一种基于光纤光栅的液体密度传感器的制作方法

本技术属于光纤传感，特别涉及一种基于光纤光栅的液体密度传感器。

背景技术：

1、光纤光栅是通过强激光照射使其纤芯内的纵向折射率呈周期性变化，从而形成的衍射光栅。其基本原理是将光纤特定位置制成折射率周期分布的光栅区，于是特定波长的光波在这个区域内将被反射。

2、光纤光栅在传感领域是一种常见的传感元件，光纤光栅中心波长发生变化，由此反映被测量的变化，如温度、应变等。光纤光栅传感器主要的优点包括：(1)抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、电绝缘、防爆。(2)灵敏度高，精度高。(3)质量小、体积小、可挠曲。(4)测量对象广泛。(5)对被测介质影响较小。(6)方便成网，能与现有的光电通信设备构成网络。(7)成本低，插入损耗低、无源。（8）波长绝对编码，分布式安装，组成监测网，多点复用。

3、光纤光栅传感器因其独有的优势，在航空航天、电力工业以及桥梁大型工程的健康监测等领域中有着广泛的应用。航空航天是一个精密的领域，结构的健康监测经历了数年的发展，而光纤光栅传感器也越来越多的应用于飞行器结构的各物理量监测；在电力系统里，有些热故障难以被检测，光纤光栅传感器因其体积较小、与结构接触方便、对待测结构影响小、抗干扰能力出色等优点，成为了用于高压高电流设备状态监测的适合元件，光纤光栅传感器能在强电、磁场环境里运行稳定，适用于电力系统的状态监测中；在桥梁结构的健康监测领域，可以通过将光纤光栅传感器安装在桥梁结构的关键位置，来实现对桥梁结构的危险部位的实时应力状态监测，并通过对承受载荷位置的疲劳寿命的评估，来预估桥梁结构的可使用寿命。

4、物质的质量与它的体积之比在一定的温度、压力条件下是一个常数，这个常数表明物质的性质，称之为物质的密度。自然界中物质的一些基本性质常常通过其自身的密度来体现，直观反映了该物质的硬度、强度、质量等物理指标。密度作为一个重要检测参数，在科学研究、工业生产等领域都有很重要的评估和参考价值。实现密度的实时、在线检测，对构建全自动化工艺检测、控制系统具有重大意义。在石油类产品的使用中，用作航空燃料的矿物油密度的大小和其燃烧性、挥发性息息相关，燃料油的密度必须不超过规定值的上限，避免对飞机的续航能力造成影响；在食品酿造业中，工业酒精和食用酒精的浓度（即密度）都需要精确测定，以保证人身安全和产品真伪；在奶制品等产品质量检验项目中，密度数据是判定是否符合生产标准的必要指标之一。但是传统的密度测量方式较为麻烦，需要手动操作、人工读数，无法实现密度测量和自动化控制；随着传感器、自动化技术的发展，密度测量发生了巨大变化，体现在多个方面：测量方法多样，测量范围广、品种繁多，功能齐全，自动化水平高。实际操作时，在满足测量精度的前提下，应针对不同方法的特点以及待测液体的性质选择最佳方法。然而，对于特殊应用场合，比如易燃易爆液体、有毒有害液体、储罐液体等的长期、实时、高精度的密度监测，现有手段很难完全满足监测需要。

5、针对上述问题，本实用新型提出一种基于光纤光栅的液体密度传感器，将光纤光栅一端与一悬浮体连接固定，另一端悬挂于被测液体容器上方，悬浮体全部浸入被测液体中并保持悬浮状态。当被测液体密度不同时，悬浮于其中的悬浮体所受浮力发生变化，导致与其连接的光纤光栅受力发生变化，由此使得光纤光栅产生伸缩形变，光纤光栅的栅格周期和有效折射率发生相应的变化，从而使光纤光栅的中心波长发生漂移。被测液体密度与光纤光栅中心波长的漂移量成线性递减关系，因此，通过对光纤光栅的中心波长漂移量的测量，可以实现对被测溶液密度的传感。此传感器结构简单、易于操作，能够实现高精度实时测量，尤其对于大型储罐内液体物质、易燃易爆液体、有毒有害液体的密度进行长期监测及品质评定，在多储罐同时监测等方面也具有重要的应用价值。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是：针对现有技术存在的体积偏大、不便携带和操作、实时性差、不适合在线液体密度检测、无法完全满足易燃易爆液体、有毒有害液体、储罐液体等特殊应用场合的长期、实时、高精度的密度监测，提供了一种基于光纤光栅的液体密度传感器。

2、本实用新型为解决技术问题所采取的技术方案为：

3、一种基于光纤光栅的液体密度传感器，其特征在于包括宽带光源、光谱仪、光纤耦合器、传输光纤、光纤光栅、带有中心孔的悬浮体、带有中心孔的悬挂杆。所述的光纤耦合器包含三个端口，其中一侧的两个端口中的一个与宽带光源相连，另一个与光谱仪输入端相连； 所述光纤耦合器另一侧的端口通过传输光纤与光纤光栅相连；光纤光栅尾纤经悬挂杆上的中心孔穿入，与悬挂杆胶粘固定，光纤光栅位于悬挂杆下部、被测液体上部，光纤光栅下部尾纤穿入悬浮体的中心孔，与悬浮体胶粘固定，悬浮体完全浸入被测液体并处于悬浮状态；光谱仪构成光信号解调部分。

4、本实用新型的有益效果为：

5、本实用新型利用光纤光栅为传感头，悬浮体所受向下的重力与向上的浮力和向上的拉力保持平衡。当液体密度变化时，重力加速度与悬浮体体积不变，导致悬浮体所受浮力发生改变。受力平衡致使光纤光栅的拉力发生变化，使光纤光栅应变量改变，光纤光栅的周期和纤芯模的有效折射率也将会发生相应的变化，从而使光纤光栅的中心波长发生漂移。通过对光纤光栅的中心波长漂移量测量实现液体密度测量。

6、（1）能够实现对微小变化的高灵敏度检测，其灵敏度随着悬浮体体积变化可调，可测量同个液体密度均匀性。

7、（2）对于不同环境场所液体密度进行实时在线连续测量，可单人远程操作大大降低了装置结构的复杂性，提高了工作性能的同时还降低了成本。

8、（3）无需电源驱动，被测液体广泛，不受被测液体物理性质的影响，具有良好的长期稳定性和耐久性，抗干扰能力强，能够有效抵抗电磁干扰辐射干扰。因此非常适合对各种液体进行密度测量。

9、（4）耐腐蚀，防爆，对危险有害液体，如石化产品密度测量提供安全监测捷径。

10、（5）多通道设计可以进行多点复用，大型储罐内液体物质的密度进行长期监测及品质评定，以及多储罐同时监测。

技术特征：

1.一种基于光纤光栅的液体密度传感器，其特征在于包括宽带光源、光谱仪、光纤耦合器、传输光纤、光纤光栅、带有中心孔的悬浮体、带有中心孔的悬挂杆；所述的光纤耦合器包含三个端口，其中一侧的两个端口中的一个与宽带光源相连，另一个与光谱仪输入端相连；光纤耦合器另一侧的端口通过传输光纤与光纤光栅相连；光纤光栅尾纤经悬挂杆上的中心孔穿入，与悬挂杆胶粘固定，光纤光栅位于悬挂杆下部、被测液体上部，光纤光栅下部尾纤穿入悬浮体的中心孔，与悬浮体胶粘固定，悬浮体完全浸入被测液体并处于悬浮状态；光谱仪构成光信号解调部分。

技术总结本技术公开了一种基于光纤光栅的液体密度传感器，包括宽带光源、光纤耦合器、光谱仪、传输光纤、光纤光栅、带有中心孔的悬浮体、带有中心孔的悬挂杆。悬浮体所受向下的重力与向上的浮力和向上的拉力保持平衡。基于此，当液体密度变化时，导致光纤光栅的中心波长发生漂移。通过对光纤光栅的中心波长漂移量测量实现液体密度测量。此传感器结构简单、易于操作，能够实现高精度实时测量，尤其对于大型储罐内液体物质、易燃易爆液体、有毒有害液体的密度进行长期监测及品质评定，具有重要的应用价值。技术研发人员：于栋友,候宇晴,赵春柳受保护的技术使用者：峰澜科技（绍兴）有限公司技术研发日：20231120技术公布日：2024/9/26