本發(fā)明涉及測量技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種獲取液體測量參數(shù)及液體測量的方法、裝置、設(shè)備。
背景技術(shù):
目前,油箱液位測量方法主要有力學(xué)(機(jī)械式)方法和電學(xué)方法兩類。
力學(xué)方法主要有超聲波法和壓力差法。超聲波法由傳感器發(fā)出脈沖超聲波,經(jīng)油表面反射后被同一傳感器接收,轉(zhuǎn)換成電信號。通過超聲波的發(fā)射和接收之間的時(shí)間計(jì)算傳感器到被油箱液面的距離,得到液位。壓力差法則利用壓力表測量基準(zhǔn)面上液柱的靜壓就可測得液位。但其不足在于:力學(xué)液位測量方法精度較低,接入器件復(fù)雜,壓力差法須對油箱開孔,實(shí)時(shí)性較差。
電學(xué)方法主要有浮子法、霍爾元器件法以及壓阻式壓力傳感器法等,電學(xué)方法利用液位兩側(cè)介質(zhì)物理性質(zhì)差異或者液位改變引起電容、電阻或電感等電學(xué)物理量參數(shù)變化來實(shí)現(xiàn)。但其不足在于:目前電學(xué)液位測量方法在安全性和實(shí)時(shí)性以及對油品污染方面存在嚴(yán)重限制。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明提供了一種獲取液體測量參數(shù)及液體測量的方法、裝置、設(shè)備,用以解決液位測量中實(shí)時(shí)性較差或?qū)τ推酚形廴镜膯栴}。
本發(fā)明實(shí)施例中提供了一種液體測量裝置,包括:環(huán)行器、光纖光柵、應(yīng)變敏感部件,其中:
環(huán)行器,與光纖光柵相連,接收光波后傳入光纖光柵,并將經(jīng)光纖光柵反射出的光波輸出;
光纖光柵,沿二次曲線固定于應(yīng)變敏感部件。
較佳地,所述光纖光柵是沿二次曲線粘貼于應(yīng)變敏感部件表面的。
較佳地,一步包括:
傳感器主機(jī),與環(huán)行器相連,向環(huán)行器輸出寬譜光波。
較佳地,進(jìn)一步包括:
光電探測器,與環(huán)行器相連,將環(huán)行器輸出的光波轉(zhuǎn)換為電信號。
本發(fā)明實(shí)施例中提供了一種獲取液體測量參數(shù)的方法,包括:
向光纖光柵發(fā)送光波,所述光纖光柵是沿二次曲線固定于應(yīng)變敏感部件上的;
接收經(jīng)光纖光柵反射出的光波。
較佳地,所述光纖光柵是沿二次曲線粘貼于應(yīng)變敏感部件表面的。
較佳地,進(jìn)一步包括:
將接收的光波轉(zhuǎn)換為電信號。
本發(fā)明實(shí)施例中提供了一種液體測量的方法,包括:
通過電信號確定輸出的光波的光譜寬度Δλ,所述電信號是從上述的裝置獲取的,和/或,是通過上述的方法獲取的;
根據(jù)Δλ確定應(yīng)變敏感部件的應(yīng)變ε;
根據(jù)應(yīng)變ε確定壓力F;
根據(jù)壓力F與應(yīng)變敏感部件的表面積A確定液體高度h。
較佳地,在確定液體高度h時(shí),根據(jù)以下關(guān)系確定:
h=Δλ/(s2×s1×ρg×A)=s3×Δλ;
ε(x)=(1-x2)×s1×ρgh×A;
其中:
s3為液位對光纖光柵反射光譜譜寬Δλ的靈敏度;
s2為光纖光柵反射光譜譜寬對光纖光柵承受的應(yīng)變ε的靈敏度;
s1為光纖光柵應(yīng)變對應(yīng)變敏感部件所受壓力的靈敏度;
ε是根據(jù)應(yīng)變敏感部件的應(yīng)變確定的;
x為光纖光柵一點(diǎn)在應(yīng)變敏感部件上的相對位置;
ρ為所測液體的平均密度;
g為重力加速度。
本發(fā)明實(shí)施例中提供了一種液體測量的設(shè)備,包括:
光譜寬度模塊,用于通過電信號確定輸出的光波的光譜寬度Δλ,所述電信號是從上述的裝置獲取的,和/或,是通過上述的方法獲取的;
液體高度模塊,用于根據(jù)Δλ確定應(yīng)變敏感部件的應(yīng)變ε;根據(jù)應(yīng)變ε確定壓力F;根據(jù)壓力F與應(yīng)變敏感部件的表面積A確定液體高度h。
較佳地,液體高度模塊進(jìn)一步用于在確定液體高度h時(shí),根據(jù)以下關(guān)系確定:
h=Δλ/(s2×s1×ρg×A)=s3×Δλ;
ε(x)=(1-x2)×s1×ρgh×A;
其中:
s3為液位對光纖光柵反射光譜譜寬Δλ的靈敏度;
s2為光纖光柵反射光譜譜寬對光纖光柵承受的應(yīng)變ε的靈敏度;
s1為光纖光柵應(yīng)變對應(yīng)變敏感部件所受壓力的靈敏度;
ε是根據(jù)應(yīng)變敏感部件的應(yīng)變確定的;
x為光纖光柵一點(diǎn)在應(yīng)變敏感部件上的相對位置;
ρ為所測液體的平均密度;
g為重力加速度。
本發(fā)明有益效果如下:
由于在本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案中,將光纖光柵沿二次曲線固定于應(yīng)變敏感部件上,這樣,懸臂梁受到汽油壓力作用發(fā)生形變時(shí),由于采用均勻光纖光柵,通過非線性曲線粘貼在懸臂梁結(jié)構(gòu)上,懸臂梁的形變導(dǎo)致均勻光纖光柵的非線性形變,非線性形變在光柵長度上處處不同,使原有的均勻光纖光柵表現(xiàn)為一個啁啾光纖光柵的性質(zhì)(光譜展寬)。進(jìn)一步的,也就能夠通過光纖光柵反射光譜譜寬Δλ來確定出液體高度h。
進(jìn)一步的,本方案可以采用均勻光纖光柵作為傳感元件,由于均勻光纖光柵成本低,因此便于制作批量化推廣應(yīng)用。
進(jìn)一步的,由于采用了光纖光柵反射的光譜譜寬得到液量,因此溫度變化不會影響測量結(jié)果。
進(jìn)一步的,也由于采用的是光纖光柵,因此不會對所測液體產(chǎn)生污染。
進(jìn)一步的,由于測量的參數(shù)是通過光纖光柵反射的光波確定的,因此能夠保證測量結(jié)果的及時(shí)性。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解,構(gòu)成本發(fā)明的一部分,本發(fā)明的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本發(fā)明,并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:
圖1為本發(fā)明實(shí)施例中光纖光柵油量傳感器懸臂梁示意圖;
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中光纖光柵Chirp(啁啾)調(diào)制示意圖;
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中光纖光柵相對形變示意圖;
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中基于光纖光柵的油箱油量測量環(huán)境示意圖;
圖5為本發(fā)明實(shí)施例中測量主機(jī)原理示意圖;
圖6為本發(fā)明實(shí)施例中獲取液體測量參數(shù)的方法實(shí)施流程示意圖;
圖7為本發(fā)明實(shí)施例中液體測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖;
圖8為本發(fā)明實(shí)施例中液體測量的方法實(shí)施流程示意圖;
圖9為本發(fā)明實(shí)施例中液體測量的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
發(fā)明人在發(fā)明過程中注意到,目前,油箱液位測量方法主要有力學(xué)(機(jī)械式)方法和電學(xué)方法兩類。但力學(xué)液位測量方法精度較低,接入器件復(fù)雜,壓力差法須對油箱開孔,實(shí)時(shí)性較差;電學(xué)方法在安全性和實(shí)時(shí)性以及對油品污染方面存在嚴(yán)重限制。然而,作為一種先進(jìn)測量、計(jì)量技術(shù),光纖傳感技術(shù)具有靈敏度高、精度高、本質(zhì)安全、介入性低、抗電磁干擾以及快速響應(yīng)等技術(shù)優(yōu)勢,已經(jīng)成為測試和計(jì)量領(lǐng)域發(fā)展的重要趨勢。
基于此,本發(fā)明實(shí)施例中提出一種基于光纖Chirp光柵的液位測量方案,下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行說明。
實(shí)施中,因機(jī)動車油箱油量測量在通常情況下需要滿足溫度不敏感,測量環(huán)境封閉,測量對象價(jià)值大等原因,所以當(dāng)本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案應(yīng)用在溫度不敏感機(jī)動車油箱油量測量上更具價(jià)值,因此實(shí)施例中將主要以油量的測量為例來進(jìn)行說明,但這并不意味著在其他環(huán)境、或者其他液體的測量中不能應(yīng)用,事實(shí)上,本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解,只要是因壓力而會使應(yīng)變敏感部件產(chǎn)生應(yīng)力形變的液體均可采用本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案,下面也還會通過實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述。
下面對方案中涉及的特征光纖光柵、Chirp進(jìn)行簡單說明。
光纖光柵是在光纖纖芯中刻寫的短周期波導(dǎo)光柵,能夠反射特定波長的光波。它是一種通過一定方法使光纖纖芯的折射率發(fā)生軸向周期性調(diào)制而形成的衍射光柵,是一種無源濾波器件。由于光柵光纖具有體積小、熔接損耗小、全兼容于光纖、能埋入智能材料等優(yōu)點(diǎn),并且其諧振波長對溫度、應(yīng)變、折射率、濃度等外界環(huán)境的變化比較敏感,波長選擇性好、不受非線性效應(yīng)影響、極化不敏感、易于與光纖系統(tǒng)連接、便于使用和維護(hù)、帶寬范圍大、附加損耗小、器件微型化、耦合性好、可與其他光纖器件融成一體等特性,而且光纖光柵制作工藝比較成熟,易于形成規(guī)模生產(chǎn),成本低,因此它具有良好的實(shí)用性,其優(yōu)越性是其他許多器件無法替代的。
Chirp是編碼脈沖技術(shù),是通信技術(shù)有關(guān)編碼脈沖技術(shù)中的一種術(shù)語,是指對脈沖進(jìn)行編碼時(shí),其載頻在脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)線性地增加,當(dāng)將脈沖變到音頻地,會發(fā)出一種聲音,聽起來像鳥叫的啁啾聲,故名“啁啾”。后來就將脈沖傳輸時(shí)中心波長發(fā)生偏移的現(xiàn)象叫做“啁啾”。例如在光纖通信中由于激光二極管本身不穩(wěn)定而使傳輸單個脈沖時(shí)中心波長瞬時(shí)偏移的現(xiàn)象,也叫“啁啾”。Chirp信號是一個典型的非平穩(wěn)信號。均勻光纖光柵是指光纖光柵的柵格周期(即折射率變化的空間周期)在光纖光柵長度上是恒定不變的。在光纖光柵中,啁啾的概念是指光纖光柵的柵格周期在光纖光柵長度上發(fā)生變化,不是恒定的。
應(yīng)變敏感部件,是受到壓力作用會發(fā)生形變的部件,其在不同位置處的形變量不同,具體實(shí)施中,該種可以感受壓力應(yīng)變的部件可以是合金金屬結(jié)構(gòu)、矩形薄片等,例如懸臂梁。
下面先以采用懸臂梁進(jìn)行的油量測量為例對本申請要旨進(jìn)行說明。
圖1為光纖光柵油量傳感器懸臂梁示意圖,圖2為光纖光柵Chirp(啁啾)調(diào)制示意圖,圖3為光纖光柵相對形變示意圖,則有:
如圖1所示,將光纖光柵沿二次曲線粘貼于感受壓力應(yīng)變的懸臂梁表面。這樣,懸臂梁受到汽油壓力作用發(fā)生形變,在不同位置處的形變量不同,具體如圖3所示,此時(shí),光纖光柵將表現(xiàn)出Chirp(啁啾)光柵的性質(zhì),也即:反射光譜展寬,其效果如圖2所示。
也即,由于采用均勻光纖光柵,通過非線性曲線(二次曲線)粘貼在懸臂梁結(jié)構(gòu)上,懸臂梁的形變導(dǎo)致均勻光纖光柵的非線性形變,非線性形變在光柵長度上處處不同,使原有的均勻光纖光柵表現(xiàn)為一個啁啾光纖光柵的性質(zhì)(光譜展寬)。
下面再給出利用測量出的光譜展寬得出液體高度的要旨進(jìn)行說明。
首先對測量的環(huán)境以及測量涉及的軟硬件設(shè)備進(jìn)行簡要介紹。
圖4為基于光纖光柵的油箱油量測量環(huán)境示意圖,如圖4所示,測量主機(jī)是通過光纖光柵獲取參數(shù)進(jìn)行結(jié)果處理的設(shè)備,采用光纖光柵對圖中的油箱的油量進(jìn)行測量,以懸臂梁為基準(zhǔn),設(shè)其高度為h0,懸臂梁距離油面的高度(圖中具體示意為汽油液位)為h。
圖5為測量主機(jī)原理示意圖,如圖所示,可以采用傳感器主機(jī)輸出寬譜光波,通過環(huán)形器進(jìn)入光纖光柵,反射后通過環(huán)形器達(dá)到光電探測器,轉(zhuǎn)換為電信號后,通過采集卡進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。需要說明的是,測量主機(jī)是用于說明本申請方案要旨的由多個現(xiàn)有的電子元器件等組成的具體的設(shè)備,該設(shè)備并不是能夠完全體現(xiàn)本申請技術(shù)要點(diǎn)的技術(shù)方案。
在采用圖5所示的設(shè)備對圖4所示的環(huán)境進(jìn)行測量時(shí),則通過光譜展寬獲知液面高度的過程可如下:
油箱中底部基準(zhǔn)h0處安裝懸臂梁作為應(yīng)變敏感單元,其厚度忽略不計(jì)。汽油液位為h時(shí),作用在懸臂梁的壓強(qiáng)P為:
P=ρgh (1)
其中,ρ=0.72g/ml=7.2×105g/m3為汽油平均密度,g=9.8m/s2為重力加速度。則,作用在懸臂梁的壓力F為:
F=ρgh×A (2)
其中,A為懸臂梁的表面積。在汽油壓力作用下,導(dǎo)致懸臂梁產(chǎn)生應(yīng)變,懸臂梁上方粘貼封裝后的光纖光柵,可以近似認(rèn)為光纖光柵承受的應(yīng)變與懸臂梁應(yīng)變相同,為ε,則有:
ε(x)=(1-x2)×s1×ρgh×A (3)
其中,x為光纖光柵一點(diǎn)在懸臂梁上的相對位置(設(shè):x=0時(shí)為左側(cè)起點(diǎn),x=1時(shí)為右側(cè)終點(diǎn)),s1為光纖光柵(懸臂梁)應(yīng)變對懸臂梁所受壓力的靈敏度。s1由懸臂梁密度、彈性模量、泊松比以及形狀等多個因素決定。傳感器主機(jī)光源輸出光波,經(jīng)過光纖光柵后反射光波被傳感器檢測,得到反射光譜寬度Δλ。Δλ與懸臂梁所受應(yīng)變ε存在線性關(guān)系:
Δλ=s2×s1×ρgh×A (4)
其中,s2為光纖光柵反射光譜譜寬對應(yīng)變懸臂梁ε的靈敏度。根據(jù)(4),可以得到液位h與光纖光柵反射光譜譜寬Δλ之間的線性定量關(guān)系:
h=Δλ/(s2×s1×ρg×A)=s3×Δλ (5)
其中,s3=1/(s2×s1×ρg×A)為液位對光纖光柵反射光譜譜寬Δλ的靈敏度,可以通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到。(5)為光纖光柵油量測量的標(biāo)定式。安裝好測量裝置后,對裝置進(jìn)行標(biāo)定,得到s3。
根據(jù)上述要旨,本發(fā)明實(shí)施例中提供了能夠獲取供計(jì)算設(shè)備處理的參數(shù)的獲取液體測量參數(shù)的方法、液體測量裝置,并提供了進(jìn)一步處理的液體測量的方法,且根據(jù)同一發(fā)明構(gòu)思提供了液體測量的設(shè)備,下面進(jìn)行說明。
圖6為獲取液體測量參數(shù)的方法實(shí)施流程示意圖,如圖所示,可以包括:
步驟601、向光纖光柵發(fā)送光波,所述光纖光柵是沿二次曲線固定于應(yīng)變敏感部件上的;
步驟602、接收經(jīng)光纖光柵反射出的光波。
實(shí)施中,所述光纖光柵可以是沿二次曲線粘貼于應(yīng)變敏感部件表面的。
實(shí)施中,還可以進(jìn)一步包括:
將接收的光波轉(zhuǎn)換為電信號。
圖7為液體測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖,如圖所示,包括:環(huán)行器701、光纖光柵702、應(yīng)變敏感部件703,其中:
環(huán)行器701,與光纖光柵702相連,接收光波后傳入光纖光柵,并將經(jīng)光纖光柵反射出的光波輸出;
光纖光柵,沿二次曲線固定于應(yīng)變敏感部件703。
實(shí)施中,所述光纖光柵是沿二次曲線粘貼于應(yīng)變敏感部件表面的。
實(shí)施中,還可以進(jìn)一步包括:
傳感器主機(jī)704,與環(huán)行器相連,向環(huán)行器輸出寬譜光波。
實(shí)施中,還可以進(jìn)一步包括:
光電探測器705,與環(huán)行器相連,將環(huán)行器輸出的光波轉(zhuǎn)換為電信號。
圖8為液體測量的方法實(shí)施流程示意圖,如圖所示,可以包括:
步驟801、通過電信號確定輸出的光波的光譜寬度Δλ;
其中,所述電信號是從上述的裝置獲取的,和/或,是通過上述的方法獲取的;
步驟802、根據(jù)Δλ確定應(yīng)變敏感部件的應(yīng)變ε;
步驟803、根據(jù)應(yīng)變ε確定壓力F;
步驟804、根據(jù)壓力F與應(yīng)變敏感部件的表面積A確定液體高度h。
實(shí)施中,在確定液體高度h時(shí),根據(jù)以下關(guān)系確定:
h=Δλ/(s2×s1×ρg×A)=s3×Δλ;
ε(x)=(1-x2)×s1×ρgh×A;
其中:
s3為液位對光纖光柵反射光譜譜寬Δλ的靈敏度;
s2為光纖光柵反射光譜譜寬對光纖光柵承受的應(yīng)變ε的靈敏度;
s1為光纖光柵應(yīng)變對應(yīng)變敏感部件所受壓力的靈敏度;
ε是根據(jù)應(yīng)變敏感部件的應(yīng)變確定的;
x為光纖光柵一點(diǎn)在應(yīng)變敏感部件上的相對位置;
ρ為所測液體的平均密度;
g為重力加速度。
圖9為液體測量的設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖,如圖所示,可以包括:
光譜寬度模塊901,用于通過電信號確定輸出的光波的光譜寬度Δλ,所述電信號是從上述的裝置獲取的,和/或,是通過上述的方法獲取的;
液體高度模塊902,用于根據(jù)Δλ確定應(yīng)變敏感部件的應(yīng)變ε;根據(jù)應(yīng)變ε確定壓力F;根據(jù)壓力F與應(yīng)變敏感部件的表面積A確定液體高度h。
實(shí)施中,液體高度模塊進(jìn)一步用于在確定液體高度h時(shí),根據(jù)以下關(guān)系確定:
h=Δλ/(s2×s1×ρg×A)=s3×Δλ;
ε(x)=(1-x2)×s1×ρgh×A;
其中:
s3為液位對光纖光柵反射光譜譜寬Δλ的靈敏度;
s2為光纖光柵反射光譜譜寬對光纖光柵承受的應(yīng)變ε的靈敏度;
s1為光纖光柵應(yīng)變對應(yīng)變敏感部件所受壓力的靈敏度;
ε是根據(jù)應(yīng)變敏感部件的應(yīng)變確定的;
x為光纖光柵一點(diǎn)在應(yīng)變敏感部件上的相對位置;
ρ為所測液體的平均密度;
g為重力加速度。
為了描述的方便,以上所述裝置的各部分以功能分為各種模塊或單元分別描述。當(dāng)然,在實(shí)施本發(fā)明時(shí)可以把各模塊或單元的功能在同一個或多個軟件或硬件中實(shí)現(xiàn)。
綜上所述,在本發(fā)明實(shí)施例提供的技術(shù)方案中,采用光纖光柵沿二次曲線軌跡在懸臂梁表面,使得懸臂梁形變實(shí)現(xiàn)對光纖光柵的Chirp(啁啾)調(diào)制,從而能夠通過檢測光纖光柵反射光譜譜寬得到油量。
本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)明白,本發(fā)明的實(shí)施例可提供為方法、系統(tǒng)、或計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品。因此,本發(fā)明可采用完全硬件實(shí)施例、完全軟件實(shí)施例、或結(jié)合軟件和硬件方面的實(shí)施例的形式。而且,本發(fā)明可采用在一個或多個其中包含有計(jì)算機(jī)可用程序代碼的計(jì)算機(jī)可用存儲介質(zhì)(包括但不限于磁盤存儲器和光學(xué)存儲器等)上實(shí)施的計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的形式。
本發(fā)明是參照根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的方法、設(shè)備(系統(tǒng))、和計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品的流程圖和/或方框圖來描述的。應(yīng)理解可由計(jì)算機(jī)程序指令實(shí)現(xiàn)流程圖和/或方框圖中的每一流程和/或方框、以及流程圖和/或方框圖中的流程和/或方框的結(jié)合??商峁┻@些計(jì)算機(jī)程序指令到通用計(jì)算機(jī)、專用計(jì)算機(jī)、嵌入式處理機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器以產(chǎn)生一個機(jī)器,使得通過計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備的處理器執(zhí)行的指令產(chǎn)生用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的裝置。
這些計(jì)算機(jī)程序指令也可存儲在能引導(dǎo)計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備以特定方式工作的計(jì)算機(jī)可讀存儲器中,使得存儲在該計(jì)算機(jī)可讀存儲器中的指令產(chǎn)生包括指令裝置的制造品,該指令裝置實(shí)現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能。
這些計(jì)算機(jī)程序指令也可裝載到計(jì)算機(jī)或其他可編程數(shù)據(jù)處理設(shè)備上,使得在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行一系列操作步驟以產(chǎn)生計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的處理,從而在計(jì)算機(jī)或其他可編程設(shè)備上執(zhí)行的指令提供用于實(shí)現(xiàn)在流程圖一個流程或多個流程和/或方框圖一個方框或多個方框中指定的功能的步驟。
顯然,本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進(jìn)行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣,倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi),則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。