一种基于光纤光栅的多参量传感器、测量方法及系统

1.本发明涉及光纤传感领域，尤其涉及一种基于光纤光栅的多参量传感器、测量方法及系统。


背景技术：

2.在工业领域中，气液介质是重要的受控对象，例如：飞机油箱中的燃油液位高度及其分布，是实现飞机重心调整和平衡控制，计算油量规划航线航程的重要参数；输油气管线的流量等参数的监测，是实现管网和站场无人或少人智能管理的关键参数。而气液介质多数为燃油，化学物品，易燃易爆炸，因此，需要对其进行严格的监控。
3.当前，为了测量气液介质的液位高度和流量，需要将液位高度和流量两个变量分开进行测量，也就是说，需要两种设备进行测量，才能得到气液介质的液位高度和流量两个参数。
4.因此，现有技术在对气液介质的液位高度和流量进行测量的过程中，存在无法根据同一设备测量出液位高度和流量两个变量的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种基于光纤光栅的多参量传感器及其测量方法，能够根据同一设备同步测量出气液介质的液位高度和流量两个变量。
6.为了实现上述目标，本发明提供一种基于光纤光栅的多参量传感器，包括：
7.光纤，包括光纤纤芯和光纤包层，其中，光纤包层包裹光纤纤芯；
8.光栅，均匀分布在光纤纤芯中；
9.聚酰亚胺金属杂化涂层，涂覆包裹光纤包层；
10.绝缘涂层，涂覆包裹聚酰亚胺金属杂化涂层。
11.为了实现上述目标，本发明还提供一种基于光纤光栅的多参量测量方法，包括：
12.剥离光纤两端处的绝缘涂层，露出聚酰亚胺金属杂化涂层，在露出的聚酰亚胺金属杂化涂层上加电源；
13.将基于光纤光栅的多参量传感器放置于待测液体中，获取波长偏移量；
14.根据波长偏移量，确定待测液体的液位和流量。
15.进一步地，将基于光纤光栅的多参量传感器放置于待测液体中，获取波长偏移量，包括：
16.将基于光纤光栅的多参量传感器放置于待测液体中，使得光纤的轴向方向与待测液体的液面方向垂直；
17.根据基于光纤光栅的多参量传感器获取到初始波长，调整电源的电流大小，对应地获取调整波长；
18.根据初始波长和调整波长，通过作差，获取波长偏移量。
19.进一步地，根据波长偏移量，确定待测液体的液位，包括：
20.根据波长偏移量，确定光纤的温度分布信息；
21.根据温度分布信息，确定光栅的温度突变位置；
22.根据温度突变位置，确定待测液体的液位。
23.进一步地，根据温度分布信息，确定光栅的温度突变位置，包括：
24.通过插值算法将温度分布信息进行连续化处理，得到连续的温度分布信息；
25.根据连续的温度分布信息，确定光栅的温度突变位置。
26.进一步地，根据波长偏移量，确定待测液体的流量，包括：
27.根据波长偏移量，确定光纤的温度变化值；
28.根据温度变化值，确定光纤的热量变化值；
29.根据波长偏移量及其对应的热量变化值，确定待测液体的流量。
30.进一步地，光栅采用波分复用方法阵列排布。
31.进一步地，聚酰亚胺金属杂化涂层包括聚酰亚胺聚合物、氯化钴和氯化锂。
32.进一步地，绝缘涂层包括丙烯酸酯。
33.为了实现上述目标，本发明还提供一种基于光纤光栅的多参量测量系统，包括如前文所述的基于光纤光栅的多参量传感器，或，如前文所述的基于光纤光栅的多参量测量方法。
34.采用上述技术方案的有益效果是：本发明提供一种基于光纤光栅的多参量传感器、测量方法及系统，该传感器包括：光纤，包括光纤纤芯和光纤包层，其中，光纤包层包裹光纤纤芯；光栅，均匀分布在光纤纤芯中；聚酰亚胺金属杂化涂层，涂覆包裹光纤包层；绝缘涂层，涂覆包裹聚酰亚胺金属杂化涂层。通过设置具有导电能力的聚酰亚胺金属杂化涂层，实现光纤温度的调整，温度变化会引起光栅波长偏移量，然后根据光栅的波长偏移量得到温度场分布，从而测量液体的液位，并且根据温度差测量流量，实现了同一设备测量出液位高度和流量两个变量。
附图说明
35.图1为本发明提供的基于光纤光栅的多参量传感器一实施例的结构示意图；
36.图2为本发明提供的基于光纤光栅的多参量测量方法一实施例的流程示意图；
37.图3为本发明提供的获取波长偏移量一实施例的流程示意图；
38.图4为本发明提供的确定待测液体的液位一实施例的流程示意图；
39.图5为本发明提供的确定待测液体的流量一实施例的流程示意图。
具体实施方式
40.下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本技术一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
41.在陈述实施例之前，先对光纤、光纤传感技术及聚酰亚胺进行阐述：
42.光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。
43.光纤传感，包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能，光纤传感技术具有抗电磁干扰、抗辐射、本质安全、远距离传输等优势。所谓感知(或敏感)，是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制。所谓传输，是指光纤将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号(被测量)如何调制光纤中的光波参量的调制技术(或加载技术)及如何从被调制的光波中提取外界信号(被测量)的解调技术(或检测技术)。
44.聚酰亚胺是迄今已经产业化的聚合物材料中使用温度最高的品种之一，热稳定性高，强度和模量高，且聚酰亚胺金属杂化材料具有一定的导电性能，在众多金属元素中，以ag，pd，co，cu，li，sn等研究得较为深入，聚酰亚胺用这些元素掺杂后，体积电阻和表面电阻都显著降低，通电后电能转化成热量。目前，用于光纤涂敷材料较少，所以聚酰亚胺金属杂化涂敷材料在光纤传感领域有巨大潜力。
45.目前，为了测量气液介质的液位高度和流量，需要准备液位高度测量装置和流量测量装置两种测量仪器。因此，现有技术在对气液介质的液位高度和流量进行测量的过程中，存在无法根据同一设备测量出液位高度和流量两个变量的问题。
46.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于光纤光栅的多参量传感器、测量方法及系统，以下分别进行详细说明。
47.如图1所示，图1为本发明提供的基于光纤光栅的多参量传感器一实施例的结构示意图，基于光纤光栅的多参量传感器10包括：
48.光纤11，其中，光纤11包括光纤纤芯111和光纤包层112，且光纤包层112包裹光纤纤芯111；
49.光栅12，均匀分布在光纤纤芯111中；
50.聚酰亚胺金属杂化涂层13，涂覆包裹光纤包层112；
51.绝缘涂层14，涂覆包裹聚酰亚胺金属杂化涂层13。
52.本实施例中，通过由内向外逐层设置光纤11、光栅12、聚酰亚胺金属杂化涂层13和绝缘涂层14，利用可加热的聚酰亚胺金属杂化涂层13将光纤11和光栅12包围，然后再用绝缘涂层14将聚酰亚胺金属杂化涂层13包围，不仅能够通过光栅12测量出光纤11中温度发生突变的位置，从而根据光纤11中温度发生突变的位置确定液位高度；并且基于聚酰亚胺金属杂化涂层13，能够实现改变光纤11和光栅12周围的温度，从而获取多组基于不同温度的光栅12的波长，然后根据多组波长确定温度差，根据温度差确定热量差，根据温度差和热量差确定流速。通过设置与光栅12贴合的聚酰亚胺金属杂化涂层13，能够根据实际需要改变光栅12周围的温度，从而获取多组光栅12的波长，根据波长不仅能得到液位高度，并且能得到流量，实现了根据基于光纤光栅的多参量传感器10一个设备测量出液位高度和流量两个参数量。另外，基于光纤光栅的多参量传感器10不仅体积小、重量轻、结构简单，并且基于光纤光栅的抗电磁干扰、抗腐蚀的特性，能够适用于多种场景。
53.作为优选的实施例，光纤11为单模传感光纤，聚酰亚胺金属杂化涂层13包括氯化钴和氯化锂，绝缘涂层14为丙烯酸酯。
54.在一具体实施例中，聚酰亚胺金属杂化涂层13中混合物的预设比例为：btda：oda：cocl2：licl＝4：4：1：0.5，其中，上述为各组分物质的量的比值。通过设置聚酰亚胺金属杂化涂层13中混合物的比例，能够提高聚酰亚胺金属杂化涂层13的导电率，并且能够耐高温。
55.在其他实施例中，还可以根据需要调整聚酰亚胺金属杂化涂层13中混合物的成分比例。
56.作为优选的实施例，为了合理分布光栅，采用波分复用方法对光栅进行阵列排布，达到准分布式的目的。
57.在一具体实施例中，相邻光栅的波长间隔设置为3nm，光栅的栅距为3mm，栅区长度为5mm，反射率为75％。
58.一般情况下，当温度产生1℃的变化时，光栅中心波长大约偏移10pm，所以3nm的波长间隔可以容纳最高300℃的温度变化；光栅栅距和光栅长度决定了光栅的密集程度，根据上述设置，理论上可以测到液位8mm的变化，也就是说液位的测量精度可以达到8mm；而光栅的反射率高则意味着信号能更容易读取，波形会更好看。
59.在其他实施例中，还可以根据需要，对光栅的波长间隔、栅距、栅区长度和反射率的参数值进行适应性调整。
60.为了解决上述问题，本发明还提供了一种基于光纤光栅的多参量测量方法，如图2所示，图2为本发明提供的基于光纤光栅的多参量测量方法一实施例的流程示意图，包括：
61.步骤s101：剥离光纤两端处的绝缘涂层，露出聚酰亚胺金属杂化涂层，在露出的聚酰亚胺金属杂化涂层上加电源。
62.步骤s102：将基于光纤光栅的多参量传感器放置于待测液体中，获取波长偏移量。
63.步骤s103：根据波长偏移量，确定待测液体的液位和流量。
64.本实施例中，首先，为了能让聚酰亚胺金属杂化涂层顺利连接电源，剥离光纤两端处的绝缘层，露出聚酰亚胺金属杂化涂层后加上电极；然后，将添加了电源的基于光纤光栅的多参量传感器放置于待测液体中，通过调整电源的电流大小，得到多组光信号经过基于光纤光栅的多参量传感器后的波长偏移量；最后，根据多组波长偏移量，基于液位与波长的关系以及流量与波长的关系，确定待测液体的液位和流量。
65.本实施例中，充分利用聚酰亚胺金属杂化涂层的导电能力，通电后电能转化为热能，为光纤光栅提供热量，调节温度，另外，绝缘涂层不导电，保护了聚酰亚胺金属杂化涂层不受侵蚀，保证了基于光纤光栅的多参量传感器在气液介质中的正常使用。在测量过程中，对聚酰亚胺金属杂化涂层施加电流，为光纤光栅提供变化的环境温度，通过观测光栅的波长变化可以测量沿光纤轴向的温度场，不仅能够测量出待测液体的液位，还能得到待测液体的流量。
66.在一具体实施例中，为了保证绝缘涂层的绝缘效果，避免出现短路等情况，在步骤s101中，在露出的聚酰亚胺金属杂化涂层上加电源后，还可以在多余裸露出的聚酰亚胺金属杂化涂层再次涂上绝缘涂层，保证聚酰亚胺金属杂化涂覆层在通电过程中的安全。
67.作为优选的实施例，在步骤s102中，为了根据基于光纤光栅的多参量传感器获取波长偏移量，如图3所示，图3为本发明提供的获取波长偏移量一实施例的流程示意图，包括：
68.步骤s121：将基于光纤光栅的多参量传感器放置于待测液体中，使得光纤的轴向
方向与待测液体的液面方向垂直。
69.步骤s122：根据基于光纤光栅的多参量传感器获取到初始波长，调整电源的电流大小，对应地获取调整波长。
70.步骤s123：根据初始波长和调整波长，通过作差，获取波长偏移量。
71.本实施例中，通过将基于光纤光栅的多参量传感器放置在待测液体中，并根据需要调控电源的电流大小，从而获取多组初始波长信息和多组调整波长信息，最后，根据测量需要，将初始波长信息与其对应的调整波长信息进行作差处理，得到多组波长差，即多组波长偏移量。
72.作为优选的实施例，在步骤s103中，为了根据波长偏移量，确定待测液体的液位，如图4所示，图4为本发明提供的确定待测液体的液位一实施例的流程示意图，包括：
73.步骤s131：根据波长偏移量，确定光纤的温度分布信息。
74.步骤s132：根据温度分布信息，确定光栅的温度突变位置。
75.步骤s133：根据温度突变位置，确定待测液体的液位。
76.本实施例中，首先，根据光信号经过光栅后的波长偏移量，确定每个光栅对应的温度，从而得到光栅的温度分布情况，从而确定光纤的温度分布信息；然后，根据温度分布信息中的温度突变位置，确定其对应的光栅的位置；最后，根据温度发生突变的光栅的位置，确定待测液体的液位。由于液体和气体热导率差别较大，所以在气液界面处的温度会有一个突变，通过有效利用光纤对温度的高敏感度，会根据温度使得光栅产生波长偏移，从而实现根据光纤光栅测量出液体的液位。
77.在一具体实施例中，在步骤s131中，为了根据波长偏移量确定光纤的温度分布信息，利用温度变化公式，确定温度变化值。其中，温度变化公式为：
[0078][0079]
其中，δτ为温度变化量，δλ为中心波长的波长偏移量，n
eff
为光纤的有效折射率，α为热膨胀系数，λ为光栅周期。
[0080]
通过温度变化公式，将获取到的波长偏移量转化为温度变化值参数，能够更加直观地获取光栅的温度突变位置，提高液位的测量精度。
[0081]
在一具体实施例中，在步骤s132中，为了提高液位高度的测量分辨率，可以根据测量的精度需要设置光栅的间距，例如，按照固定刻度设置光栅，形成按照一定刻度顺序的间距排列的光栅，从而实现根据温度发生突变的两个光栅便能确定液位高度。进一步地，还可以增加光栅的数量，提高光栅的密集度。
[0082]
在另一具体实施例中，在步骤s132中，为了在有限数量的光栅的基础上，保证液位高度测量精度，首先，通过插值算法将温度分布信息进行连续化处理，得到连续的温度分布信息，也就是说，根据得到的散点分布的温度数据，通过插值算法，实现将散点分布的温度数据连续化，得到连续分布的温度数据；然后，根据连续分布的温度数据分布信息，确定温度突变值，再根据温度突变值对应地确定光栅的温度突变位置，即，确定待测液体的液位。
[0083]
作为优选的实施例，在步骤s103中，为了根据波长偏移量，确定待测液体的流量，如图5所示，图5为本发明提供的确定待测液体的流量一实施例的流程示意图，包括：
[0084]
步骤s141：根据波长偏移量，确定光纤的温度变化值。
[0085]
步骤s142：根据温度变化值，确定光纤的热量变化值。
[0086]
步骤s143：根据波长偏移量及其对应的热量变化值，确定待测液体的流量。
[0087]
在一具体实施例中，在步骤s141中，为了根据波长偏移量获取光纤的温度变化值，利用温度变化公式，确定温度变化值。其中，温度变化公式为：
[0088][0089]
其中，δτ为温度变化量，δλ为中心波长偏移量，n
eff
为光纤的有效折射率，α为热膨胀系数，λ为光栅周期。
[0090]
进一步地，在步骤s142中，在确定温度变化值后，还需要根据热量变化公式，确定热量变化值。其中，热量变化公式为：
[0091]
δq＝cmδt
[0092]
其中，δq是热量变化值，即流体带走的热量，c是比热容，m是质量。
[0093]
进一步地，在步骤s143中，在确定温度变化值以及热量变化值后，还需要根据流速公式，确定待测液体的流量。其中，流速公式为：
[0094][0095]
其中，ν是待测液体的流量，即，流体的流速，a和b是和流体相关的常量，可通过校准获得。
[0096]
本实施例中，通过多个公式迭代计算得到待测液体的流量，不仅未增设新的测量仪器，并且基于光纤光栅安全可靠，能够根据温度变化规律地改变波长的特点，有效保证了待测液体的流量的测量精度。
[0097]
通过上述方式，首先，根据基于光纤光栅的多参量传感器得到待测液面对应的初始波长；然后，基于可调节温度的聚酰亚胺金属杂化涂层，调整光纤光栅的温度，从而得到对应的调整波长，并通过作差得到波长偏移量；接下来，根据公式运算，将波长偏移量转化为温度变化量，再将温度变化量转化为热量变化量，又根据温度变化量和热量变化量得到待测液体的流量。通过上述方式，不仅能得到光纤光栅的温度突变位置，从而确定液位高度，并且能够得到待测液体的流量，从而实现了根据同一设备测量出液位高度和流量两个变量。
[0098]
为了实现上述目标，本发明还提供了一种基于光纤光栅的多参量测量系统，包括如上文所述的基于光纤光栅的多参量传感器，或，如上文所述的基于光纤光栅的多参量测量方法。
[0099]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。