一种具有温度自补偿功能的地下水位传感器的制作方法

1.本实用新型属于光纤光栅传感技术领域，涉及一种具有温度自补偿功能的地下水位传感器。


背景技术：

2.地下水作为公共饮用水供应的最清洁来源，其安全问题关系着国民安全。地下水位监测是水利部门每年都要进行的重要工作，其目的在于及时了解地下水水位情况，为人民生产和生活用水提供保障。地下水水位和流速必须在现场检测，一般采用人工监测、使用离散流量计和示踪稀释测试，人工监测不仅存在仪器落后、工作效率低、费时费力等问题，而且采集过程依赖于监测人员经验，不能及时掌握地下水动态；将离散流量计置于钻井内检测地下水的流速的方法需考量电磁、声学、叶轮和热脉冲等因素，流程复杂，时间跨度大；使用热示踪法同样可以测量地下水的流速，其优势主要有三个：速度快、成本低并且环境友好，但该方法数据获取困难并且工艺复杂，对某些突发地下水位异常不能起到很好的预警作用。
3.随着光纤光栅传感技术的不断发展，利用光纤光栅传感器测量地下水水位可简化监测流程，大大缩短测量周期，且光纤光栅传感器精度高，能及时有效地获取水位动态，实现精准量测。但目前通用光纤光栅传感器普遍存在温度串扰问题，对于地下水而言，不同深度处的地下水温度不同，其作用也不同，这就导致通用光纤光栅传感器在不同水位和季节变化时的适用性受到限制，因此，必须进一步解决光纤光栅传感器温度敏感性问题。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例的目的在于提供一种具有温度自补偿功能的地下水位传感器，以解决目前地下水水位监测过程中存在的数据获取困难、数据准确性和灵敏度较低以及监测过程中所产生的温度串扰问题。
5.本实用新型实施例所采用的技术方案是：一种具有温度自补偿功能的地下水位传感器，包括：
6.保偏光纤布拉格光栅传感器，所述保偏光纤布拉格光栅传感器的一端固定在支撑板上，保偏光纤布拉格光栅传感器的另一端固定在传感臂上；
7.压力腔，所述压力腔设置于传感臂远离保偏光纤布拉格光栅传感器的一端；
8.其中：
9.压力腔远离保偏光纤布拉格光栅传感器的一端设置过滤网，压力腔通过过滤网与外部连通；
10.压力腔内设置有传感活塞，传感活塞与压力腔靠近传感臂的一端之间设置有弹簧，传感活塞在外力作用下可沿压力腔移动；
11.传感臂远离保偏光纤布拉格光栅传感器的一端贯穿压力腔、弹簧和传感活塞后靠近过滤网，弹簧固定套设在传感臂上；
12.保偏光纤布拉格光栅传感器、传感臂、压力腔和支撑板均设置在传感器外壳内部。
13.进一步的，在弹簧松弛状态下，传感臂远离保偏光纤布拉格光栅传感器的一端贯穿压力腔、弹簧和传感活塞后与过滤网接触。
14.进一步的，过滤网设置在传感器外壳的侧壁上，压力腔与传感器外壳的内壁固定连接。
15.进一步的，传感器外壳外侧底部固定有连接臂；
16.连接臂与外部带动其深入地下水的设备可拆卸连接。
17.进一步的，保偏光纤布拉格光栅传感器的两端通过信号传输线缆与光纤冷接头连接；
18.光纤冷接头固定在传感器外壳外部。
19.进一步的，保偏光纤布拉格光栅传感器为熊猫型光纤布拉格光栅。
20.进一步的，保偏光纤布拉格光栅传感器的工作波长在1548nm ~ 1552nm范围内。
21.进一步的，保偏光纤布拉格光栅传感器的光纤的包层直径为125μm、涂覆层直径为245μm、涂覆层为双层紫外固化丙烯酸树脂。
22.进一步的，弹簧的弹性系数为0.80n/mm，总长度为100mm，自由长度为80mm。
23.进一步的，传感活塞采用硅橡胶块。
24.本实用新型实施例的有益效果是：以具有温度自补偿功能和较高测量灵敏度的保偏布拉格光栅传感器为核心器件，将地下水压转换为保偏布拉格光栅传感器的形变，实现地下水位的准确测量，解决了目前地下水水位监测过程中存在的数据准确性和灵敏度较低以及监测过程中所产生的温度串扰问题，且通过光纤冷接头与外部信号传输线缆连接，采集实时监测数据，解决了目前地下水水位监测过程中存在的数据获取困难问题。本实用新型实施例的具有温度自补偿功能的地下水位传感器结构简单、性能稳定、可操作性强，在实际工程中具有很高的应用前景，具有很好的商业价值。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1是本实用新型的一种具有温度自补偿功能的地下水位传感器示意图。
27.图2是本实用新型的保偏光纤布拉格光栅传感器的输出光谱（反射谱）图。
28.图3是本实用新型的保偏光纤布拉格光栅传感器测量到外界环境温度变化和发生形变时的输出光谱图。
29.图中，1.光纤冷接头，2.信号传输线缆，3.保偏光纤布拉格光栅传感器，4.传感臂，5.压力腔，6.弹簧，7.传感活塞，8.过滤网，9.传感器外壳，10.连接臂。
具体实施方式
30.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实
施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
31.如图1所示，一种具有温度自补偿功能的地下水位传感器，包括：
32.保偏光纤布拉格光栅传感器3，所述保偏光纤布拉格光栅传感器3的一端固定在传感器外壳9内的支撑板上，保偏光纤布拉格光栅传感器3的另一端固定在传感臂4上；
33.压力腔5，所述压力腔5设置于传感臂4远离保偏光纤布拉格光栅传感器3的一端；
34.其中：
35.压力腔5远离保偏光纤布拉格光栅传感器3的一端设置过滤网8，压力腔5通过过滤网8与外部连通，当到达地下水位时，地下水通过过滤网8进入压力腔5；
36.压力腔5内设置有传感活塞7，传感活塞7与压力腔5靠近传感臂4的一端之间设置有弹簧6，弹簧6的端部对应与传感活塞7以及压力腔5固定连接，传感活塞7可沿压力腔5在弹簧6的长度范围内移动，当地下水通过过滤网8进入压力腔5时，可推动传感活塞7向靠近弹簧6的方向移动；
37.传感臂4远离保偏光纤布拉格光栅传感器3的一端贯穿压力腔5、弹簧6和传感活塞7，且弹簧6固定套设在传感臂4上，传感活塞7向靠近弹簧6的方向移动时，作用弹簧6，由于弹簧6固定套设在传感臂4上，会通过弹簧6引起传感臂4振动，传感臂4振动使保偏光纤布拉格光栅传感器3产生形变；
38.在弹簧6松弛状态下，传感臂4靠近过滤网8的一端与过滤网8接触，防止传感臂4的移动超出量程；
39.所述保偏光纤布拉格光栅传感器3、传感臂4和压力腔5设置在传感器外壳9内部，过滤网8设置在传感器外壳9的侧壁上，压力腔5与传感器外壳9的内壁固定连接；传感器外壳9的外壁上固定有光纤冷接头1，保偏光纤布拉格光栅传感器3通过信号传输线缆2与光纤冷接头1连接，通过光纤冷接头1向外传输测量信号。
40.进一步的，保偏光纤布拉格光栅传感器3通过胶水固定在传感臂4上。
41.进一步的，传感器外壳9外侧底部固定有连接臂10；应用时，将连接臂10与外部设备连接，使得整个传感器在实际探测过程中能够随外部设备一起深入地下水；此过程中通过光纤冷接头1与外部信号传输线缆连接，采集实时监测数据。
42.进一步的，所述保偏光纤布拉格光栅传感器3为熊猫型光纤布拉格光栅。所使用光纤的工作波长为1548nm~1552nm，包层直径为125μm，涂覆层直径为245μm，涂覆层结构为双层紫外固化丙烯酸树脂。图2为保偏光纤布拉格光栅传感器3的输出光谱，可以看到，保偏光纤布拉格光栅传感器3的输出光谱具有两个谐振峰，且两个反射峰具有很小的波长间隔（约为0.4nm）。当地下水通过过滤网8进入压力腔5时，水压力将推动传感活塞7向左移动，传感活塞7带动弹簧6压缩，进而引起传感臂4振动，将水压力转换为保偏光纤布拉格光栅传感器3的形变。
43.由于保偏光纤布拉格光栅传感器3对形变敏感，具体表现为当保偏光纤布拉格光栅传感器3发生形变时，测量到的输出光谱的两个反射谐振峰将发生不同范围内的移动；且形变越大，波长变化量越大。基于此原理，可以得到地下水水位和波长之间的对应关系，根据保偏光纤布拉格光栅传感器3的实时波长，利用地下水水位和波长之间的对应关系，即可获得地下水水位。
44.保偏光纤布拉格光栅具备温度自补偿功能，可解决温度串扰问题，实现地下水水位的精确测量，图3为保偏光纤布拉格光栅传感器3随外界环境中温度变化和光纤形变时的输出光谱，可以看到，当保偏光纤布拉格光栅传感器3测量到外界环境温度的变化或者发生形变时，其两个反射峰会发生漂移，并且温度和形变所造成的波长漂移程度不同，而其温度自补偿功能就是基于此原理进行的。
45.进一步的，所述过滤网8采用目数为30目，孔径为0.6 mm的304不锈钢钢丝网，用于过滤地下水中的沙石等颗粒物。
46.进一步的，所述弹簧6的刚度/弹性系数为0.80n/mm，总长度为100mm，自由长度为80mm。弹簧6用于控制传感活塞7的移动，进而控制保偏光纤布拉格光栅传感器3的形变大小。
47.进一步的，所述传感活塞7采用硅橡胶块，可在压力腔5内自由移动，用于传导水压力和保持传感器内部的密封性。
48.以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。