本發明屬于光纖傳感技術，材料科學，光電子技術以及聲波導技術的交叉領域，涉及到器件封裝和光電檢測技術，具體為一種采用聲光耦合的方式實現大量程液位測量的光纖液位傳感器系統。

背景技術：

液位傳感器是用來檢測液體高度的測量儀器，在液體生產、存儲、轉移和使用過程中被普遍使用，特別對于極低溫、高溫、強腐蝕性、劇毒、易揮發和可燃等這幾類高危液體，對液位的傳感監控幾乎是必不可少的，準確的液位監測，有助于安全生產，并在有泄漏風險時及時報警。

在液位傳感器中，普遍使用光纖液位傳感器進行特殊的液體環境中的液位測量，例如采用光纖布拉格光柵(fbg)實現液位測量。光纖液位傳感器相較傳統的機械、電學傳感器具有明顯的優勢，諸如，其具有耐極低溫和相對高溫特性，通常，光纖材料主要成分采用二氧化硅制成，由于二氧化硅耐溫性，所以傳統光纖液位傳感器可測低至液氦溫度，高至800度的寬溫度范圍，遠遠超出傳統機械、電學傳感器的使用溫度范圍；其次，其具有高強的耐腐蝕性，一般情況下，除氫氟酸等強酸外，一般強酸或強堿溶液基本都無法腐蝕光纖。另外，光纖液位傳感器還具有非導電性，因此光纖液位傳感器還可用于導電液體的測量。

光纖傳感器用于液位測量的基本原理是，利用光纖測量手段測量液位的變化，然后將液位信息按照一定的規律轉化成電、光、壓力、或其它信息的信號并輸出，從而實現以滿足信息的傳輸、處理、存儲和反饋控制等要求的液位測量。

現有技術中，與光纖相關的液位傳感器（也稱為光纖液位傳感器）包括四大類。第一類，機械式光纖液位傳感器，其中，光纖僅簡單作為直徑小、重量輕、耐高低溫、耐腐蝕的“刻度線”使用。光纖一端連接在浮體結構（液位傳感器主體）上，另一端連接機械伸縮機構。隨著液面浮體結構的位置變化，將導致光纖的長度發生變化。通過記錄光纖的物理長度，即可實現液位測量。第二類，光柵式光纖液位傳感器，其中，光纖本身作為傳感器探頭的單點液位傳感器，其類似于液位開關，一般使用光纖光柵（如專利文獻cn101194160a所記載）、光纖法布里玻羅干涉腔或者表面刻有微結構的光纖來探測液位，當液位到達不同的光柵或微結構位置時，會導致光學特性發生改變，從而以此來測量液位的變化。第三類，傳輸式光纖液位傳感器，該方案中，光纖僅作為光信號的載體使用，通過在光纖端面安裝或加工微結構探頭，例如壓力、折射率變化或溫度探頭等，利用這些探頭探測液位的變化，并將探測到的液位信息轉換為光信號，經光纖傳導進入信號解調系統，從而實現液位測量（諸如專利文獻cn103918288a所記載）。第四類，分布式光纖液位傳感器，其特征在于，在光纖上高密度連續加工光纖光柵或分布式光纖振動傳感器（例如專利文獻wo2015/128680a1所記載），在使用光纖光柵方案中，光柵在液面內外感應不同物理狀態，通過檢索光柵光譜解調光纖光柵找跳躍點來確認液位。該方案中，光纖光柵的位置是固定的，對光纖光柵的分布密度（或光柵間距）依賴程度較大，是一種準分布式的測量方案。

然而，現有技術中尚不存在一種真正意義上的能夠對液位進行全分布式測量的光纖液位傳感器解決方案，換言之，還不存在這樣的一種僅使用一根光纖，即可完成加注液位和剩余液位的測量的光纖液位傳感器解決方案。在現有技術中，為了解決該問題，通常需要使用兩種不同的液位傳感器來解決。另外，現有技術中也極少提供在極端環境下使用的普適解決方案，可測液氫，液氧，液氦，導電液體以及高溫核反應堆水位等。

同時，現有技術中也不存在引入聲光光纖耦合方式的光纖液位傳感器。查閱全球專利文獻以及權威期刊均無相關報道。原理上講，超聲波（當壓電換能器加上高頻電壓時,壓電換能器的振動會在媒質中產生超聲波）在透明媒質中傳播時,媒質折射率發生空間周期性變化,使通過媒質的光線發生改變的現象,稱為聲光效應。當聲波頻率增高,且光束寬度比聲波波長大得多時,這種折射率的周期性變化起著光柵的作用,使入射光束發生聲光衍射,光束通過聲場后,出射光束的一側出現較強的一級衍射光,稱為聲光布喇格衍射。當超聲波穿過固體媒質時,媒質分子電偶極矩發生變化,從而使媒質的折射率發生周期性變化,形成折射率光柵（即超聲光柵)。

本發明正是提出一種基于聲光光纖耦合方式的光纖液位傳感器，即真正意義上的能夠對液位進行全分布式測量的光纖液位傳感器解決方案，是一種在極端環境下使用的普適解決方案。

技術實現要素：

鑒于上述技術問題，本發明目的在于提供一種能夠在極端環境下使用的大量程的光纖液位傳感器系統，該系統能夠對液位進行全分布式測量，僅使用一根光纖，即可完成加注液位和剩余液位的測量，可測液氫，液氧，液氦，導電液體以及高溫核反應堆水位等。

具體的，本發明解決該技術問題采用以下的技術方案：

一種聲光耦合的光纖液位傳感器系統，其特征在于，包括伸入待測液體內部的光纖、設置于光纖一端用于將光波與聲波同時耦合進入光纖的耦合結構、覆蓋于光纖表面的與待測液體不相親的涂覆層、以及聲光信號解調系統，其中，光纖的另一端為自由端，懸垂在待測液體中。

根據本發明上述的聲光耦合的光纖液位傳感器系統，其特征在于，聲波與光波均從光纖的一端耦合進入系統，光纖的另一端為自由端懸垂在液體中。

根據本發明上述的聲光耦合的光纖液位傳感器系統，其特征在于，在聲波耦合進入所述光纖的連接處，在所述光纖外部設置有聲波耦合套管。該聲波耦合套管與所述光纖間使用可固化膠粘接或采用激光熔接連接，從而固定其相對位置。該聲波耦合套管外形被設計或打磨成特定形狀，優選為適配光纖并適于安裝壓電陶瓷的形狀，從而有益于提高聲波耦合效率。

根據本發明上述的聲光耦合的光纖液位傳感器系統，其特征在于，所述聲學耦合套管外再安裝一片或多片壓電陶瓷片。優選使用兩片相對安裝的壓電陶瓷，可實現各種聲波耦合進入光纖的模式。所述聲波耦合套管外安裝的一塊或多塊壓電陶瓷片作為聲波發生器件產生聲波。

根據本發明，為避免光纖外懸掛的液滴對液位的影響，光纖外表面優選覆蓋與待測液體不相親的涂覆層。

根據本發明，還包括聲光信號解調系統，用于對耦合進入光纖的聲波、光波信號進行解調。所述聲光信號解調系統主要由該光環行器和波長調節系統組成。當聲學光柵在光纖中向前傳播光線時，與寬譜光源傳播的光線耦合，并且僅反射特定波長的光波，該波長滿足光柵布拉格衍射條件。該特定波長的反射光，經過光環形器進入波長解調系統中進行解調。當聲波形成的長周期光柵傳播至液氣界面時，聲波傳播速度發生改變，進而引起長周期聲學光柵的柵距發生變化，由此在光學特性上表現為反射光波長發生突變，這一現象將被持續監測的波長解調系統捕獲，通過計算起始聲波發生與波長突變的時間間隔，從而即可換算出液面高度。

根據本發明，在某些特殊情況下，例如儲液罐有橫向加速度或液體呈現強烈振動時，為保證光纖處在液體中的相對穩定位置，可以在光纖自由懸垂端加載重物，或者將其與儲液罐底部連接。換言之，所述光纖自由懸浮端加載重物，或者與待測液體的儲液罐底部連接，以避免所述光纖在具有橫向加速度或者外界強擾動的情況下側向移動。

如上所述，根據本發明提供的光纖液位傳感器系統，是基于聲光耦合的原理，使用壓電陶瓷把聲波耦合進入光纖，并在光纖中形成一個沿光纖傳播的聲學光柵。其中，聲學光柵的生產是基于超聲造成的固體折射率變化。由于光纖本體又是一個聲學波導，選擇合適的超聲波頻率，在光纖中就能形成聲學長周期光纖光柵。該長周期光纖光柵與寬譜光耦合后，可實現特定波長的光反射。當聲學波傳播至液氣交界面時，會形成不連續的聲學波模式，造成的效果是聲光的耦合效果略有變化，在光學特性上體現為反射光的波長產生變化。通過檢測光波長突變的反射時間，并根據聲波在光纖中的傳播速度，即可計算出液位高度。根據本發明，避免了普通分布式光纖光柵液位傳感中需要在光纖中使用物理方法連續刻寫光柵的弊端，也克服了使用普通長周期光纖光柵方案量程過小，僅限于光纖光柵長度內的缺點。另一方面，本發明用聲波在光纖中僅產生一個動態傳播的聲波光柵，根據本發明可大幅度降低成本，無需對光纖本身進行改造。另外，本發明的液位測試量程可拓展至聲學光柵有效傳播距離，約可達數十米。同時，根據本發明，由于聲速遠遠低于光速，計算液位使用的是聲波傳播時間間隔，而不是光波傳播時間間隔，對時間測量的精度需求降低了五個數量級，由此可大大降低硬件設計的成本。根據本發明，給出足夠精確的時間測量，即可實現高精度的分布式測量。

根據本發明的光纖液位傳感器系統，可以實現超小尺寸，具有非金屬特性，非導電特性，耐腐蝕性，耐高低溫特性，能夠實現大量程連續測量，并且成本低廉。根據本發明，在利用所述光纖液位傳感器檢測極端環境下的液位場合，例如檢測液氫、液氧、液氦、核反應堆水位、以及導電液體時，較常規液位傳感器有極大的優勢。另外，根據本發明，能夠提供一種接觸式測量技術，與諸如聲學或光學的非接觸式測量相比，能夠避免由于液面上方環境變化而對測量造成影響，例如蒸汽，氣流擾動，粉層等吸波或散射等因素的影響，因此具有很高的可靠性。

附圖說明

圖1為本發明具體實施方式的光纖液位傳感器系統中使用的聲光耦合結構的45度角外觀示意圖。

圖2為本發明具體實施方式的光纖液位傳感器系統中使用的聲光耦合結構的垂直于中軸線的橫截面示意圖。

圖3a～3c為本發明具體實施方式的光纖液位傳感器系統中使用壓電陶瓷產生各種聲學波模式的示意圖。

圖4為本發明具體實施方式的光纖液位傳感器系統的聲光信號解調系統結構示意圖。

具體實施方式

下面將參照附圖結合具體實施例對本發明作出詳細的說明，本領域技術人員懂得，該說明是示例性的，本領域技術人員能夠對本發明作出各種修飾和變更，本發明并不僅限于該具體實施方式。

圖1為本發明具體實施方式的光纖液位傳感器系統中使用的聲光耦合結構的45度角外觀示意圖。圖2為本發明具體實施方式的光纖液位傳感器系統中使用的聲光耦合結構的垂直于中軸線的橫截面示意圖。

如圖1、圖2所示，圖中示出的均為聲波耦合進入光纖結構的狀態圖，在圖中示出了所述光纖液位傳感器系統包括光纖1，光纖外套管2（聲波耦合套管），壓電陶瓷3，紫外可固化膠4，其他種類粘膠5。在本發明具體實施方式中，所述光纖液位傳感器系統為一種聲光耦合的光纖液位傳感器系統，所述光纖1伸入待測液體內部，在所述光纖1的液面外一端，設置有聲光耦合結構，該聲光耦合結構包括光纖外套管2及壓電陶瓷3在內的構件組成的聲波耦合結構和光耦合結構（未圖示），用于將光波與聲波同時耦合進入光纖。在本發明具體實施方式中，光纖1，光纖外套管（聲波耦合套管）2及壓電陶瓷3這三種構件，其相對位置通過使用紫外可固化膠4和其它種類膠5進行固定。圖1、圖2所示的耦合結構，被安裝在圖4中的附圖標記3（壓電陶瓷）所示出的位置，和其他部件一起構成本發明的聲光耦合的光纖液位傳感器系統。在所述光纖1的外表面，涂覆了一層與待測液體不相親的涂覆層（未圖示），另外，該光纖液位傳感器系統還包括聲光信號解調系統（如圖4所示，后面將詳述），用于對產生的聲、光信號進行解調。

如上所述，在本發明具體實施方式中，在所述光纖1的液面外一端，設置有包括光纖外套管2及壓電陶瓷3在內的構件組成的聲波耦合結構和光耦合結構，用于將光波與聲波同時耦合進入光纖，也就是說，該耦合結構中不但包括聲波耦合結構還包括光耦合結構。所述光耦合結構可以采用常規光耦合器件，其所處位置如圖4中附圖標記6所示，在圖4中，附圖標記6例示為寬譜光源。最簡單的光耦合結構諸如采用帶有光纖尾纖輸出的激光器的結構。除此之外，也可以使用透鏡將空間激光聚焦進入光纖纖芯，或者使用帶光纖尾纖輸出的光分路器等等。而聲波耦合結構則采用上述的光纖外套管2配合安裝壓電陶瓷3的結構。如圖4所示，本發明中，作為聲波耦合結構（附圖標記3所示出的位置）與光耦合結構（附圖標記6所示出的位置），都設計在光纖液面外，并且處于同一根光纖上。實際工作時，這兩結構同時向光纖中耦合聲信號及光信號。一般而言，光耦合結構與聲波耦合結構不會完全處于同一位置。由于光纖中光速遠大于聲速，且數據采集是基于聲波傳播時間的，因此，這兩結構的位置偏差造成的時間誤差可忽略不計。從這種意義上講，本發明具體實施方式中，將光波與聲波同時耦合進入光纖的耦合結構可以視為將所述光耦合結構和所述聲波耦合結構形成的一體成型結構。

在本發明具體實施方式中，在聲波耦合進入所述光纖1的連接處，在所述光纖外部設置聲波耦合套管2。該聲波耦合套管2（即光纖外套管2）與所述光纖1間使用可固化膠粘接4或采用激光熔接連接。該聲波耦合套管2外形被設計或打磨成特定形狀，優選為適配所述光纖1并適于安裝所述壓電陶瓷3的形狀，從而有益于提高聲波耦合效率。

在本發明具體實施方式中，聲波與光波均從所述光纖1的一端耦合進入系統，所述光纖1的另一端為自由端，懸垂在待測液體中。

在本發明具體實施方式中，所述光纖外套管2（即聲波耦合套管），其內徑比所述光纖1外徑稍大。為達到最優的聲學耦合效果，所述聲波耦合外套管安放至預定位置后，使用液體形式的紫外可固化膠4填充所述套管與光纖的間隙，然后將其固化。這一間隙也可用低溫玻璃等可固化液體進行填充。

在本發明具體實施方式中，所述聲學耦合套管外可以安裝一片或多片壓電陶瓷片3。優選使用兩片相對安裝的壓電陶瓷3，可實現各種聲波耦合進入光纖的模式。

根據本發明，為避免所述光纖1外懸掛的液滴對液位的影響，所述光纖1外表面優選覆蓋與待測液體不相親的涂覆層。作為這樣的涂覆層，現有技術中有很多這樣的材料能夠實現，本發明中根據應用場合而可以選擇任何能夠實現與待測液體不相親的材料作為該涂覆層材料，目前較為流行的是采用納米涂層材料，其為能夠促使任何液體從物體表面反彈出去的納米涂層，當諸如油類、有機堿溶劑、液氫、液氧、液氦、核反應堆水位、以及導電液體等液體中浸入該光纖時，涂覆于該光纖表面的涂覆層會排斥這些液體，從而不會在該涂覆層上附著該被測液體的液滴。

根據本發明，在某些特殊情況下，例如儲液罐有橫向加速度或液體呈現強烈振動時，為保證光纖處在液體中的相對穩定位置，可以在光纖自由懸垂端加載重物（未圖示），或者將其與儲液罐底部連接。

根據本發明，作為紫外可固化膠，可以采用市售的普通的紫外固化膠，通常通過合成ipdi、hea、低聚物二元醇成為不同結構聚氨酯丙烯酸酯預聚體并添加適量助劑制成，主要由光敏劑、活性稀釋劑和預聚物組成，光敏劑在適當波長和光強的紫外線照射下，迅速分解成自由基或陽離子，進而引發不飽和鍵聚合，使材料固化。本發明中具體實施方式中，通過使用液體形式的紫外可固化膠，填充于所述聲波耦合外套管與光纖之間的間隙中，然后進行固化，從而將所述套管與光纖固化連接。

作為其他種類粘膠5，可以采用各種各樣的除了紫外固化膠之外的粘接膠，例如通用的粘接膠，常溫固化型環氧樹脂粘接劑，對于金屬、陶瓷、木材、玻璃、纖維制品以及硬質塑膠之間的封裝粘接具有優異的粘接強度。在本發明中具體實施方式中，如圖1所示，為使得壓電陶瓷3與光纖外套管2接觸良好，在該外套管2外周面局部打磨出平面，以方便用粘接膠5將兩者進行固定連接。

圖3a～3c為本發明具體實施方式的光纖液位傳感器系統中使用壓電陶瓷3產生各種聲學波模式的結構示意圖。如圖3a～3c所示，圖中所描述結構為在聲波耦合外套管2上僅粘貼兩片壓電陶瓷3的示例。壓電陶瓷3片數可以粘貼1片或者多片，為了便于說明，附圖中以粘貼兩片作為示例。通過控制壓電陶瓷3的振動方向，可以實現聲波耦合進入光纖的各種模式。其中，圖3a～3c中的箭頭指示在某一時刻，壓電陶瓷的振動方向。圖3a中，兩壓電陶瓷3振動方向一致，都沿著垂直于光纖軸線的方向，該振動產生橫波；圖3b中，兩壓電陶瓷3振動方向相反，但都沿著垂直于光纖軸線的方向，該振動產生旋轉波；圖3c中，兩壓電陶瓷3振動方向一致，且都沿著光纖軸線方向，該振動產生縱波。這三種聲波都可以在光纖中產生聲學光柵。但是，不同模式的聲波在光纖中的傳播速度不一樣，需根據相應的聲波模式，調節聲波的發生頻率，從而使聲波光柵滿足長周期光柵的要求，實現與光波的順利耦合。

如圖3所描述的結構，是2片壓電陶瓷相對安裝的方式，其結構簡單，耦合模式容易控制。實際應用中，可使用1片或者多片壓電陶瓷，采取多種安裝方式。例如，如使用3片壓電陶瓷產生縱波，可按等邊三角形方式安裝。通過這樣安裝的方式，同樣也能夠使聲波光柵滿足長周期光柵的要求，實現與光波的順利耦合。

圖4為本發明具體實施方式的光纖液位傳感器系統的聲光信號解調系統結構示意圖。如圖4所示，圖中3為壓電陶瓷，6為光源，7為光環行器，8為壓電驅動器，9為波長調節系統，圖中箭頭表示信號方向。主要由該光環行器7和波長調節系統9組成聲光信號解調系統。所述光源6為寬譜光源，寬譜光源6通過光環形器7向光纖持續輸入光線。另一方面，壓電陶瓷3在壓電驅動器8的驅動下生成一列短的周期性聲學脈沖，該脈沖列形成聲學光柵，與此同時開始計時。其中，為達到較高的位置分辨率，聲波列的長度一般僅為若干毫米。當聲學光柵在光纖中向前傳播光線時，與寬譜光源傳播的光線耦合，并且僅反射特定波長的光波，該波長滿足光柵布拉格衍射條件。該特定波長的反射光，經過光環形器7進入波長解調系統9中進行解調。當聲波形成的長周期光柵傳播至液氣界面時，聲波傳播速度發生改變，進而引起長周期聲學光柵的柵距發生變化，由此在光學特性上表現為反射光波長發生突變，這一現象將被持續監測的波長解調系統9捕獲，由此同時結束計時。通過計算起始聲波發生與波長突變的時間間隔，從而即可換算出液面高度。

如上所述，為避免光纖表面懸掛的液滴影響測試結果，光纖表面均勻覆蓋一層與待測液體不相親的涂覆層。

根據本發明，由于本系統可采用廉價的壓電陶瓷和發光二極管分別作為聲波發生器和寬譜光源，因此可以極大的降低傳感器系統成本。根據本發明的傳感器，使用的光纖直徑可達約125微米，可以采用無機非金屬材料制作，物理化學性質非常穩定，可以耐受極端環境，耐受極低溫，可用于檢測核電站反應堆水位。另一方面，由于其不導電特性可兼容電解槽內液位的測量需求，所以具有重要的應用價值。

綜上所述，通過具體實施方式對本發明作出了詳細的描述，然而，本領域技術人員懂得，可以在本發明內容的基礎上作出各種修飾和變更，只要不脫離本發明宗旨和精神，所作出的這些修飾和變更均應當落入本發明的保護范圍之內，本發明的保護范圍由所附權利要求限定。