一种缠绕式光纤液位传感器及其液位确定方法

液位测量是经济生产活动中的重要参数之一。目前已有的液位测量方法多达二十余种，但受到防爆要求的限制，许多采用电学原理的液位传感器存在安全隐患。光纤液位传感器作为后起之秀，借助光纤体积小、重量轻、本质绝缘以及抗电磁干扰等优点，在易燃易爆液体液位测量领域得到了广泛应用。目前广泛研究及应用的光纤液位传感器主要有三类。第一类是基于浮子码盘式的液位传感器，它通过跟随液位浮动的浮子带动码盘转动，进而将液位变化调制成光强的变化信号，通过对光强的转换、识别和计数就可以得到液位的变化量。此类方法能够将连续的液位变化信号转换成数字信号，具有良好的抗干扰性能，但它只适合固定储罐的液位测量，运动储液罐自身的加速度会对测量产生严重影响。

第二类是基于测量液体压力的液位测量方法，它利用光纤微弯损耗、光纤布拉格光栅或者光纤法布里珀罗腔来测量液压，进而转换成相应的液面高度。此类方法是真正意义上的连续测量，但也容易受到液面倾斜波动、储液罐自身加速度以及液体温度的影响。第三类是基于光纤泄露耦合的液位传感器，它通过在光纤侧面或光纤端头进行特殊处理，使其在不同折射率的介质中发生程度不同的光泄露传播，进而通过检测泄露光强或耦合后的光强来表征液位变化。此类方法针对不同的测量液体或不同浓度的同种液体需要重新标定，且大多数输出结果存在非线性。目前在航空航天等领域迫切需要测量精度高、不受液面倾斜波动、储液罐自身加速度以及液体浓度温度影响的液位传感器。

本发明提供了一种具有自标定功能的缠绕式光纤液位传感器及液位确定方法。该传感器具有很高的测量精度，不受储液罐自身加速度和温度影响，通过自标定功能消除了被测液体温度浓度变化对测量的影响，特别适合航空航天领域燃料液位的测量。该传感器包括光源、传输光纤、等比分光器、圆柱形结构体、缠绕并固定在圆柱形结构体上端的上端标定光纤、缠绕并固定在圆柱形结构体中部的测量光纤、缠绕并固定在圆柱形结构体下端的下端标定光纤以及光强探测设备。在上端标定光纤、测量光纤和下端标定光纤上分别形成泄光条。光源通过传输光纤与等比分光器的输入端相连，等比分光器的三个输出端分别通过传输光纤与上端标定光纤、测量光纤和下端标定光纤的输入端相连。三根光纤的输出端通过传输光纤分别与光强探测设备相连。

上端标定光纤和下端标定光纤的缠绕圈数和加工特征完全相同，测量光纤的加工特征与标定光纤相同。两个标定光纤泄光条的加工特征与测量光纤的泄光条也相同。上端标定光纤始终处在空气中，下端标定光纤始终处于待测介质中。通过光强探测设备对三根光纤的输出光强进行探测并计算液位。圆柱形结构体的直径大于四十毫米，其材料的热膨胀系数与缠绕光纤的热膨胀系数相近。三根光纤上的泄光条分别为多条斜光条，这些泄光条在圆柱形结构体的圆周方向等间距分布。

利用该传感器确定液位的方法是将圆柱形结构体放置于待测介质中，使上端标定光纤始终处在空气中，下端标定光纤始终处于待测介质中。通过光强探测设备获得上端标定光纤的光强输出、下端标定光纤的光强输出以及测量光纤的光强输出，再通过特定公式计算液位高度。该传感器价格低廉、无移动件、本质防爆、抗电磁干扰，同时具有很高的测量精度，理论测量精度达到微米级，测量范围和分辨率可以根据需求进行方便调整。由于具有自标定功能，该传感器可以实现免标定更换测量介质，大大提高了使用的灵活性和便利性。