本发明属于光纤液位传感器技术领域，具体涉及一种基于压力测量的光纤液位传感器及其制备方法。
背景技术：
目前，国内的飞机在燃油油量测量中，大多采用电容式油量传感器和浮子电阻式油量传感器。
电容式油量传感器：
电容式油量传感器是利用空气与被测液体的介电常数不同，将液位变化转变为电容变化来测量液位高度的原理。但电容信号易受干扰、需要进行单独的温度补偿、在燃油中沉积的水会造成传感器短路，造成虚警。
浮子电阻式油量传感器：
浮子电阻式油量传感器则是采用一个足够大的浮子，由杠杆机构连接至一个恒转矩或摆锤上，通过浮子随液位的升降带动齿轮机构的转动，从而带动电刷滑动，输出不同的电阻值，达到对液位的测量。这种测量原理的传感器的缺点是体积和重量较大，测量精度低，可靠性差等。
技术实现要素：
本发明针对上述现有技术的不足之处，提供一种基于压力测量的光纤液位传感器及其制备方法，制备的光纤液位传感器抗电磁干扰能力强、可靠性高。
本发明主要通过以下技术方案实现：
一种基于压力测量的光纤液位传感器，包括：顶面设置顶部开口、侧壁等距开设m个窗口、底面密封的方形丙烯酸管；所述方形丙烯酸管中安装m个串接的光纤光栅压力传感器，且m个光纤光栅压力传感器与方形丙烯酸管上的m个窗口一一对应安装；所述光纤光栅压力传感器主要由应力感应隔膜、方形铝垫片、圆形挡环以及预置在应力感应隔膜中的光纤光栅组成；所述方形铝垫片的中心设置中心圆腔；所述圆形挡环的中心设置贯通的中心圆孔；所述方形铝垫片与圆形挡环通过螺栓或螺钉连接，并将位于方形铝垫片、圆形挡环之间的应力感应隔膜夹持固定，同时光纤光栅压力传感器通过方形铝垫片或圆形挡环安装于窗口，且应力感应隔膜从窗口外露。
进一步地，为了更好的实现本发明，每个窗口的中心与对应的光纤光栅压力传感器中的应力感应隔膜的中心位置对齐。
进一步地，为了更好的实现本发明，每个光纤光栅压力传感器中应力感应隔膜、方形铝垫片、圆形挡环的中心位置对齐。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述光纤光栅压力传感器通过方形铝垫片安装在窗口时，采用以下任意一种连接方式：
连接方式一：所述方形铝垫片通过短螺栓固定在窗口处；
连接方式二：所述方形铝垫片恰好卡接在方形的窗口上；
连接方式三：所述方形铝垫片与方形丙烯酸管粘接；
连接方式四：所述方形铝垫片同时嵌入设置在窗口左侧、下侧、右侧的承托件中。
采用连接方式一：所述方形铝垫片通过短螺栓固定在窗口处时，方形丙烯酸管在窗口周围设置a螺纹通孔且圆形挡环上设置a螺纹盲孔，短螺栓同时连接a螺纹通孔、a螺纹盲孔。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述光纤光栅压力传感器通过圆形挡环安装在窗口时，采用以下任意一种连接方式：
连接方式a：所述圆形挡环通过短螺栓固定在窗口处；
连接方式b：所述圆形挡环恰好卡接在圆形的窗口上；
连接方式c：所述圆形挡环与方形丙烯酸管粘接。
采用连接方式a：所述圆形挡环通过短螺栓固定在窗口处时，方形丙烯酸管在窗口周围设置b螺纹通孔且圆形挡环上设置b螺纹盲孔，短螺栓同时连接b螺纹通孔、b螺纹盲孔。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述圆形挡环上设置多个第一螺纹通孔，所述方形铝垫片上设置多个与第一螺纹通孔位置对应的第一螺纹盲孔，螺栓同时与第一螺纹通孔、第一螺纹盲孔螺纹连接后将圆形挡环、方形铝垫片连接成一体。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述应力感应隔膜与方形铝垫片之间、应力感应隔膜与圆形挡环之间设置密封用的硅酮密封胶层。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述光纤光栅压力传感器与窗口之间设置密封用的硅酮密封胶层。
本发明还提供了一种基于压力测量的光纤液位传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤s100：制备光纤光栅；
步骤s200：制备应力感应隔膜，同时将制备好的光纤光栅嵌入应力感应隔膜中；
步骤s300：制备方形铝垫片和圆形挡环；
步骤s400：将制备好的应力感应隔膜固定在方形铝垫片和圆形挡环之间，在应力感应隔膜的边缘采用硅酮密封胶密封，在硅酮密封胶固化后切除多余的尺寸，形成光纤光栅压力传感器；
步骤s500：串接多个光纤光栅压力传感器；
步骤s600:将多个光纤光栅压力传感器串接后，安装在一个侧壁上开设多个窗口的方形丙烯酸管上，一个光纤光栅压力传感器对应放置在一个窗口中，且每个传感器与安装窗口之间采用硅酮密封剂进行密封；待传感器与安装窗口之间的硅酮密封剂完全固化后，完成光纤液位传感器的制作。
本发明的有益效果：
(1)本发明的基于压力测量的光纤液位传感器相比于电容式液位传感器，抗电磁干扰能力提高、测量精度高。
(2)本发明的基于压力测量的光纤液位传感器相比于浮子式液位传感器，可靠性高、测量精度高、重量轻、结构简单。
(3)本发明的基于压力测量的光纤液位传感器可以在苛刻极端的环境中使用。
附图说明
图1是本发明中基于压力测量的光纤液位传感器的一种结构示意图。
图2是本发明中基于压力测量的光纤液位传感器的一种结构示意图。
图3是本发明中基于压力测量的光纤液位传感器的一种结构示意图。
图4是本发明中方形丙烯酸管的一种结构示意图。
图5是本发明中方形丙烯酸管的一种结构示意图。
图6是本发明中方形丙烯酸管的一种结构示意图。
图7是光纤光栅压力传感器的结构示意图。
图8是图7中方形铝垫片、圆形挡环、方形丙烯酸管三者拆开的结构示意图。
其中：1、光纤光栅；2、应力感应隔膜；3、方形铝垫片；4、圆形挡环；5、方形丙烯酸管；501、顶部开口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案、优点更加清楚，下面将结合附图对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
本实施例提供了一种基于压力测量的光纤液位传感器，是一种能在军用/民用飞机上测量燃油油量的基于压力测量的光纤液位传感器，具有精度高、电气隔离、抗电磁干扰、耐腐蚀等一系列优点。
具体地：如图1-图8所示，一种基于压力测量的光纤液位传感器，包括：顶面设置顶部开口501、侧壁等距开设5个窗口、底面密封的方形丙烯酸管5；所述方形丙烯酸管5中安装5个串接的光纤光栅压力传感器，且5个光纤光栅压力传感器与方形丙烯酸管5上的5个窗口一一对应安装；所述光纤光栅压力传感器主要由应力感应隔膜2、方形铝垫片3、圆形挡环4以及预置在应力感应隔膜2中的光纤光栅1组成；所述方形铝垫片3的中心设置中心圆腔；所述圆形挡环4的中心设置贯通的中心圆孔；所述方形铝垫片3与圆形挡环4通过螺栓或螺钉连接，并将位于方形铝垫片3、圆形挡环4之间的应力感应隔膜2夹持固定，同时光纤光栅压力传感器通过方形铝垫片3或圆形挡环4安装于窗口，且应力感应隔膜2从窗口外露。
每个窗口的中心与对应的光纤光栅压力传感器中的应力感应隔膜2的中心位置对齐。
如图7、图8所示光纤光栅压力传感器，图8中光纤光栅1未示出。每个光纤光栅压力传感器中应力感应隔膜2、方形铝垫片3、圆形挡环4的中心位置对齐。
所述应力感应隔膜2，扁平的圆柱结构：厚度0.5mm-0.8mm，直径20mm；
所述方形铝垫片3，扁平的方板结构：长度30mm，宽度30mm，厚度6mm；
方形铝垫片3的中心圆腔：直径12mm，深度4mm；
圆形挡环4：外径28mm，内径19mm；
方形丙烯酸管5：外尺寸长度230mm，外尺寸宽度38mm，壁厚3mm；
窗口，方形或者圆形：方形的窗口：长度20mm-30mm，宽度20mm-30mm；圆形的窗口：直径15mm-28mm。
进一步地，所述圆形挡环4上设置多个第一螺纹通孔，所述方形铝垫片3上设置多个与第一螺纹通孔位置对应的第一螺纹盲孔，螺栓同时与第一螺纹通孔、第一螺纹盲孔螺纹连接后将圆形挡环4、方形铝垫片3连接成一体。
进一步地，所述光纤光栅压力传感器通过方形铝垫片3安装在窗口时，采用以下任意一种连接方式：
连接方式一：所述方形铝垫片3通过短螺栓固定在窗口处；如图1、图4所示；
连接方式二：所述方形铝垫片3恰好卡接在方形的窗口上；如图2、图5所示；
连接方式三：所述方形铝垫片3与方形丙烯酸管5粘接；如图2、图5所示；
连接方式四：所述方形铝垫片3同时嵌入设置在窗口左侧、下侧、右侧的承托件中。
采用连接方式一：所述方形铝垫片3通过短螺栓固定在窗口处时，方形丙烯酸管5在窗口周围设置a螺纹通孔且圆形挡环4上设置a螺纹盲孔，短螺栓同时连接a螺纹通孔、a螺纹盲孔。
进一步地，所述光纤光栅压力传感器通过圆形挡环4安装在窗口时，采用以下任意一种连接方式：
连接方式a：所述圆形挡环4通过短螺栓固定在窗口处；如图3所示；
连接方式b：所述圆形挡环4恰好卡接在圆形的窗口上；如图3、图6所示；
连接方式c：所述圆形挡环4与方形丙烯酸管5粘接；如图3、图6所示。
采用连接方式a：所述圆形挡环4通过短螺栓固定在窗口处时，方形丙烯酸管5在窗口周围设置b螺纹通孔且圆形挡环4上设置b螺纹盲孔，短螺栓同时连接b螺纹通孔、b螺纹盲孔。
进一步地，所述应力感应隔膜2与方形铝垫片3之间、应力感应隔膜2与圆形挡环4之间设置密封用的硅酮密封胶层。所述光纤光栅压力传感器与窗口之间设置密封用的硅酮密封胶层。
本实施例中，多个串接的光纤光栅压力传感器通过一个方形丙烯酸管5进行固定支撑，方形丙烯酸管5底部密封、顶部开口501，管内的气压保持相对恒定，使得位于液体表面上方的光纤光栅压力传感器都将测得相同的环境压力，而液体表面下方的光纤光栅压力传感器的压力值将随浸没深度线性增加。因此，通过对液体表面下方的光纤光栅压力传感器的压力读数进行线性回归，可以精确确定液位高度。
实施例2：
制备实施例1中所述的基于压力测量的光纤液位传感器的方法，具体步骤如下：
步骤s100：制备光纤光栅1。
利用相位掩膜法对聚合物光纤进行刻制，使其折射率周期性变化，形成光纤光栅1，当周期满足布拉格条件时，每个周期性的折射率调制反射回来的光模式累加，最后会在光纤反向形成一个特定的反射波长，即光纤布拉格波长，该光纤布拉格波长(反射波长)由光栅折射率和周期参数决定：
λb＝2neffλ(1)
其中：λb是光纤布拉格波长；
neff是光栅折射率，具体为光纤纤芯的折射率；
λ为光栅周期。
本实施例中，具体将光纤(聚合物光纤)用来自氦气的光从位于顶部的相位掩模上方照射来进行刻制，达到以下三点要求：
1、光纤光栅1中心波长为：1532nm、1534nm、1536nm、1538nm、1540nm，即每个光纤光栅1的中心波长间隔2nm，
2、光纤光栅1的反射率>90％，
3、光纤光栅1的边模抑制比>15db。
步骤s200：制备应力感应隔膜2，同时将制备好的光纤光栅1嵌入应力感应隔膜2中。
所述步骤s200在制备应力感应隔膜2的同时将制备好的光纤光栅1嵌入其中，具体步骤如下：
步骤a：通过匀速搅拌混合，确保硅橡胶材料中的碱和固化剂的充分混合，得到夹杂气泡的硅橡胶溶液；
步骤b：然后将夹杂气泡的硅橡胶溶液放置在真空室中除去夹杂的气泡；
步骤c：将光纤光栅1放置在圆形塑料容器中，确保光纤光栅1经过圆形塑料容器的直径；
步骤d：将没有气泡的硅橡胶溶液缓慢的倒入预先装有光纤光栅1的圆形塑料容器中，使光纤光栅1经过应力感应隔膜2的中心；
步骤e：将一金属片放在圆形塑料容器的顶部来施加轻微的负载，使应力感应隔膜2厚度均匀；
步骤f：最后将模具在室温下保持24小时，待硅橡胶固化，得到成型的应力感应隔膜2；
步骤g：再根据每个光纤液位传感器设计的应力感应隔膜2尺寸，切除多余的硅橡胶部分，控制成型后的应力感应隔膜2的厚度在0.5mm和0.8mm之间。
最后成型的应力感应隔膜2，厚度控制在0.5mm～0.8mm，直径20mm。为了方便控制成型后应力感应隔膜2的厚度在0.5mm和0.8mm之间，应力感应隔膜2的直径20mm，所以选取规格为直径20mm、高0.8mm的圆形塑料容器。
步骤s300：制备方形铝垫片3和圆形挡环4。
所述方形铝垫片3的长度为30mm、宽度为30mm、高度为6mm，中心圆腔直径为12毫米、深度为4mm。方形铝垫片3与圆形挡环4连接，圆形挡环4的直径为28mm、中心孔直径为19mm，圆形挡环4与方形铝垫片3通过螺纹固定。
步骤s400：将制备好的应力感应隔膜2固定在方形铝垫片3和圆形挡环4之间，在应力感应隔膜2的边缘采用硅酮密封胶密封，在硅酮密封胶固化后切除多余的尺寸，形成光纤光栅压力传感器。
步骤s500：串接多个光纤光栅压力传感器。
多个光纤光栅压力传感器之间采用串行熔接和波分复用的方式进行串接。串行熔接时，每个熔接点的损耗应小于0.02db。
步骤s600:将多个光纤光栅压力传感器串接后，安装在一个侧壁上开设多个窗口的方形丙烯酸管5上，一个光纤光栅压力传感器对应放置在一个窗口中，且每个传感器与安装窗口之间采用硅酮密封剂进行密封。
所述方形丙烯酸管5的外尺寸长度为230cm、外尺寸宽度38mm、壁厚为3.0mm，沿着方形丙烯酸管5侧壁等距位置上开有多个窗口，用于安装光纤光栅压力传感器，相邻窗口中心距为40mm。窗口结构为方形时，长度20mm-30mm，宽度20mm-30mm；窗口结构为圆形时，直径15mm-28mm。
安装时将光纤光栅压力传感器的中心位置与窗口的中心位置对齐，每个光纤光栅压力传感器与安装的窗口之间采用硅酮密封剂进行密封。
一个方形丙烯酸管5上开设的窗口与安装的光纤光栅压力传感器的数量一致。通常，一个方形丙烯酸管5的侧壁等距开设5个窗口，5个串接的光纤光栅压力传感器一一对应的安装在5个窗口中。
待传感器与安装窗口之间的硅酮密封剂完全固化后，完成光纤液位传感器的制作。
本实施例中制作的光纤液位传感器测量原理是：当浸没在液体中时，暴露于液体的应力感应隔膜2侧面经受比面向空气侧更大的压力。如果应力感应隔膜2的位移足够小，使得腔中的压力保持近似恒定，那么当由于液位增加而存在外部压力增加时，隔膜盘被偏转。这将导致在隔膜盘上出现应变，由此产生的隔膜变形将导致布拉格波长的变化。由此变形引起的波长漂移通过监测布拉格波长偏移，可以推断液体的高低水平。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种基于压力测量的光纤液位传感器，其特征在于，包括：顶面设置顶部开口（501）、侧壁等距开设m个窗口、底面密封的方形丙烯酸管（5）；所述方形丙烯酸管（5）中安装m个串接的光纤光栅压力传感器，且m个光纤光栅压力传感器与方形丙烯酸管（5）上的m个窗口一一对应安装；所述光纤光栅压力传感器主要由应力感应隔膜（2）、方形铝垫片（3）、圆形挡环（4）以及预置在应力感应隔膜（2）中的光纤光栅（1）组成；所述方形铝垫片（3）的中心设置中心圆腔；所述圆形挡环（4）的中心设置贯通的中心圆孔；所述方形铝垫片（3）与圆形挡环（4）通过螺栓或螺钉连接，并将位于方形铝垫片（3）、圆形挡环（4）之间的应力感应隔膜（2）夹持固定，同时光纤光栅压力传感器通过方形铝垫片（3）或圆形挡环（4）安装于窗口，且应力感应隔膜（2）从窗口外露；每个窗口的中心与对应的光纤光栅压力传感器中的应力感应隔膜（2）的中心位置对齐；每个光纤光栅压力传感器中应力感应隔膜（2）、方形铝垫片（3）、圆形挡环（4）的中心位置对齐。
2.根据权利要求1所述的一种基于压力测量的光纤液位传感器，其特征在于，所述光纤光栅压力传感器通过方形铝垫片（3）安装在窗口时，采用以下任意一种连接方式：
连接方式一：所述方形铝垫片（3）通过短螺栓固定在窗口处；
连接方式二：所述方形铝垫片（3）恰好卡接在方形的窗口上；
连接方式三：所述方形铝垫片（3）与方形丙烯酸管（5）粘接；
连接方式四：所述方形铝垫片（3）同时嵌入设置在窗口左侧、下侧、右侧的承托件中。
3.根据权利要求4所述的一种基于压力测量的光纤液位传感器，其特征在于，采用连接方式一：所述方形铝垫片（3）通过短螺栓固定在窗口处时，方形丙烯酸管（5）在窗口周围设置a螺纹通孔且圆形挡环（4）上设置a螺纹盲孔，短螺栓同时连接a螺纹通孔、a螺纹盲孔。
4.根据权利要求1所述的一种基于压力测量的光纤液位传感器，其特征在于，所述光纤光栅压力传感器通过圆形挡环（4）安装在窗口时，采用以下任意一种连接方式：
连接方式a：所述圆形挡环（4）通过短螺栓固定在窗口处；
连接方式b：所述圆形挡环（4）恰好卡接在圆形的窗口上；
连接方式c：所述圆形挡环（4）与方形丙烯酸管（5）粘接。
5.根据权利要求6所述的一种基于压力测量的光纤液位传感器，其特征在于，采用连接方式a：所述圆形挡环（4）通过短螺栓固定在窗口处时，方形丙烯酸管（5）在窗口周围设置b螺纹通孔且圆形挡环（4）上设置b螺纹盲孔，短螺栓同时连接b螺纹通孔、b螺纹盲孔。
6.根据权利要求1所述的一种基于压力测量的光纤液位传感器，其特征在于，所述圆形挡环（4）上设置多个第一螺纹通孔，所述方形铝垫片（3）上设置多个与第一螺纹通孔位置对应的第一螺纹盲孔，螺栓或螺钉同时与第一螺纹通孔、第一螺纹盲孔螺纹连接后将圆形挡环（4）、方形铝垫片（3）连接成一体。
7.一种基于压力测量的光纤液位传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤s100：制备光纤光栅（1）；
步骤s200：制备应力感应隔膜（2），同时将制备好的光纤光栅（1）嵌入应力感应隔膜（2）中；
步骤s300：制备方形铝垫片（3）和圆形挡环（4）；
步骤s400：将制备好的应力感应隔膜（2）固定在方形铝垫片（3）和圆形挡环（4）之间，在应力感应隔膜（2）的边缘采用硅酮密封胶密封，在硅酮密封胶固化后切除多余的尺寸，形成光纤光栅压力传感器；
步骤s500：串接多个光纤光栅压力传感器；
步骤s600:将多个光纤光栅压力传感器串接后，安装在一个侧壁上开设多个窗口的方形丙烯酸管（5）上，一个光纤光栅压力传感器对应放置在一个窗口中，且每个传感器与安装窗口之间采用硅酮密封剂进行密封；待传感器与安装窗口之间的硅酮密封剂完全固化后，完成光纤液位传感器的制作。
8.根据权利要求7所述的一种基于压力测量的光纤液位传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s100中利用相位掩膜法对聚合物光纤进行刻制，使其折射率周期性变化，形成光纤光栅（1），制备的光纤光栅同时满足以下三点：
1、光纤光栅（1）中心波长为：1532nm、1534nm、1536nm、1538nm、1540nm，即每个光纤光栅（1）的中心波长间隔2nm，
2、光纤光栅（1）的反射率>90%，
3、光纤光栅（1）的边模抑制比>15db。
9.根据权利要求8所述的一种基于压力测量的光纤液位传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s200在制备应力感应隔膜（2）的同时将制备好的光纤光栅（1）嵌入其中，具体步骤如下：
步骤a：通过匀速搅拌混合，确保硅橡胶材料中的碱和固化剂的充分混合，得到夹杂气泡的硅橡胶溶液；
步骤b：然后将夹杂气泡的硅橡胶溶液放置在真空室中除去夹杂的气泡；
步骤c：将光纤光栅（1）放置在圆形塑料容器中，确保光纤光栅（1）经过圆形塑料容器的直径；
步骤d：将没有气泡的硅橡胶溶液缓慢的倒入预先装有光纤光栅（1）的圆形塑料容器中，使光纤光栅（1）经过应力感应隔膜（2）的中心；
步骤e：将一金属片放在圆形塑料容器的顶部来施加轻微的负载，使应力感应隔膜（2）厚度均匀；
步骤f：最后将模具在室温下保持24小时，待硅橡胶固化，得到成型的应力感应隔膜（2）；
步骤g：再根据每个光纤液位传感器设计的应力感应隔膜（2）尺寸，切除多余的硅橡胶部分，控制成型后的应力感应隔膜（2）的厚度在0.5mm和0.8mm之间。
10.根据权利要求8所述的一种基于压力测量的光纤液位传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中串行熔接时，每个熔接点的损耗应小于0.02db。
技术总结
本发明公开了一种基于压力测量的光纤液位传感器，包括：顶面设置顶部开口、侧壁等距开设M个窗口、底面密封的方形丙烯酸管；所述方形丙烯酸管中安装M个串接的光纤光栅压力传感器，且M个光纤光栅压力传感器与方形丙烯酸管上的M个窗口一一对应安装；所述光纤光栅压力传感器主要由应力感应隔膜、方形铝垫片、圆形挡环以及预置在应力感应隔膜中的光纤光栅组成；所述方形铝垫片的中心设置中心圆腔；所述圆形挡环的中心设置贯通的中心圆孔；所述方形铝垫片与圆形挡环通过螺栓或螺钉连接，并将位于方形铝垫片、圆形挡环之间的应力感应隔膜夹持固定，同时光纤光栅压力传感器通过方形铝垫片或圆形挡环安装于窗口，且应力感应隔膜从窗口外露。本发明提供的基于压力测量的光纤液位传感器，抗电磁干扰能力强、可靠性高。
技术研发人员：何双亮;孙忠湖;马晓强
受保护的技术使用者：四川泛华航空仪表电器有限公司
技术研发日：.12.04
技术公布日：.02.28
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