组件200及转换组件300，该液位传感器在进行液位检测时，可浸入待测液体中。压力膜组件100被配置为随着所承受的待测液体压力变化，可产生不同形变量；光纤光栅组件200包括输入光纤210、输出光纤220及连接至输入光纤210与输出光纤220之间的光纤光栅230，其中光纤光栅230可拉伸，且其反射波长随光纤光栅230的拉伸量变化而改变；转换组件300连接至压力膜组件100及光纤光栅230之间，且被配置为能够将压力膜组件100的形变量转换为光纤光栅230的拉伸量。
52.上述方案中，液位传感器包括压力膜组件100、光纤光栅组件200及转换组件300，该液位传感器在进行液位检测时，可浸入待测液体中，压力膜组件100在承受液体压力时会发生相应的变形。例如，液体压力越大，则变形量可越大。转换组件300可以将压力膜组件100的变形量转换为光纤光栅组件200中的光纤光栅230的拉伸量。光纤光栅230被拉伸时，其反射波长会偏移。因此，不同液位时，光纤光栅230的反射波长会有所不同。当预定波长的光信号进入光纤光栅组件200的输入光纤210时，与反射波长相同波长的光线则会被光纤光栅230反射，而与反射波长不同的透射光线则会被光纤光栅230透射，透射光线经由输出光纤220输出。因此，以压力膜组件100受到液体压力为阈值(例如阈值为零)时，光纤光栅组件200的反射波长记为初始反射波长。压力膜组件100受到液体压力变化时，则反射波长相对初始反射波长发生相应偏移，输出光纤220所输出的透射光线随之发生变化。因此，根据输出光纤220所输出的透射光线，可实时监测液位液压信息。
53.由此可见，本公开实施例所提供的液位传感器，是采用光纤光栅230作为滤波器，通过检测经由光纤光栅230透射的光线信息，可实现液位液压监测。由于该液位传感器为光纤传感器，相较于传统的电气类传感器，具有抗电磁干扰能力强、精度高、可靠性强、耐酸碱腐蚀、电绝缘、连续测量、几何尺寸小、使用寿命长等优点，可适用于易燃易爆、强腐蚀性、强电磁干扰等复杂恶劣环境的环境。并且，本公开实施例提供的液位传感器还具有温度不敏感的优点。这是因为，当外界温度引起光纤光栅组件200的反射波长漂移时，全部光纤光栅230的漂移量一致，且液位检测参数是光纤光栅230的透射光线，因此温度对检测结果影响较小，可避免环境温度变化对检测结果的影响。
54.在本公开的一些示例性的实施例中，如图1和图2所示，转换组件300包括：连杆构件310及杠杆构件320，其中，连杆构件310连接至压力膜组件100，且连杆构件310能够随压力膜组件100的形变而移动；杠杆构件320包括杠杆本体321及支撑件322，杠杆本体321的中部设有支点枢轴a，支点枢轴a由支撑件322支撑，杠杆本体321的相对两端分别为第一端321a和第二端321b，第一端321a枢接至连杆构件310上，光纤光栅230沿其拉伸方向上的一端被固定，另一端连接至杠杆本体321的第二端321b。
55.上述方案中，连杆构件310连接至压力膜片组件上，当压力膜组件100所承受液体压力变化时，压力膜组件100则发生相应的形变，而产生变形量，这种变形会使得连杆构件310移动。例如，图2中所示方位，压力膜组件100受到液体压力而向下，带动连杆构件310向下移动。杠杆本体321的第一端321a端部铰接至连杆构件310上，因此，连杆构件310的移动可推动杠杆本体321的第一端321a下降，从而带动杠杆本体321的第二端321b向上翘。光纤光栅230的两端中一端可被固定，另一端连接至杠杆本体321的第二端321b。因此，连杆构件310移动推动杠杆本体321的第一端321a下降，使杠杆本体321的第二端321b向上翘时，光纤光栅230受到纵向拉伸，由光纤光栅耦合模理论可知，纵向拉伸会导致光纤光栅的反射波长发生偏移，从而使得透射光强发生变化。
56.需要说明的是，根据杠杆原理，在相同杠杆本体321长度且同等液体压力作用下，杠杆本体321的第一端321a与支点枢轴a之间的轴向距离越近，杠杆本体321的第一端321a行程越小，则液位传感器的量程越小；但是，杠杆本体321的第二端321b行程会越大，光纤光栅230纵向拉伸量会越大，因此反射波长漂移量会越大，液位传感器会更敏感。反之，杠杆本体321的第一端321a与支点枢轴a之间的轴向距离越远，杠杆本体321的第一端321a行程越大，则液位传感器的量程越大；但是，杠杆本体321的第二端321b行程会越小，光纤光栅230纵向拉伸量会越小，因此反射波长漂移量会越小，液位传感器敏感度会越小。在实际应用中，可根据液压液位对检测敏感度需求，来调整杠杆本体321的第一端321a与支点枢轴a之间的轴向距离。
57.还需要说明的是，如图2所示，连杆构件310、杠杆本体321及支撑件322均可以被构造成杆状，但是并不限定于此。
58.此外，在本公开的一些实施例中，如图1和图2所示，液位传感器还包括具有内腔的壳体400，壳体400顶部设有开口，压力膜组件100设置于开口处，光纤光栅230及转换组件300容置于壳体400内。这样，通过设置壳体400，可将光纤光栅230及转换组件300等零部件与液体隔绝，以避免液体导致光纤光栅230及转换组件300等损坏。
59.在本公开的一些实施例中，如图1和图2所示，壳体400上设有第一穿孔410和第二
穿孔420，输入光纤210经由第一穿孔410伸出至壳体400外，输出光纤220经由第二穿孔420伸出至壳体400外。这样，壳体400可以为空心圆柱形结构，在壳体400的侧壁上可设置第一穿孔410和第二穿孔420，输入光纤210和输出光纤220分别通过对应的穿孔连接壳体400内外元器件，且第一穿孔410和第二穿孔420可做防渗透处理，以隔绝壳体400内外环境。
60.此外，在本公开的一些实施例中，光纤光栅组件200的传输光纤可采用单模光纤(smf)。光纤光栅230可以是在单模光纤上通过相位掩模法刻蚀制成，制作方法简单、成本低、对精度要求不高，且可根据实际应用需求，定制不同初始反射波长的光纤光栅230。
61.如图所示，本公开实施例还提供了一种液位监测装置，如图4所示，该液位监测装置包括光源调制单元10、感应单元20及处理单元30。其中，光源调制单元10用于调制产生预设波长的光信号；感应单元20包括至少一个液位传感器，液位传感器选用本公开实施例所提供的液位传感器。液位传感器的输入光纤210可连接至光源调制单元10，以接收来自光源调制单元10的光信号。光信号中与反射波长相同波长的光线会被光纤光栅230反射，与反射波长不同波长的光线被光纤光栅230透射，因此，输出光纤220可输出光信号中与反射波长不同的透射光线。处理单元30连接至感应单元20，用于根据来自输出光纤220输出的透射光线信息，判断当前液位信息。
62.在上述方案中，光源调制单元10调制产生预设波长的光信号；液位传感器包括压力膜组件100、光纤光栅组件200及转换组件300，该液位传感器在进行液位检测时，可浸入待测液体中，压力膜组件100在承受液体压力时会发生相应的变形。例如，液体压力越大，则变形量可越大。转换组件300可以将压力膜组件100的变形量转换为光纤光栅组件200中的光纤光栅230的拉伸量。光纤光栅230被拉伸时，其反射波长会偏移。因此，不同液位时，光纤光栅230的反射波长会有所不同。当预定波长的光信号进入光纤光栅组件200的输入光纤210时，与反射波长相同波长的光线则会被光纤光栅230反射，而与反射波长不同的透射光线则会被光纤光栅230透射，透射光线经由输出光纤220输出。因此，以压力膜组件100受到液体压力为阈值(例如阈值为零)时，光纤光栅组件的反射波长记为初始反射波长。压力膜组件100受到液体压力变化时，则反射波长相对初始反射波长发生相应偏移，输出光纤220所输出的透射光线随之发生变化。因此，处理单元30可根据输出光纤220所输出的透射光线，得到液位液压信息。
63.由此可见，本公开实施例所提供的液位传感器，是采用光纤光栅230作为滤波器，通过检测经由光纤光栅230透射的光线信息，可实现液位液压监测。由于该液位传感器为光纤传感器，相较于传统的电气类传感器，具有抗电磁干扰能力强、精度高、可靠性强、耐酸碱腐蚀、电绝缘、连续测量、几何尺寸小、使用寿命长等优点，可适用于易燃易爆、强腐蚀性、强电磁干扰等复杂恶劣环境的环境。并且，本公开实施例提供的液位传感器还具有温度不敏感的优点。这是因为，当外界温度引起光纤光栅组件200的反射波长漂移时，全部光纤光栅230的漂移量一致，且液位检测参数是光纤光栅230的透射光线，因此温度对检测结果影响较小，可避免环境温度变化对检测结果的影响。
64.并且，本公开实施例提供的液位传感器具有温度不敏感优点，这是因为，当外界温度引起光纤光栅组件200的反射波长漂移时，由于全部光纤光栅230的漂移量一致，且该液位传感器所检测的参数为光纤光栅230的透射光线，因此，温度对检测结果影响较小，从而实现温度不敏感的设计，可避免环境温度变化对检测结果的影响。
65.在本公开的一些示例性的实施例中，如图4所示，所述感应单元20包括：
66.第一环形器21，第一环形器21包括沿光路方向依次设置的第一端口a1、第二端口a2和第三端口a3，所述第一端口a1连接至所述光源调制单元10；及
67.两个所述液位传感器，两个所述液位传感器包括第一液位传感器22及第二液位传感器23，第一液位传感器22的输入光纤210连接至第二端口、且输出光纤220连接至处理单元30，第二液位传感器23的输入光纤210连接至第三端口、且输出光纤220连接至处理单元30；其中，以压力膜组件100受到液体压力为阈值时，光纤光栅组件的反射波长记为初始反射波长，第一液位传感器22及第二液位传感器23中的初始反射波长不相等，且所述第一液位传感器22及所述第二液位传感器23中至少一者的光纤光栅组件200的初始反射波长不等于所述预设波长。
68.阈值可以是零，即液位为零时，光纤光栅组件的反射波长为初始反射波长。当然可以理解的是，阈值也可以不限于零。
69.第一环形器21可是一种多端口的、具有非互易特性的光器件，其包括沿光路方向依次设置的多个端口。第一环形器21的信号传输方向是不可逆的，一次只能在一个方向上将光信号从一个端口引导到另一个端口。例如，三端口的第一环形器21，光信号必须从第一端口a1到第二端口a2，然后传播到第三端口a3。
70.上述方案中，由光源调制单元10调制产生的光信号，可从第一环形器21的第一端口a1进入第一环形器21之后，先到达连接至第一环形器21的第二端口a2的第一液位传感器22，基于光纤光栅耦合模理论，至少部分光线会被第一液位传感器22的光纤光栅230反射至第一环形器21，并从第一环形器21的第二端口a2再传播至第一环形器21的第三端口a3，进而到达第二液位传感器23。由于第一液位传感器22和第二液位传感器23中至少一者的初始反射波长与光信号的预设波长不相等，因此，至少有一个液位传感器的输出光纤220中会输出透射光线，以用于检测液位信息。
71.在本公开的一些实施例中，光源调制单元10的作用是，调制产生预设波长的光信号，该光信号为窄带光波。如图4所示，光源调制单元10可包括沿光路依次设置的宽带光源11、隔离器12和第二环形器13。其中，宽谱光源用于产生宽谱光；隔离器12是一种只允许单向光通过的无源光器件。第二环形器13包括沿光路方向依次设置的第一端口b1、第二端口b2和第三端口b3。第二环形器13可是一种多端口的、具有非互易特性的光器件，其包括沿光路方向依次设置的多个端口。第二环形器13的信号传输方向是不可逆的，一次只能在一个方向上将光信号从一个端口引导到另一个端口。例如，三端口的第二环形器13，光信号必须从第一端口b1到第二端口b2，然后传播到第三端口b3。
72.第二环形器13的第一端口b1连接至宽带光源11，以接收宽带光源11；第二环形器13的第二端口b2连接有作为滤波器的光纤光栅(为了便于与液位传感器中的光纤光栅进行区分，该光纤光栅标记为图4中fbg3，第一液位传感器22中的光纤光栅标记为fbg1，第二液位传感器23中的光纤光栅标记为fbg2)；第二环形器13的第三端口b3连接至感应单元20，具体而言，第二环形器13的第三端口b3连接至第一环形器21的第一端口a1。
73.上述方案中，宽带光源11产生宽带光，宽带光经隔离器12调制成单向光，并进入第二环形器13的第一端口a1后，传播至第二环形器13的第二端口b2，被第二端口a2上的光纤光栅230滤波，与该光纤光栅230的反射波长相同的波会反射回第二环形器13的第二端口
b2，而形成窄带光波。该光纤光栅230的反射波长即为预设波长，因此反射回第二环形器13的第二端口b2的光线即为预设波长的光信号。请参见图5所示，宽谱光源被第二端口a2上的光纤光栅230滤波后形成窄带光波。
74.需要说明的是，设置光源调制单元10的目的是，为了调制产生预设波长的光信号，对于光源调制单元10的具体构造并不限于此。
75.在本公开的一些实施例中，如图4所示，所述处理单元30可以包括光电感应器31及处理器32，光电感应器31用于将光信号转换为电信号，其可连接至第一液位传感器22和第二液位传感器23的输出光纤220上；处理器32连接至光电感应器31，用于接收来自光电感应器31的电信号，并根据所述电信号，判断当前液位信息。
76.此外，在本公开的一些实施例中，如图3所示，用于盛放待测液体的容器40上设有警戒液位线b；第一液位传感器22设置于警戒液位线b处，且第一液位传感器22的光纤光栅组件200的初始反射波长被配置为等于预设波长，处理单元30具体用于当接收到来自第一液位传感器22的光线信息时，判断当前液位到达警戒液位线b；第二液位传感器23设置于容器40的底部，且第二液位传感器23的光纤光栅组件200的初始反射波长不等于预设波长，处理单元30具体用于根据接收到来自第二液位传感器23的光线信息，计算当前液位值，光线信息包括光强值。
77.上述方案中，第一液位传感器22被配置为当前液位低于警戒液位线b时，第一液位传感器22中压力膜组件100不受压。此时，第一液位传感器22的压力膜组件表面可与警戒液位线b处于同一水平面。液位未达到警戒液位线b的情况下，第一液位传感器22不会浸入待测液体中，仅第二液位传感器23可被浸入待测液体中，因此，第一液位传感器22的压力膜组件100不受压，其反射波长不会发生偏移，而保持在初始反射波长。第二液位传感器23设置于容器40的底部，只要容器40中有液体，其压力膜组件100即会受压变形，而使反射波长发生偏移。
78.在容器40中液位未达到警戒液位线b的情况下，窄带光波进入第一环形器21的第一端口a1，并先到达第一环形器21的第二端口a2，即先传播至第一液位传感器22，由于第一液位传感器22所采用的光纤光栅230的反射波长不会发生偏移，且初始反射波长等于窄带光波的波长，即λ1＝λ0，λ1为第一液位传感器22中的初始反射波长，λ0为预设波长，因此窄带光波到达第一液位传感器22的光纤光栅230后，会完全反射回第一环形器21的第二端口a2，此时，处理单元30接收到来自第一液位传感器22的透射光线光强值为零。因此，当处理单元30接收到来自第一液位传感器22的透射光线光强值为零时，则判断当前液位处于警戒水位线下。
79.当溶液中液位为零时，从第一液位传感器22的光纤光栅(fbg1)反射回第一环形器21的窄带光波，到达第一环形器21后从第一环形器21的第三端口a3传输至第二液位传感器23，其中第二液位传感器23中光纤光栅(fbg2)的初始反射波长结构λ2，λ2≠λ0，如图6中(a)所示，此时窄带光波全部透射过第二液位传感器23的光纤光栅(fbg2)，处理单元30此时检测到来自第二液位传感器23的透射光线光强值最大。
80.当容器40内开始注入液体后，、第二液位传感器23中压力膜组件100受到液体施加压力导致形变，通过转换组件300使得第二液位传感器23中光纤光栅(fbg2)被纵向拉伸，反射波长λ2开始偏移，如图6中(b)所示，此时预设波长λ0的窄带光波部分光被反射，剩下的光
透射而被光电感应器31检测到，此时检测到光强值较初始值偏小；当容器40进一步注入液体后，液压逐步增大，直至到达极限值，此时反射波长λ2＝λ0，窄带光波到达该第二液位传感器23的光纤光栅(fbg2)后全部被反射回第一环形器21，此时，如图6中(c)所示，光电感应器31检测到来自第二液位传感器23的光强值为零。这个过程，光电感应器31将检测到来自第二液位传感器23输出的透射光线的光强值大小，转换为相应的电信号，并发送至处理器32，处理器32根据检测透射光线的光强值大小，计算出容器40内当前液位液压。
81.当液体水位到达警戒水位线时，此时第一液位传感器22中的压力膜组件100开始受液体压力作用，其光纤光栅230的反射波长开始发生偏移，使得窄带光波到达光纤光栅230的一部分光透射出去，从而被光电感应器31检测到光信号，因此，光电感应器31只要检测到来自第一液位传感器22的透射光线，则处理器32即会判断当前液位到达警戒液位线b。一个实施例中，处理器32可发出表征液位到达警戒液位线b的报警信号，以提醒相关人员。
82.在本公开的一个示例性的实施例中，图1所示为第一液位传感器22的结构示意图，图2所示为第二液位传感器23的结构示意图。其中，如图1和图2所示，第一液位传感器22相比第二液位传感器23，支点枢轴a与杠杆本体321的第一端321a之间的轴向距离更近。
83.根据杠杆原理，在相同杠杆本体321长度且同等液体压力作用下，杠杆本体321的第一端321a与支点枢轴a之间的轴向距离越近，杠杆本体321的第一端321a行程越小，则液位传感器的量程越小；但是，杠杆本体321的第二端321b行程会越大，光纤光栅230纵向拉伸量会越大，因此反射波长漂移量会越大，液位传感器会更敏感。反之，杠杆本体321的第一端321a与支点枢轴a之间的轴向距离越远，杠杆本体321的第一端321a行程越大，则液位传感器的量程越大；但是，杠杆本体321的第二端321b行程会越小，光纤光栅230纵向拉伸量会越小，因此反射波长漂移量会越小，液位传感器敏感度会越小。
84.采用上述方案，处理单元30根据是否接收到来自第一液位传感器22的透射光线来判断液位是否到达警戒液位线b，而通过计算来自第二液位传感器23的透射光线光强值，来得到液位液压值，第一液位传感器22对敏感度要求更高，而第二液位传感器23对量程要求更大，因此，第一液位传感器22相比第二液位传感器23，支点枢轴a与杠杆本体321的第一端321a之间的轴向距离更近。
85.需要说明的是，以上仅是提供了一种示例性的实施例中，在本公开的其他实施例中，第一液位传感器22的初始反射波长λ1也可以与预设波长λ0不相同。此时，预设波长的光信号一部分会被第一液位传感器22的光纤光栅230反射回第一环形器21，另一部分会被透射出去而被光电感应器31检测到。当液位未达到警戒液位线b时，光电感应器31中接收来自第一液位传感器22的透射光线具有第一初始光强值。若液位到达警戒液位线b时，则光电感应器31中接收来自第一液位传感器22的透射光线的光强值发生变化时，处理单元30可根据当前接收到来自第一液位传感器22透射光线的光强值是否为第一初始光强值，判断液位是否到达警戒液位线b。
86.同样的，第二液位传感器23的初始反射波长λ2也可以等于预设波长λ0。当液位为零时，预设波长λ0的窄带光波全部被第二液位传感器23的光纤光栅230反射，透射光线的光强值为0。当容器40中注入液体时，第二液位传感器23的反射波长发生偏移，部分光线被透射出去，因此处理单元30接收到来自第二液位传感器23的透射光线的光强值开始从0变化。这个过程，光电感应器31将检测到来自第二液位传感器23输出的透射光线的光强值大小，转
换为相应的电信号，并发送至处理器32，处理器32根据检测透射光线的光强值大小，计算出容器40内当前液位液压。
87.此外，本公开实施例还提供了一种液位监测方法，所述方法包括如下步骤：
88.步骤s01、调制产生预设波长的光源；
89.步骤s02、将液位传感器的输入光纤210接收光源，输出光纤220输出光信号中与反射波长不同的透射光线；
90.步骤s03、根据来自输出光纤220输出的透射光线信息，判断当前液位信息。
91.示例性的，上述步骤s03具体包括：
92.步骤s031、当接收到来自第一液位传感器22的光线信息时，判断当前液位到达警戒液位线b；
93.步骤s032、根据接收到来自第二液位传感器23的光线信息，计算当前液位值，光线信息包括光强值。
94.显然，本公开实施例所提供的液位监测方法也能够带来本公开实施例所提供的液位监测装置所带来的有益效果，在此不再赘述。
95.有以下几点需要说明：
96.(1)本公开实施例附图只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计。
97.(2)为了清晰起见，在用于描述本公开的实施例的附图中，层或区域的厚度被放大或缩小，即这些附图并非按照实际的比例绘制。可以理解，当诸如层、膜、区域或基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”或者可以存在中间元件。
98.(3)在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。
99.以上，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种液位传感器，其特征在于，包括：压力膜组件，被配置为随其所承受的待测液体压力变化而产生不同形变量；光纤光栅组件，包括输入光纤、输出光纤及连接至所述输入光纤与所述输出光纤之间的光纤光栅，其中所述光纤光栅可拉伸，且其反射波长随所述光纤光栅的拉伸量变化而改变；及转换组件，连接至所述压力膜组件及所述光纤光栅之间，且被配置为能够将所述压力膜组件的形变量转换为所述光纤光栅的拉伸量。2.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于，所述转换组件包括：连杆构件，连接至所述压力膜组件，以随所述压力膜组件的形变而移动；杠杆构件，包括杠杆本体及支撑件，所述杠杆本体的中部设有支点枢轴，所述支点枢轴由所述支撑件支撑，所述杠杆本体的相对两端分别为第一端和第二端，所述第一端枢接至所述连杆构件上，所述光纤光栅沿其拉伸方向上的一端被固定，另一端连接至所述第二端。3.根据权利要求1所述的液位传感器，其特征在于，所述液位传感器还包括具有内腔的壳体，所述壳体顶部设有开口，所述压力膜组件设置于所述开口处，所述光纤光栅及所述转换组件容置于所述壳体内。4.根据权利要求3所述的液位传感器，其特征在于，所述壳体上设有第一穿孔和第二穿孔，所述输入光纤经由所述第一穿孔伸出至所述壳体外，所述输出光纤经由所述第二穿孔伸出至所述壳体外。5.一种液位监测装置，其特征在于，所述液位监测装置包括：光源调制单元，用于调制产生预设波长的光信号；感应单元，包括至少一个如权利要求1至4任一项所述的液位传感器，所述液位传感器的输入光纤连接至所述光源调制单元，以接收所述光信号；所述输出光纤用于输出所述光信号中波长与所述反射波长不同的透射光线；及处理单元，所述处理单元连接至所述感应单元，用于根据来自所述输出光纤输出的透射光线信息，判断当前液位信息。6.根据权利要求5所述的液位监测装置，其特征在于，所述感应单元包括：第一环形器，所述第一环形器包括沿光路方向依次设置的第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口连接至所述光源调制单元；及两个所述液位传感器，两个所述液位传感器包括第一液位传感器及第二液位传感器，所述第一液位传感器的输入光纤连接至所述第二端口、且输出光纤连接至所述处理单元，所述第二液位传感器的输入光纤连接至所述第三端口、且输出光纤连接至所述处理单元；其中，以所述压力膜组件受到液体压力为阈值时，所述光纤光栅组件的反射波长记为初始反射波长，所述第一液位传感器及所述第二液位传感器中的初始反射波长不相等，且所述第一液位传感器及所述第二液位传感器中至少一者的光纤光栅组件的初始反射波长不等于所述预设波长。7.根据权利要求6所述的液位监测装置，其特征在于，用于盛放待测液体的容器上设有警戒液位线；所述第一液位传感器设置于所述警戒液位线处，所述第一液位传感器的光纤光栅组件的初始反射波长等于所述预设波长，所述处理单元具体用于当接收到来自所述第
一液位传感器的光线信息时，判断当前液位到达警戒液位线。8.根据权利要求7所述的液位监测装置，其特征在于，所述第二液位传感器设置于所述容器的底部，且所述第二液位传感器的光纤光栅的初始反射波长不等于所述预设波长，所述处理单元具体用于根据接收到来自所述第二液位传感器的光线信息，计算当前液位值，所述光线信息包括光强值。9.根据权利要求7所述的液位监测装置，其特征在于，应用于如权利要求2所述的液位传感器时，所述第一液位传感器相比所述第二液位传感器，所述支点枢轴与所述杠杆本体的所述第一端之间的轴向距离更近。10.根据权利要求5所述的液位监测装置，其特征在于，所述光源调制单元包括沿光路依次设置的宽带光源、隔离器和第二环形器，所述第二环形器包括沿光路方向依次设置的第一端口、第二端口和第三端口，所述第一端口连接至所述宽带光源，所述第二端口上连接有作为滤波器的光纤光栅，所述第三端口连接至所述感应单元。11.一种液位监测方法，其特征在于，应用于如权利要求6至10任一项所述的液位监测装置，所述方法包括如下步骤：调制产生预设波长的光源；将所述液位传感器的输入光纤接收所述光源，所述输出光纤输出所述光信号中波长与所述反射波长不同的透射光线；根据来自所述输出光纤输出的透射光线信息，判断当前液位信息。12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，应用于如权利要求8所述的液位监测装置，所述根据来自所述输出光纤输出的透射光线信息，判断当前液位信息，具体包括：当接收到来自所述第一液位传感器的光线信息时，判断当前液位到达警戒液位线；根据接收到来自所述第二液位传感器的光线信息，计算当前液位值，所述光线信息包括光强值。

技术总结
本公开提供一种液位传感器、液位监测装置及方法，该液位传感器包括：压力膜组件，被配置为随其所承受的待测液体压力变化而产生不同形变量；光纤光栅组件，包括输入光纤、输出光纤及连接至输入光纤与输出光纤之间的光纤光栅，光纤光栅可拉伸且其反射波长随拉伸量变化而改变；转换组件，连接至压力膜组件及光纤光栅之间，且被配置为能够将压力膜组件的形变量转换为光纤光栅的拉伸量。本公开实施例提供的液位传感器、液位监测装置及方法，能够利用光纤光栅实现液压监测，提高检测精度。提高检测精度。提高检测精度。


技术研发人员：朱敬光 林剑涛 黄雅雯 邱鑫茂 李宗祥 陶文昌 刘耀
受保护的技术使用者：京东方科技集团股份有限公司
技术研发日：2023.07.26
技术公布日：2023/10/15