具有光子膜的多功能纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本申請涉及具有光子膜的多功能纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)。燃油感測系統(tǒng)利用包含由直接帶隙半導(dǎo)體材料(例如砷化鎵)制成的膜的纖維光學(xué)傳感器，所述膜與位于燃油箱底部的密封的傳感器組件內(nèi)的光纖形成光學(xué)共振腔。燃油箱內(nèi)的光纖不暴露于燃油。由膜的底面和內(nèi)部光纖的遠(yuǎn)端的表面形成的光學(xué)共振腔能夠起法布里?珀羅光譜儀的作用。在不同的波長下操作的多個光源和多個光譜儀可以經(jīng)由燃油箱內(nèi)的光纖、穿過燃油箱的壁的密封的纖維光學(xué)連接器和位于燃油箱外部的纖維光學(xué)耦合器耦合至膜的面對表面。
【專利說明】
具有光子膜的多功能纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本公開內(nèi)容一般涉及用于測量儲器比如儲存箱或其它容器中液位的系統(tǒng)和方法。 更具體而言，本公開內(nèi)容涉及使用光學(xué)傳感器進(jìn)行液位測量的系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 連續(xù)測量液位的需要在許多商業(yè)和軍事應(yīng)用中存在。例如，液位傳感器通常用于 飛行器、汽車和卡車的燃油箱中。液位傳感器也用于監(jiān)測用于燃油分配、廢水處理、化學(xué)貯 藏、食品加工等的儲存箱內(nèi)的液位。
[0003] 許多用于測量液位的換能器采用電力。響應(yīng)于正在被測量的液位的改變，這類換 能器的電力輸出改變，并且其通常為電阻、電容、電流、磁場、頻率等的改變形式。這些類型 的換能器可包括可變電容器或電阻器、光學(xué)部件、霍爾效應(yīng)傳感器、應(yīng)變儀、超聲裝置等。
[0004] 當(dāng)前飛行器上的大部分燃油傳感器使用電力。例如，現(xiàn)有的電容傳感器在箱的內(nèi) 部需要電氣布線，這又需要復(fù)雜的設(shè)施和保護(hù)措施以排除在某些電故障條件下的安全問 題。這種電氣布線需要小心的屏蔽、粘結(jié)和接地以使雜散電容最小化并進(jìn)一步需要定期維 護(hù)以確保電接觸完整性。
[0005] 對于具有并入復(fù)合材料機(jī)翼中的大型燃油箱的新型飛機(jī)，燃油傳感器的數(shù)目是較 多的。使用電力燃油傳感器給飛機(jī)增加了更多的重量，這不僅是由于電力傳感器和電纜重 量，而且因?yàn)橹稳加拖鋬?nèi)的電纜和傳感器的金屬支架(standoff)和固定用具增加了更多 的重量。并且更重要的是，在復(fù)合材料機(jī)翼中具有大的燃油箱，電磁干擾(EMI)和雷擊對于 電力燃油傳感器可能是挑戰(zhàn)。
[0006] 其它途徑涉及使用纖維光學(xué)燃油傳感器，其需要在燃油中放置一個或兩個纖維光 學(xué)感測元件。燃油密度的任何改變導(dǎo)致燃油的折射率的改變。這又導(dǎo)致從一個纖維光學(xué)感 測元件傳輸?shù)搅硪粋€的光的強(qiáng)度的改變。困擾纖維光學(xué)燃油傳感器的問題可以包括燃油溫 度變化、燃油的結(jié)冰以及沉積在纖維光學(xué)感測元件上的真菌和燃油殘留物，其阻礙光傳輸 并致使傳感器在商用飛機(jī)的壽命內(nèi)變得無用。
[0007] 已經(jīng)研究了其他更復(fù)雜的光學(xué)方法。一種這類的方法將纖維光學(xué)元件連接至電容 傳感器并將光轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏聿僮麟娙輦鞲衅?，然后將其轉(zhuǎn)變回由傳感器出來的光，因此在 燃油箱內(nèi)仍然存在活躍電子產(chǎn)品。一些方法已經(jīng)提出了漏光纖維用于燃油液位測量的應(yīng) 用，但是這些方法都采用折射原理并且由于燃油的不同折射率需要纖維與燃油接觸來調(diào)節(jié) 包層處的光傳輸角。
[0008] 在用于感測燃油箱中的液體燃油的性質(zhì)（比如，液位、密度、溫度和化學(xué)組成）的系 統(tǒng)和方法中存在改進(jìn)的余地。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本文公開的主題部分涉及纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該傳感器系統(tǒng)與現(xiàn)有 的電力傳感器相比消除了燃油箱內(nèi)用于測量燃油溫度、燃油密度、燃油液位和燃油化學(xué)組 成的復(fù)雜的電氣布線，同時保持精度并降低成本、重量和體積。下面詳細(xì)公開的纖維光學(xué)燃 油傳感器系統(tǒng)并入不需要與燃油接觸的燃油傳感器。
[0010] 根據(jù)一個實(shí)例，燃油感測系統(tǒng)利用包含由直接帶隙半導(dǎo)體材料(比如砷化鎵)制成 的膜的纖維光學(xué)傳感器，所述膜與位于燃油箱底部處的密封的傳感器組件(package)內(nèi)的 光纖形成光學(xué)共振腔。燃油箱內(nèi)的光纖不暴露于（即，不接觸)燃油。由膜的底面和內(nèi)部光纖 的遠(yuǎn)端表面形成的光學(xué)共振腔能夠起法布里-珀羅干涉儀的作用。可以經(jīng)燃油箱內(nèi)的光纖、 穿過燃油箱的壁的密封的纖維光學(xué)連接器和位于燃油箱外面的纖維光學(xué)耦合器將在不同 波長下操作的多個光源和多個光譜儀耦合至膜的面對表面。
[0011] 為了說明的目的，具有由砷化鎵(GaAs)制成的膜的燃油感測系統(tǒng)將在下面詳細(xì)描 述。然而，可以使用其它直接帶隙半導(dǎo)體材料，比如磷化銦（InP)。
[0012] 在具有GaAs膜的實(shí)例中，當(dāng)來自850-nm激光源的光入射在膜的底面上時，燃油的 溫度可以作為GaAs膜的反射率的函數(shù)被連續(xù)地測量。燃油密度可以由測量的溫度得到。利 用得到的燃油密度，正施加在GaAs膜的頂面上的燃油壓力可以使用優(yōu)選地具有大約1550nm 波長的輸入寬帶光源由GaAs膜的法布里-珀羅共振腔反射光譜得到。使用燃油密度和燃油 壓力，可以在任何時間一一即飛機(jī)的飛行期間、飛行之前和飛行之后一一測量該箱的燃油 液位。而且，當(dāng)來自1060-nm激光源的光入射在GaAs膜上時，可以使用拉曼光譜儀來分析來 自燃油的光散射信號，使得燃油化學(xué)組成能夠被連續(xù)地監(jiān)測。
[0013] 本文公開的系統(tǒng)避免了與電力傳感器的使用相關(guān)聯(lián)的問題，這是因?yàn)槔w維光學(xué)傳 感器在燃油箱內(nèi)部不具有電氣布線，并且因?yàn)楣饫w在不暴露于燃油的氣密組件中，從而消 除了由于燃油殘留物、真菌、燃油污垢沉積物和污染物造成的光阻擋。本文公開的纖維光學(xué) 傳感器執(zhí)行多種感測功能，因?yàn)闇p少了燃油感測功能所需要的傳感器的數(shù)目，其降低系統(tǒng) 的重量、大小、功率和成本。因?yàn)椴恍枰獙㈦姎獠季€或電源應(yīng)用到燃油箱內(nèi)放置的傳感器， 所以該多功能纖維光學(xué)傳感器也消除了雷擊和EMI問題。
[0014] 下面詳細(xì)公開的主題的一個方面是用于儲存液體的系統(tǒng)，包括：包含外殼 (enclosure)的儲器;布置在外殼內(nèi)的限定腔的結(jié)構(gòu)，其將外殼的內(nèi)部體積分為儲料艙和彼 此密封的腔，該限定腔的結(jié)構(gòu)包含具有部分地限定了儲料艙的頂面和部分地限定了腔的底 面的膜，和支撐膜并部分地限定了腔的罩(housing);和布置在腔的內(nèi)部的具有一定長度的 光纖，該長度的光纖具有遠(yuǎn)端，該遠(yuǎn)端具有面對膜的底面的表面，在其間具有間隙，其中膜 由具有直接帶隙的半導(dǎo)體材料制成。優(yōu)選地，膜是充分薄的以便當(dāng)正施加在其頂面上的壓 力的大小改變時，膜能夠向上或向下彎曲。在一些實(shí)例中，膜具有0.01mm到0.5mm范圍內(nèi)的 厚度，同時半導(dǎo)體材料是砷化鎵或磷化銦。在一個實(shí)例中，間隙具有使得膜的底面和光纖的 遠(yuǎn)端的面對表面形成法布里-珀羅共振腔的尺寸。公開的系統(tǒng)具有多種應(yīng)用。例如，儲器可 以并入飛行器的機(jī)翼中。
[0015] 以上段落中描述的系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括：用于輸出光的光源；用于將接收的光轉(zhuǎn) 變?yōu)榇斫邮盏墓獾奶匦缘碾娦盘柕墓庾V儀;將光源和光譜儀光學(xué)地耦合至光纖的光耦合 器;和編程以基于從光譜儀接收的電信號計(jì)算儲器中包含的液體的參數(shù)的值的計(jì)算機(jī)系 統(tǒng)。參數(shù)可以選自以下組:液體的溫度、液體的壓力、液體的液位和液體的化學(xué)組成。
[0016] 公開的主題的另一方面是用于儲存液體的系統(tǒng)，包括:儲存箱;布置在儲存箱內(nèi)的 密封的組件;該密封的組件包括膜和一定長度的光纖，其中膜具有為密封的組件的外表面 的一部分的頂面和為密封的組件的內(nèi)表面的一部分的底面，其中膜由具有直接帶隙的半導(dǎo) 體材料制成，并且該長度的光纖具有遠(yuǎn)端，所述遠(yuǎn)端具有面對膜的底面的表面，在其間具有 間隙；用于輸出光的第一光源；用于將接收的光轉(zhuǎn)變?yōu)榇斫邮盏墓獾奶匦缘碾娦盘柕牡?一光譜儀;和將光源和光譜儀光學(xué)地耦合至該長度的光纖的光纖網(wǎng)絡(luò)，該光纖網(wǎng)絡(luò)包括光 耦合器。在一些實(shí)例中，第一光源是激光源，第一光譜儀是溫度探查光譜儀，并且該系統(tǒng)進(jìn) 一步包括編程以在從激光源輸出光之后基于從溫度探查光譜儀接收的電信號測定儲存箱 中包含的液體的溫度的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在其它實(shí)例中，第一光源是寬帶光源，第一光譜儀是壓 力感測光譜儀，并且系統(tǒng)進(jìn)一步包括編程以在從寬帶光源輸出光之后基于從壓力感測光譜 儀接收的電信號測定儲存箱中包含的液體的壓力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在又其它實(shí)例中，第一光 源是激光源，第一光譜儀是拉曼光譜儀，并且系統(tǒng)進(jìn)一步包括編程以在從激光源輸出光之 后基于從拉曼光譜儀接收的電信號測定儲存箱中包含的液體的化學(xué)組成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。
[0017] 根據(jù)進(jìn)一步的實(shí)例，系統(tǒng)進(jìn)一步包括:用于輸出光的第二光源，第二光源通過光纖 網(wǎng)絡(luò)光學(xué)地耦合至該長度的光纖;用于將接收的光轉(zhuǎn)變?yōu)榇斫邮盏墓獾奶匦缘碾娦盘柕?第二光譜儀，第二光譜儀通過光纖網(wǎng)絡(luò)光學(xué)地耦合至該長度的光纖;和編程以基于從第一 和第二光譜儀接收的電信號計(jì)算儲器中包含的液體的液位的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。根據(jù)一個實(shí)例， 第一光源是激光源，第二光源是寬帶光源，和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被編程以執(zhí)行以下操作:基于從第 一光譜儀接收的電信號測定儲存箱中包含的液體的溫度;基于測定的溫度計(jì)算儲存箱中包 含的液體的密度;基于從第二光譜儀接收的電信號測定儲存箱中包含的液體的壓力；和基 于計(jì)算的密度和測定的壓力計(jì)算儲存箱中包含的液體的液位。
[0018] 根據(jù)進(jìn)一步方面，提供了用于測定儲存在儲存箱中的液體的特性的方法，其包括： 將密封的組件放置在儲存箱內(nèi)，該密封的組件包括膜和一定長度的光纖，其中膜具有為密 封的組件的外表面的一部分的頂面和為密封的組件的內(nèi)表面的一部分的底面，其中膜由具 有直接帶隙的半導(dǎo)體材料制成，并且該長度的光纖具有遠(yuǎn)端，所述遠(yuǎn)端具有面對膜的底面 的表面，在其間具有間隙;從第一光源發(fā)射光，其進(jìn)入光纖的近端，離開光纖的遠(yuǎn)端，并入射 在膜的底面上;在光已經(jīng)由第一光源發(fā)射之后，引導(dǎo)來自膜的光，其朝向光纖的近端進(jìn)入光 纖的遠(yuǎn)端;在光已經(jīng)由第一光源發(fā)射之后，使用第一光譜儀測量離開光纖近端的光的第一 性質(zhì);和處理由第一光譜儀輸出的電子數(shù)據(jù)以測定布置在儲存箱內(nèi)并且在膜之上的液體的 第一特性。
[0019] 上述方法可進(jìn)一步包括：從第二光源發(fā)射光，其進(jìn)入光纖的近端，離開光纖的遠(yuǎn) 端，并入射在膜的底面上;在光已經(jīng)由第二光源發(fā)射之后，引導(dǎo)來自膜的光，其朝向光纖的 近端進(jìn)入光纖的遠(yuǎn)端;在光已經(jīng)由第二光源發(fā)射之后，使用第二光譜儀測量離開光纖近端 的光的第二性質(zhì);和處理由第二光譜儀輸出的電子數(shù)據(jù)以測定布置在儲存箱內(nèi)并且在膜之 上的液體的第二特性。在一個實(shí)例中，第一特性是溫度，第二特性是壓力，并且方法進(jìn)一步 包括:基于測定的溫度計(jì)算儲存箱中包含的液體的密度;和基于計(jì)算的密度和測定的壓力 計(jì)算儲存箱中包含的液體的液位。
[0020] 下面公開和要求保護(hù)適合于與液體儲存箱一起使用的光學(xué)傳感器系統(tǒng)的其它方 面。
【附圖說明】
[0021]圖1是根據(jù)一個實(shí)例的代表多功能纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)的部件的圖，該實(shí)例 使用GaAs光子膜來測量燃油溫度、燃油密度和燃油液位。
[0022]圖2是表明由圖1中示意性描繪的纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)采用的GaAs光子膜燃 油溫度感測原理的圖。
[0023]圖3是GaAs光子膜溫度（°C)對具有850nm波長的入射光的反射強(qiáng)度R的曲線圖。 [0024]圖4是燃油密度D對燃油溫度（°C)的曲線圖。
[0025]圖5是表明由圖1中示意性描繪的纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)采用的GaAs光子膜燃 油壓力感測原理的圖。
[0026]圖6是顯示對于在從GaAs光子膜反射到圖1中示意性描繪的纖維光學(xué)燃油傳感器 系統(tǒng)中并入的壓力感測光譜儀的光信號，在一定波長范圍內(nèi)的壓力感測反射強(qiáng)度的曲線 圖。
[0027] 圖7是根據(jù)一個實(shí)例的代表多功能纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)的部件的圖，該實(shí)例 使用GaAs光子膜來測量燃油溫度、燃油密度、燃油液位和燃油化學(xué)組成。
[0028] 圖8是表明由圖7中示意性描繪的纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)采用的感測燃油化學(xué) 組成的方法下的原理的圖，該方法使用GaAs光子膜和拉曼技術(shù)。
[0029] 圖9是顯示信號強(qiáng)度的改變對由拉曼光譜儀檢測的波數(shù)的曲線圖，其相應(yīng)性地改 變以指示燃油化學(xué)組成的改變。
[0030] 在下文中將參照附圖進(jìn)行描述，其中不同附圖中相似的元件具有相同的參考數(shù) 字。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 用于測量儲器中液體的液位和其它性質(zhì)的系統(tǒng)和方法的不同實(shí)例現(xiàn)在將以說明 的目的詳細(xì)地描述。下面公開的至少一些細(xì)節(jié)涉及任選的特征和方面，其在一些應(yīng)用中可 以被省略，而不背離所附權(quán)利要求的范圍。
[0032] 對飛行器的復(fù)合材料機(jī)翼中并入的燃油箱的基本燃油質(zhì)量傳感器的要求是燃油 溫度、燃油密度和燃油液位感測。傳感器的感測功能需要是動態(tài)的，這意味著傳感器應(yīng)該能 夠提供在地面上或飛行期間、在不同的飛行包線下以及在極端的溫度和環(huán)境條件中的這些 關(guān)鍵的燃油質(zhì)量值。本文公開的多功能纖維光學(xué)傳感器被設(shè)計(jì)為滿足對于復(fù)合材料機(jī)翼的 燃油質(zhì)量感測要求。提出的纖維光學(xué)傳感器消除了燃油箱內(nèi)的電纜和電源的使用，并消除 了復(fù)合材料燃油箱的EMI和雷擊問題。而且，它減小了當(dāng)前商用飛機(jī)中使用的電力傳感器的 大小、重量和功率。然而，本文公開的技術(shù)可以被應(yīng)用至其它類型的液體儲器并且不限于在 機(jī)載燃油箱中使用。
[0033] 圖1是根據(jù)一個實(shí)例的代表多功能纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)的部件的圖。該系統(tǒng) 的纖維光學(xué)燃油傳感器可以被安裝在包含壁20和底部22的燃油箱2內(nèi)。該纖維光學(xué)燃油傳 感器系統(tǒng)使用GaAs光子膜12來測量燃油箱2中液體燃油的溫度、密度和液位。薄的GaAs膜12 在GaAs襯底10的中心部分中形成。由于砷化鎵用于溫度感測中的優(yōu)越性質(zhì)，使用砷化鎵代 替硅。包圍膜12的襯底10的部分具有比膜12的厚度大的厚度。優(yōu)選地，GaAs膜具有0.01到 0.5mm范圍內(nèi)的厚度和一定的直徑，使得當(dāng)燃油壓力施加在膜的頂面上時，它將是足夠柔性 的。優(yōu)選地，GaAs膜12具有大體上水平的定向。
[0034] GaAs襯底10是密封的纖維光學(xué)組件4的部件，其可以作為預(yù)組裝單元被安裝在燃 油箱2中。GaAs襯底10的外圍粘合至也為纖維光學(xué)組件4的一部分的罩6。罩6連同GaAs襯底 12有效地將燃油箱2的內(nèi)部體積分為燃油儲料艙50(填充燃油)和腔52(不具有燃油hGaAs 襯底12被密封至罩6以防止燃油從燃油儲料艙50通過襯底/罩界面進(jìn)入腔52。
[0035]優(yōu)選地，至少GaAs膜12上面的空間被細(xì)篩網(wǎng)過濾器26封閉并保護(hù)，該過濾器26過 濾掉來自占據(jù)GaAs膜12上面的空間的燃油的大尺寸殘留物、顆?；蛭酃浮Ｔ趫D1中顯示的實(shí) 例中，過濾器26被包圍GaAs襯底10上面的空間的支撐壁24所支撐。過濾器支撐壁24可以附 接至GaAs襯底10的外圍或者可以是罩6的延伸，其在GaAs襯底10的頂面的高度之上包圍和 延伸。過濾器26和過濾器支撐壁24可以并入預(yù)組裝纖維光學(xué)組件4中或者在纖維光學(xué)組件4 的安裝之后被附接。過濾器26被配置為容許液體燃油進(jìn)入GaAs膜12上面并且在支撐壁24內(nèi) 的空間內(nèi)，同時排除來自所述空間外部的顆粒物質(zhì)。
[0036] 仍參照圖1，纖維光學(xué)組件4進(jìn)一步包括光纖8a、纖維光學(xué)連接器14以及纖維對準(zhǔn) 和鎖定支架(pedestal) 16。纖維光學(xué)連接器14固定地位于罩6的開口中，但是當(dāng)組件4被安 裝時，纖維光學(xué)連接器14具有突出罩6并通過燃油箱2的壁20中的開口的部分。纖維光學(xué)連 接器14被密封在罩6中的開口和燃油箱2的壁20中的開口二者中，使得燃油不能從燃油儲料 艙50流入腔52或者在纖維光學(xué)連接器14的區(qū)域中流出燃油箱2。
[0037]纖維對準(zhǔn)和鎖定支架16通過圖1中未顯示的支撐結(jié)構(gòu)連接至罩6的底部。該支撐結(jié) 構(gòu)可包括將纖維對準(zhǔn)和鎖定支架16連接至罩6的底部的足夠剛性的結(jié)構(gòu)。連接結(jié)構(gòu)應(yīng)該是 足夠堅(jiān)硬的，以便纖維對準(zhǔn)和鎖定支架16是穩(wěn)固的并且在飛行器的操作期間盡可能少地移 動。更具體而言，纖維對準(zhǔn)和鎖定支架16以如此方式支撐光纖8a的遠(yuǎn)端，使得該遠(yuǎn)端的表面 面對GaAs膜12的底面，在其間具有恒定長度的小間隙。該小間隙在本文中被稱為光學(xué)共振 腔并且由圖2和其它附圖中的標(biāo)記"Of指示。
[0038] 預(yù)組裝單元的安裝和拆卸具有如下優(yōu)點(diǎn):整個單元在故障事件中可以被容易地替 換或者拆卸進(jìn)行修理。然而，在可選實(shí)例中，光纖8a和GaAs襯底10可以使用與燃油箱2集成 的支撐結(jié)構(gòu)以相同的空間關(guān)系支撐，只要支撐結(jié)構(gòu)限定了密封的腔，在該腔中光纖不與燃 油箱中的燃油接觸。
[0039] 在圖1中描繪的實(shí)例中，膜由砷化鎵制成，其是直接帶隙材料。然而，可以使用其它 直接帶隙材料，比如磷化銦（InP)。如果電子和空穴的動量在導(dǎo)帶和價帶二者中相同，則帶 隙是"直接的"，這意味著電子可以直接發(fā)射光子而不經(jīng)過中間態(tài)并且不將動量轉(zhuǎn)移至晶體 結(jié)構(gòu)。
[0040] 密封的纖維光學(xué)組件4內(nèi)的光纖8a(優(yōu)選地多模的，但是單模的是可接受的）與 GaAs襯底10的中心部分中的GaAs膜12的底面對齊并與其面對。術(shù)語單模是指包括具有從8 到10微米的芯徑范圍的光纖，該光纖在纖維中僅傳輸單光波導(dǎo)模式。單模纖維是具有大約 125微米的總直徑的玻璃光纖，芯周圍具有包層。同樣地，術(shù)語多模是指包括具有從50微米 到lmm的芯徑的光纖。多模纖維由于其大的芯徑在纖維中傳輸多光波導(dǎo)模式。多模纖維可以 由玻璃或塑料制成。玻璃多模光纖具有從125到140微米范圍內(nèi)的總直徑，芯周圍具有包層， 而塑料多模纖維具有從0.1到0.98mm范圍內(nèi)的芯徑和從0.25到1mm范圍內(nèi)的總直徑，芯周圍 具有包層。優(yōu)選地，光纖8a的遠(yuǎn)端精確地與GaAs膜12的中心對齊并且使用高可靠性纖維焊 接工藝附接至纖維對齊和鎖定支架16。光纖8a的近端通過插入燃油箱2的壁20中的開口的 氣密且防漏的纖維光學(xué)連接器14光學(xué)地耦合至光纖8b(布置在燃油箱2的外部)的一端。 [0041 ] 燃油箱2內(nèi)的光纖8a通過光纖8b光學(xué)地耦合至1 X4纖維光學(xué)耦合器28的輸出端。1 X4纖維光學(xué)耦合器28的功能是將來自位于燃油箱2外部的光源的光信號耦合至燃油箱2內(nèi) 的光纖8a中，然后將來自光纖8a的光信號耦合至位于燃油箱2外部的光譜儀中，用于分析來 自GaAs膜12的光信號。另一方面，1 X4纖維光學(xué)耦合器28連接至四個光纖8c到8f。
[0042] 一對光纖8c到8d用于加熱和溫度感測GaAs膜12的底面。光纖8c連接至光源32(例 如，激光二極管），光源32由激光驅(qū)動器34驅(qū)動以提供850-nm激光源(經(jīng)由纖維光學(xué)耦合器 28、光纖8b、纖維光學(xué)連接器14和光纖8a)以照亮GaAs膜12的底面。纖維光學(xué)組件4內(nèi)的光纖 8a將850-nm光信號耦合至跨過光學(xué)共振腔的GaAs膜12的底面。代表自GaAs膜12的底面反射 的光信號（由鄰近圖1中的光纖8d的箭頭指示)被光纖8a、纖維光學(xué)連接器14、光纖8b、纖維 光學(xué)耦合器28和光纖8d耦合返回至溫度探查光譜儀36。
[0043]圖2是表明由圖1中示意性描繪的纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)采用的GaAs光子膜燃 油溫度感測原理的圖。砷化鎵是半導(dǎo)體，其具有隨溫度變化的直接帶隙：當(dāng)燃油的溫度降低 時，GaAs膜帶隙增加。這降低了850-nm信號（由圖2中向上的箭頭指示）的吸收。當(dāng)吸收降低 時，反射信號（由圖2中向下的箭頭指示)增加。隨著燃油溫度增加時，GaAs膜12的帶隙減小。 帶隙的這種減小具有增加850-nm光信號的吸收和降低850-nm信號的反射的效果。反射光的 量的增加或減小通過溫度探查光譜儀36被精確地檢測和分析。
[0044] 圖3是GaAs光子膜溫度（°C)對入射在GaAs膜上的850-nm相干光的反射強(qiáng)度R的曲 線圖?；谟蓤D3中顯示的曲線代表的數(shù)據(jù)，溫度探查光譜儀36瞬時測量燃油的溫度并將代 表該燃油溫度的電信號輸出至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42。由于燃油密度是如圖4中所顯示的溫度的公 知函數(shù)，因此計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42可以處理燃油溫度信息并瞬時執(zhí)行用于測定燃油密度D的必要 的計(jì)算。使用由溫度探查光譜儀36測量的溫度，燃油的密度可以在飛行期間或者飛行器在 地面上時的任何時間通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42測定。
[0045] 在已經(jīng)測定燃油密度D之后，燃油液位可以從在GaAs膜12處測量的燃油壓力測定。 返回圖1，另一對光纖8e和8f被用于感測正施加在GaAs膜12上的燃油壓力。光纖8f連接至寬 帶光源38,寬帶光源38被驅(qū)動以提供具有大約40nm的均勻光譜寬度的以1550nm為中心的光 譜(經(jīng)由纖維光學(xué)耦合器28、光纖8b、纖維光學(xué)連接器14和光纖8a)以照亮GaAs膜12的底面。 纖維光學(xué)組件4內(nèi)的光纖8a將1550-nm光信號耦合至跨過光學(xué)共振腔的GaAs膜12的底面。代 表來自GaAs膜12的底面的寬帶光的反射的光信號（由圖1中鄰近光纖8e的箭頭指示)被光纖 8a、纖維光學(xué)連接器14、光纖8b、纖維光學(xué)耦合器28和光纖8e耦合返回至壓力感測光譜儀 40 〇
[0046] 圖5是表明由圖1中示意性描繪的纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)采用的GaAs光子膜燃 油壓力感測原理的圖。使光纖8a的遠(yuǎn)端的表面和GaAs膜12的底面的面對部分分離的距離 (在本文中被稱為"光學(xué)共振腔長度"）由圖1中的可變長度L指示。當(dāng)燃油艙50(參見圖1)是 空的時，光學(xué)共振腔長度具有值L〇;與之相比，當(dāng)燃油艙50具有足夠的燃油，GaAs膜12上面 的空間至少部分地被燃油占據(jù)時，則該燃油將對柔性G a A s膜12施加向下的壓力。施加在 GaAs膜12上的燃油壓力使得膜12向下偏轉(zhuǎn)，從而降低光學(xué)共振腔長度L。由于GaAs膜12的底 面和光纖8a的遠(yuǎn)端的表面形成法布里-珀羅共振腔(又稱法布里-珀羅光譜儀），因此光學(xué)共 振腔長度A L的改變可以使用從法布里-珀羅共振腔返回的多次反射通過壓力感測光譜儀 40測量。
[0047]如圖1中所顯示，燃油液位高度正在動態(tài)地改變。在地面上燃油加滿之后，滿的 (即，初始)燃油液位是hF。與之相比，在飛行期間，飛行中的（即，當(dāng)前的)燃油液位是hf。更具 體而言，h F是從GaAs膜12的高度到燃油箱中滿的燃油液位測量的高度，而hf是從GaAs膜12的 高度到燃油箱2中當(dāng)前燃油液位測量的高度。施加在GaAs膜上的各自的壓力P F和Pf(分別在 加滿和飛行中）、燃油密度D和燃油液位hF和h f之間的關(guān)系可以通過以下方程描述：
[0052]在方程（1)到⑷中，m是燃油的質(zhì)量，g是重力加速度，A是GaAs膜壓力感測面積，和 Vf是加滿后覆蓋在面積A上的燃油的體積。滿的燃油液位高度hF與燃油密度D的關(guān)系在方程 (2)中給出；飛行中燃油液位h f與密度D的關(guān)系在方程(4)中給出。由于密度D可以基于來自 溫度探查光譜儀36的測量數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42測定，因此燃油液位h F和hf可以在各自的 壓力Pf和Pf已經(jīng)通過壓力感測光譜儀40測量之后進(jìn)行測定。
[0053]在圖5中，由GaAs膜12的底面和光纖8a的遠(yuǎn)端的面對表面形成的光學(xué)共振腔長度L 通過以下方程給出：
[0055]其中Μ是操作波長(例如，1550nm)，Δ λ是光學(xué)共振腔的自由光譜范圍，和neff是空 氣的折射率。
[0056] 使用方程(5)，可以從自由光譜范圍Δ λ的測量值測定L。圖6是顯示對于從GaAs光 子膜12反射到壓力感測光譜儀40的光信號，在一定波長范圍內(nèi)的壓力感測反射強(qiáng)度的曲線 圖。如圖6中所示，Δ λ可以通過將1550-nm寬帶光譜的光栗浦至光纖8a，然后獲得從GaAs膜 12反射回到光纖8中的光信號而進(jìn)行測定。然后，壓力感測光譜儀40測定寬帶光源的帶寬內(nèi) 的各自波長的反射信號峰值之間的間距。該峰值波長間距對應(yīng)于自由光譜范圍Αλ。
[0057] 圖6中上部曲線代表具有大約40nm的均勻光譜寬度的以1550nm為中心的寬帶光源 的光譜。來自GaAs膜的反射信號光譜在圖6的下方部分顯示。該光譜中的峰是在光纖8a的遠(yuǎn) 端的表面和GaAs膜12的面對底面之間形成的法布里-珀羅共振腔（圖6中的0C)的共振峰。這 些周期的共振峰之間的間距是自由光譜范圍Αλ。當(dāng)燃油液位改變時，自由光譜范圍通過壓 力感測光譜儀40(參見圖1)瞬時測量。將該信息輸出至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42,其執(zhí)行計(jì)算以測定燃 油液位。
[0058] 在已經(jīng)測量光學(xué)共振腔長度L后，當(dāng)前燃油壓力Pf可以使用下面的方程由L得到， 下面的方程應(yīng)用膜的機(jī)械原理：
[0061] 其中△ L是由于GaAs膜12的位移或偏轉(zhuǎn)而造成的光學(xué)共振腔長度的改變，1是膜寬 度，h是膜厚度，和E是楊氏模量。如前面所提及，△ L = Lo-L，其中當(dāng)燃油艙50是空的時，Lo是 光學(xué)共振腔長度，和L由方程(5)得到。
[0062] 由方程(7)得到的燃油壓力Pf可以用于方程(4)中以得到從GaAs膜12的高度到燃 油箱2中當(dāng)前燃油液位的高度h f。燃油壓力PF可以以類似的方式得到并用于方程(2)中以得 到從GaAs膜12的偏轉(zhuǎn)到滿的燃油液位的高度h F。
[0063] 再次參照圖1，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42被編程以執(zhí)行前面所描述的計(jì)算并且被進(jìn)一步編程 以控制光源和光譜儀。具體而言，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42被編程以監(jiān)測850-nm激光源32和1550-nm寬 帶光源38的運(yùn)行；其還控制溫度探查光譜儀36和燃油壓力感測光譜儀40的測試和測量功 能。
[0064]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42監(jiān)測850-nm激光源32和激光驅(qū)動器34以提供自動溫度控制回路44 以便在飛機(jī)的操作溫度范圍內(nèi)和其它極端環(huán)境條件下驅(qū)動850-nm激光源32為恒定光輸出 功率。例如，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42可以被編程為增加850-nm激光源32的功率以融化在GaAs膜12的 外表面上形成的任何冰。這種能力也可被用于通過在燃油箱2的允許的加熱限度之內(nèi)利用 更高的850-nm激光功率輕微地加熱膜來清潔GaAs膜12的外表面。
[0065] 對于更為先進(jìn)的燃油質(zhì)量監(jiān)測，圖1中描繪的傳感器系統(tǒng)可以通過增加監(jiān)測燃油 的化學(xué)組成的部件而增強(qiáng)。這種增強(qiáng)在圖7中顯示。圖7中描繪的系統(tǒng)與圖1中顯示的系統(tǒng)不 同，其區(qū)別在于增加了用于測定燃油化學(xué)組成的1060-nm激光源46和拉曼光譜儀48; 1X4纖 維光學(xué)耦合器28被1 X6纖維光學(xué)耦合器30取代;和增加了一對光纖8g和8h以將1 X6纖維光 學(xué)耦合器30連接至1060-nm激光源46和拉曼光譜儀48。這些部件用于監(jiān)測燃油箱2中燃油化 學(xué)組成以便燃油質(zhì)量保證。光纖8g與1060-nm激光源46連接并且光纖8h連接至拉曼光譜儀 48。1060-nm激光源46通過1 X 6纖維光學(xué)親合器30被光學(xué)地親合至燃油箱2內(nèi)的光纖8a中。 來自占據(jù)GaAs膜12上面的空間的燃油的散射光信號穿過膜，進(jìn)入光纖8a的遠(yuǎn)端，然后通過1 X 6纖維光學(xué)耦合器30被耦合至拉曼光譜儀48中。
[0066] 圖8是表明由圖7中示意性描繪的纖維光學(xué)燃油傳感器系統(tǒng)采用的感測燃油化學(xué) 組成的方法下的原理的圖，該方法使用GaAs光子膜12和拉曼技術(shù)。耦合至光纖8a中的1060-nm 激光束對于 GaAs 膜 12 而言是透明的 （如圖 8 中向上指的虛線箭頭所指示的 ）。這是由于與 1060-nm激光束的光子能量相比較大的GaAs帶隙。利用GaAs對于1060-nm相干光透明性的優(yōu) 點(diǎn)，1060-nm激光束穿過GaAs膜12并進(jìn)入由燃油占據(jù)的膜上面的空間。1060-nm光子激發(fā)燃 油分子中的電子至更高的振動態(tài)。當(dāng)這些激發(fā)的電子弛豫到它們各自的基態(tài)時，它們發(fā)射 具有比吸收的光子更低能量的光子，產(chǎn)生自1060-nm光源波長的波長位移。這種能量差別是 正在被激發(fā)的材料的公知的斯托克斯位移。不同的分子具有不同的斯托克斯位移，其性質(zhì) 可用于測定燃油的化學(xué)組成。可將不同時間下的化學(xué)組成進(jìn)行比較，以指示燃油分子結(jié)構(gòu) 的改變。監(jiān)測燃油分子結(jié)構(gòu)對于燃油質(zhì)量保證是非常重要的。拉曼散射信號被耦合通過 GaAs膜12返回燃油箱2內(nèi)的光纖8a中，然后至燃油箱2外的拉曼光譜儀48中。拉曼光譜儀48 然后分析從燃油返回的光譜并且輸出包含如此信息的拉曼"標(biāo)記圖（signature)"，該信息 代表了為波數(shù)的函數(shù)的信號強(qiáng)度。拉曼光譜儀48輸出該標(biāo)記圖至計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42,其被編程 以將進(jìn)入的拉曼標(biāo)記圖與參比拉曼標(biāo)記圖比較，測定進(jìn)入的拉曼標(biāo)記圖中顯示的峰值波長 的各自的位移，然后基于峰值波長的那些位移識別燃油化學(xué)組成的任何改變。
[0067]圖9是顯示峰值信號強(qiáng)度的位移對由拉曼光譜儀48檢測的波數(shù)的曲線圖。峰值信 號強(qiáng)度的這些位移指示燃油化學(xué)組成的改變。在圖9中所顯示的實(shí)例中，一個拉曼標(biāo)示圖 (如圖9中"參比標(biāo)示圖"所指示)代表具有初始化學(xué)組成的燃油的拉曼光譜。圖9中的其它拉 曼標(biāo)示圖代表具有如此化學(xué)組成的燃油的拉曼光譜:其偏離由第一拉曼標(biāo)示圖代表的初始 化學(xué)組成。峰值波長的各自位移由圖9中的Δ Μ、Δ \2和Δ λ3指示。這些位移指示燃油化學(xué)組 成的改變已經(jīng)發(fā)生。
[0068]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42在飛機(jī)的操作溫度下監(jiān)測1060-nm激光源46為恒定輸出功率，并且 其還監(jiān)測拉曼光譜儀48的操作用于校準(zhǔn)、檢測和測量。
[0069]圖1中描繪的光耦合器28和光纖8c到8f形成了光網(wǎng)絡(luò)。同樣地，圖7中描繪的光耦 合器30和光纖8c到8h形成了光網(wǎng)絡(luò)。
[0070] 上面公開的纖維光學(xué)傳感器使用證實(shí)的和合格的光纖、光學(xué)部件和測量器械。不 需要電容感測和測量;傳感器在燃油箱內(nèi)不具有活躍的電子操縱。不需要信號配線的屏蔽/ 結(jié)合/接地。不存在使燃油點(diǎn)火的可能性。傳感器不受由于雜散配線電容/電感而造成的問 題的困擾。由于使用光學(xué)燃油傳感器來測量燃油液位，可以降低飛機(jī)的重量和成本。而且感 測光纖不暴露于燃油或不與燃油接觸。
[0071] 每個光纖都是由擠出的玻璃或塑料制成的柔性的、光學(xué)地透明的或半透明的纖 維。它可以起波導(dǎo)或光導(dǎo)管的作用以在纖維的兩端之間傳輸光。光纖通常包括具有相對較 高折射率的透明的或半透明的芯，所述芯被具有相對較低折射率的透明的或半透明的包層 材料圍繞。通過全內(nèi)反射將光保持在芯中。這導(dǎo)致光纖作為波導(dǎo)管起作用。
[0072]計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42可包括一個或多個專用的微處理器或者一個或多個通用計(jì)算機(jī)，并 且可以酌情通過使用查找表、校正曲線、或求解方程來計(jì)算測量的燃油液位（即，高度）。駕 駛艙中顯示的燃油量表(附圖中未顯示)可以被控制以基于由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42接收的光譜數(shù) 據(jù)指示存在于燃油箱內(nèi)的燃油的量。
[0073] 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42可以是位于飛行器上的計(jì)算機(jī)或飛行控制系統(tǒng)的一部分。在識別存 在于不規(guī)則形狀的燃油箱中的燃油的量中，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42可以執(zhí)行不同的程序以基于從適 當(dāng)?shù)匚挥谌加拖涞牟煌撝械亩鄠€GaAs膜接收的數(shù)據(jù)來計(jì)算存在的燃油的量。燃油信息處 理軟件可包括考慮到燃油箱的形狀以測定燃油箱中剩余的燃油量的程序。燃油信息處理軟 件可進(jìn)一步包括用于校正過程以在首次使用之前形成基線或維持燃油讀數(shù)準(zhǔn)確度的程序。 由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)42提供給燃油量表的讀數(shù)可以在呈現(xiàn)之前被積分或平均并且可以以不同的 時間間隔提供。
[0074] 在圖1和7中所顯示的實(shí)例中，光纖被用于測量燃油箱中的燃油的液位。在其它實(shí) 例中，可以使用相同的裝置來檢測其它液體。例如，上面描述的系統(tǒng)可用于檢測容器中水的 存在或檢測液壓系統(tǒng)的儲器中液壓液的存在。為了說明的目的呈現(xiàn)了檢測燃油箱中燃油的 說明，并且不意欲限制其中可以使用圖1和7中顯示的系統(tǒng)的方式。
[0075] 使用電力傳感器的機(jī)翼燃油箱系統(tǒng)可以通過取代本文公開的光學(xué)傳感器而改造。 用于電力傳感器的雙重屏蔽的電氣布線可以利用輕的和柔性的塑料光纖代替，消除了來自 布線和支撐架的重量，并且消除了來自電氣布線的雷擊、短路、磨損的電磁效應(yīng)。
[0076] 進(jìn)一步，公開內(nèi)容包括根據(jù)以下條款的實(shí)例：
[0077] 條款1.用于儲存液體的系統(tǒng)，包括:包含外殼的儲器;布置在所述外殼內(nèi)的限定腔 的結(jié)構(gòu)，其將所述外殼的內(nèi)部體積分為儲料艙和彼此密封的腔，所述限定腔的結(jié)構(gòu)包括具 有部分地限定所述儲料艙的頂面和部分地限定所述腔的底面的膜，和支撐所述膜并部分地 限定所述腔的罩;和布置在所述腔的內(nèi)部的具有一定長度的光纖，所述長度的光纖具有遠(yuǎn) 端，該遠(yuǎn)端具有面對所述膜的所述底面的表面，在其間具有間隙，其中所述膜由具有直接帶 隙的半導(dǎo)體材料制成。
[0078]條款2.條款1中所敘述的系統(tǒng)，其中所述膜是充分薄的以便當(dāng)正施加在其頂面上 的壓力的大小改變時，所述膜能夠向上或向下彎曲。
[0079 ]條款3.條款2中所敘述的系統(tǒng)，其中所述膜具有0.01到0.5mm范圍內(nèi)的厚度。
[0080]條款4.條款1中所敘述的系統(tǒng)，其中所述半導(dǎo)體材料是砷化鎵或磷化銦。
[0081]條款5.條款1中所敘述的系統(tǒng)，其中所述光纖是單模或多模光纖。
[0082] 條款6.條款1中所敘述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括:過濾器支撐壁，其包圍覆蓋所述膜的 所述儲料艙內(nèi)的空間；和由所述過濾器支撐壁支撐的過濾器，所述過濾器被配置為容許液 體進(jìn)入所述空間內(nèi)，同時排除來自所述空間外部的顆粒物質(zhì)。
[0083] 條款7.條款1中所敘述的系統(tǒng)，其中所述間隙具有使得所述膜的所述底面和所述 光纖的所述遠(yuǎn)端的面對表面形成法布里-珀羅共振腔的尺寸。
[0084]條款8.條款1中所敘述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括纖維光學(xué)連接器，其位于并密封至所述 外殼的開口并且密封至所述罩的開口，其中所述長度的所述光纖的另一端耦合至所述纖維 光學(xué)連接器。
[0085] 條款9.條款1中所敘述的系統(tǒng)，其中所述儲器并入飛行器的機(jī)翼中。
[0086] 條款10.條款1中所敘述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括:用于輸出光的光源;用于將接收的光 轉(zhuǎn)變?yōu)榇斫邮盏墓獾奶匦缘碾娦盘柕墓庾V儀;和將所述光源和所述光譜儀光學(xué)地耦合至 所述光纖的光耦合器。
[0087] 條款11.條款10中所敘述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其被編程以基于從所述 光譜儀接收的電信號計(jì)算儲器中包含的液體的參數(shù)的值。
[0088] 條款12.條款11中所敘述的系統(tǒng)，其中所述參數(shù)選自：液體的溫度、液體的壓力、液 體的液位和液體的化學(xué)組成。
[0089 ]條款13.條款10中所敘述的系統(tǒng)，其中所述光源是激光源或?qū)拵Ч庠础?br>[0090] 條款14.用于儲存液體的系統(tǒng)，包括:儲存箱;布置在所述儲存箱內(nèi)的密封的組件； 所述密封的組件包括膜和一定長度的光纖，其中所述膜具有為所述密封的組件的外表面的 一部分的頂面和為所述密封的組件的內(nèi)表面的一部分的底面，其中所述膜由具有直接帶隙 的半導(dǎo)體材料制成，并且所述長度的光纖具有遠(yuǎn)端，所述遠(yuǎn)端具有面對所述膜的所述底面 的表面，在其間具有間隙；用于輸出光的第一光源；用于將接收的光轉(zhuǎn)變?yōu)榇斫邮盏墓獾?特性的電信號的第一光譜儀;和將所述光源和所述光譜儀光學(xué)地耦合至所述長度的光纖的 光纖網(wǎng)絡(luò)，所述光纖網(wǎng)絡(luò)包括光耦合器。
[0091] 條款15.條款14中所述的系統(tǒng)，其中所述第一光源是激光源并且所述第一光譜儀 是溫度探查光譜儀，進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其被編程以在從所述激光源輸出光之后基于 從所述溫度探查光譜儀接收的電信號測定所述儲存箱中包含的液體的溫度。
[0092]條款16.條款14中所述的系統(tǒng)，其中所述第一光源是寬帶光源并且所述第一光譜 儀是壓力感測光譜儀，進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其被編程以在從寬帶光源輸出光之后基于 從所述壓力感測光譜儀接收的電信號測定所述儲存箱中包含的液體的壓力。
[0093]條款17.條款14中所述的系統(tǒng)，其中所述第一光源是激光源并且所述第一光譜儀 是拉曼光譜儀，和進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其被編程以在從所述激光源輸出光之后基于從 所述拉曼光譜儀接收的電信號測定所述儲存箱中包含的液體的化學(xué)組成。
[0094]條款18.條款14中所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括：用于輸出光的第二光源，所述第二光 源通過所述光纖網(wǎng)絡(luò)光學(xué)地耦合至所述長度的光纖;用于將接收的光轉(zhuǎn)變?yōu)榇斫邮盏墓?的特性的電信號的第二光譜儀，所述第二光譜儀通過光纖網(wǎng)絡(luò)光學(xué)地耦合至所述長度的光 纖;和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其被編程以基于從所述第一和第二光譜儀接收的電信號計(jì)算儲存箱中 包含的液體的液位。
[0095]條款19.條款18中所述的系統(tǒng)，其中所述第一光源是激光源并且所述第二光源是 寬帶光源，并且其中所述計(jì)算機(jī)系統(tǒng)被進(jìn)一步編程以執(zhí)行以下操作:基于從所述第一光譜 儀接收的電信號測定所述儲存箱中包含的液體的溫度;基于測定的溫度計(jì)算所述儲存箱中 包含的液體的密度;基于從所述第二光譜儀接收的電信號測定所述儲存箱中包含的液體的 壓力;和基于計(jì)算的密度和測定的壓力計(jì)算所述儲存箱中包含的液體的液位。
[0096]條款20.條款14中所述的系統(tǒng)，其中所述半導(dǎo)體材料是砷化鎵或磷化銦。
[0097]條款21.用于測定儲存在儲存箱中的液體的特性的方法，其包括:將密封的組件放 置在儲存箱內(nèi)，該密封的組件包括膜和一定長度的光纖，其中膜具有為密封的組件的外表 面的一部分的頂面和為密封的組件的內(nèi)表面的一部分的底面，其中膜由具有直接帶隙的半 導(dǎo)體材料制成，并且該長度的光纖具有遠(yuǎn)端，所述遠(yuǎn)端具有面對膜的底面的表面，在其間具 有間隙；從第一光源發(fā)射光，其進(jìn)入光纖的近端，離開光纖的遠(yuǎn)端，并入射在膜的底面上;在 光已經(jīng)由第一光源發(fā)射之后，引導(dǎo)來自膜的光，其朝向光纖的近端進(jìn)入光纖的遠(yuǎn)端;在光已 經(jīng)由第一光源發(fā)射之后，使用第一光譜儀測量離開光纖近端的光的第一性質(zhì)；和處理由第 一光譜儀輸出的電子數(shù)據(jù)以測定布置在儲存箱內(nèi)并且在膜之上的液體的第一特性。
[0098]條款22.條款21中所述的方法，進(jìn)一步包括:從第二光源發(fā)射光，其進(jìn)入光纖的近 端，離開光纖的遠(yuǎn)端，并入射在膜的底面上;在光已經(jīng)由第二光源發(fā)射之后，引導(dǎo)來自膜的 光，其朝向光纖的近端進(jìn)入光纖的遠(yuǎn)端;在光已經(jīng)由第二光源發(fā)射之后，使用第二光譜儀測 量離開光纖近端的光的第二性質(zhì);和處理由第二光譜儀輸出的電子數(shù)據(jù)以測定布置在儲存 箱內(nèi)并且在膜之上的液體的第二特性。
[0099]條款23.條款22中所述的方法，其中所述第一特性是溫度并且所述第二特性是壓 力，進(jìn)一步包括:基于測定的溫度計(jì)算儲存箱中包含的液體的密度;和基于計(jì)算的密度和測 定的壓力計(jì)算儲存箱中包含的液體的液位。
[0100]雖然具有由直接帶隙半導(dǎo)體材料制成的膜的光學(xué)燃油傳感器已經(jīng)參考不同的實(shí) 例進(jìn)行了描述，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，可以做出不同的改變并且等價物可以被其要 素代替，而不背離本文的教導(dǎo)。此外，可以進(jìn)行許多改變以適應(yīng)本文對具體情況公開的實(shí)踐 的概念和約簡。因此，意圖是權(quán)利要求書覆蓋的主題不限于公開的實(shí)例。
[0101] 如權(quán)利要求書中所使用，術(shù)語"計(jì)算機(jī)系統(tǒng)"應(yīng)當(dāng)被寬泛地解釋為包含具有至少一 個計(jì)算機(jī)或處理器的系統(tǒng)，并且其可以具有通過網(wǎng)絡(luò)或總線通訊的多個計(jì)算機(jī)或處理器。 如前面的句子中所使用的，術(shù)語"計(jì)算機(jī)"和"處理器"二者指的是具有處理單元(例如，中央 處理單元)和一些形式的存儲器（即，計(jì)算機(jī)可讀的介質(zhì)）的設(shè)備，用于存儲通過處理單元可 讀的程序。
[0102] 此外，所附的權(quán)利要求書中的方法權(quán)利要求不應(yīng)當(dāng)被解釋為需要以字母順序(權(quán) 利要求書中的任何字母排序僅用于引用前面所敘述的步驟的目的）或者以他們被敘述的方 式執(zhí)行本文中敘述的步驟。它們也不應(yīng)當(dāng)被解釋為排除被同時或交替執(zhí)行的兩個或更多個 步驟的任何部分。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 用于儲存液體的系統(tǒng)，包括： 包括外殼(20、22)的儲器(2); 布置在所述外殼(20、22)內(nèi)的限定腔的結(jié)構(gòu)(4)，其將所述外殼（20、22)的內(nèi)部體積分 為儲料艙(50)和彼此密封的腔(52)，所述限定腔的結(jié)構(gòu)(4)包括具有部分地限定所述儲料 艙(50)的頂面和部分地限定所述腔(52)的底面的膜(12)，和支撐所述膜(12)并部分地限定 所述腔(52)的罩(6);和 在所述腔（52)的內(nèi)部布置的具有一定長度的光纖(8a)，所述長度的光纖（8a)具有遠(yuǎn) 端，所述遠(yuǎn)端具有面對所述膜(12)的所述底面的表面，在其間具有間隙， 其中所述膜(12)由具有直接帶隙的半導(dǎo)體材料制成。2. 權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中所述膜（12)是充分薄的以便當(dāng)正施加在其頂面上的 壓力的大小改變時，所述膜(12)能夠向上或向下彎曲。3. 權(quán)利要求2中所述的系統(tǒng)，其中所述膜(12)具有0.01到0.5_范圍內(nèi)的厚度。4. 權(quán)利要求1中所述的系統(tǒng)，其中所述半導(dǎo)體材料是砷化鎵或磷化銦。5. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述光纖(8a)是單?；蚨嗄９饫w。6. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括： 過濾器支撐壁(24 )，其包圍覆蓋所述膜(12)的所述儲料艙(50)內(nèi)的空間;和 由所述過濾器支撐壁(24)支撐的過濾器(26)，所述過濾器(26)被配置為容許液體進(jìn)入 所述空間內(nèi)，同時排除來自所述空間外部的顆粒物質(zhì)。7. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述間隙具有使得所述膜（12)的所述底面和所述光纖 (8a)的所述遠(yuǎn)端的面對表面形成法布里-珀羅共振腔的尺寸。8. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括纖維光學(xué)連接器（14)，其位于和密封至所述外殼 (20、22)的開口并且密封至所述罩(6)的開口，其中所述長度的所述光纖(8a)的另一端耦合 至所述纖維光學(xué)連接器(14)。9. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述儲器(2)并入飛行器的機(jī)翼中。10. 權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括： 用于輸出光的光源(32、38或46); 用于將接收的光轉(zhuǎn)變?yōu)榇硭鼋邮盏墓獾奶匦缘碾娦盘柕墓庾V儀(36、40或48);和 將所述光源（32、38或46)和所述光譜儀(36、40或48)光學(xué)地耦合至所述光纖(8a)的光 耦合器(30)。11. 權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括計(jì)算機(jī)系統(tǒng)(42)，其被編程以基于從所述光譜 儀(36、40或48)接收的電信號計(jì)算所述儲器(2)中包含的液體的參數(shù)的值。12. 權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述參數(shù)選自：所述液體的溫度、所述液體的壓力、所 述液體的液位和所述液體的化學(xué)組成。13. 權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其中所述光源(32、38或46)是激光源(32或46)或?qū)拵Ч庠?(38)〇14. 用于測定儲存在儲存箱(2)中的液體的特性的方法，其包括： 將密封的組件(4)放置在所述儲存箱（2)內(nèi)，所述密封的組件(4)包括膜（12)和一定長 度的光纖(8a)，其中所述膜（12)具有為所述密封的組件(4)的外表面的一部分的頂面和為 所述密封的組件(4)的內(nèi)表面的一部分的底面，其中所述膜（12)由具有直接帶隙的半導(dǎo)體 材料制成，并且所述長度的光纖(8a)具有遠(yuǎn)端，所述遠(yuǎn)端具有面對所述膜（12)的所述底面 的表面，在其間具有間隙； 從第一光源(32、38或46)發(fā)射光，其進(jìn)入所述光纖(8a)的近端，離開所述光纖(8a)的遠(yuǎn) 端，并入射在所述膜(12)的底面上； 在所述光已經(jīng)由所述第一光源(32、38或46)發(fā)射之后，引導(dǎo)來自所述膜（12)的光，其朝 向所述光纖(8a)的近端進(jìn)入所述光纖(8a)的遠(yuǎn)端； 在所述光已經(jīng)由所述第一光源(32、38或46)發(fā)射之后，使用第一光譜儀(36、40或48)測 量離開所述光纖(8a)的所述近端的所述光的第一性質(zhì);和 處理由所述第一光譜儀（36、40或48)輸出的電子數(shù)據(jù)以測定布置在所述儲存箱（2)內(nèi) 并且在所述膜(12)之上的液體的第一特性。15. 權(quán)利要求14中所述的方法，進(jìn)一步包括： 從第二光源（32、38或46)發(fā)射光，其進(jìn)入所述光纖（8a)的近端，離開所述光纖（8a)遠(yuǎn) 端，并入射在所述膜(12)的底面上； 在所述光已經(jīng)由所述第二光源(32、38或46)發(fā)射之后，引導(dǎo)來自所述膜（12)的光，其朝 向所述光纖(8a)的近端進(jìn)入所述光纖(8a)的遠(yuǎn)端； 在所述光已經(jīng)由所述第二光源(32、38或46)發(fā)射之后，使用第二光譜儀(36、40或48)測 量離開所述光纖(8a)的所述近端的光的第二性質(zhì);和 處理由所述第二光譜儀（32、38或46)輸出的電子數(shù)據(jù)以測定布置在所述儲存箱（2)內(nèi) 并且在所述膜(12)之上的液體的第二特性。16. 權(quán)利要求15所述的方法，其中所述第一特性是溫度并且所述第二特性是壓力，進(jìn)一 步包括： 基于所測定的溫度計(jì)算所述儲存箱(2)中包含的所述液體的密度;和 基于所計(jì)算的密度和所測定的壓力計(jì)算所述儲存箱(2)中包含的所述液體的液位。
【文檔編號】G01F23/292GK105865578SQ201610083808
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年2月5日
【發(fā)明人】E·Y-J·陳
【申請人】波音公司