专利名称：一种激光液位传感光路系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种传感器光学部件，尤其是一种激光液位传感光路系统。
背景技术：
传感器光路系统属于激光光纤液位计中的光学部件，它是激光液位计中的关键技 术，由于它的存在，才使得激光液位计成为光、机、电一体化的工业技术产品。光纤液位遥测系统作为光纤传感器的一种典型产品，主要用于石化、焦化、部队油 库等各种储存易燃易爆液体的大型罐体液位测量。由于使用场合的限制，对于液位传感器 的要求是非常高的，测量的精度要很高，比如安全性要好，抗干扰能力强，结构要精简等，而 传统的液位传感器不能满足所有的要求，因此适用性不广，而且传统的传感器只能就地测 试，而且显示数据很慢，有的甚至要采样测试，测量过程很麻烦。
发明内容本实用新型的目的在于，提供一种安全性好、适用范围广、测量精度高、抗干扰能 力强、可以远距离传输、显示速度快的激光液位传感器的光路系统。本实用新型是通过如下的方案实现的一种激光液位传感器的光路系统，其特征 在于包括光纤传感器、光纤传输系统、信号处理系统，光纤传输系统的输入端与光纤传感器 的输出端连接，光纤传输系统的输出端与信号处理系统的输入端连接，光纤传感器将所探 测到的信息通过光纤传输系统传输到信号处理系统中进行显示和处理。此项设置采用光纤传感器对被测液体进行测量，由于光纤传感器是通过光学原理 对液体进行测量的，不会摩擦产生火花或者温度变化，也不会对液位有影响，不仅安全性比 较好，而且测量精度很高，可测易燃、易爆的液体或气体，适用性很广，而且受环境的影响很 小，抗干扰能力很强。本实用新型的进一步设置为还包括中空测杆，测杆分由上测杆和下测杆组成，上 测杆与下测杆通过法兰盘连接，光纤传感器包括反射浮标、磁性浮子、发射透镜、接收透镜， 磁性浮子设置在下测杆端部外侧，反射浮子设置在下测杆端部内侧，位置与磁性浮子对应， 并共同磁耦合连接，构成发射透镜与接收透镜均设置在法兰盘内。本实用新型的进一步设置为发射透镜与接收透镜设置在同一端面上。本实用新型的进一步设置为发射透镜与接收透镜设置在不同端面上上述三项设置将发射透镜和接收透镜设置法兰盘内，并设置在同一端面上或者不 同端面上，这是因为将光纤传输到传感器中的光，发射到被测液位的反射镜面上的光斑尺 寸要求《直径10mm，反回的光斑尺寸要求70 %的光能，被接收透镜所接受，才能保证测量 精度，这样的设置保证了本实用新型的测量精度，设置在同一端面上或者不同的端面上都 是本实用新型的范围，只是测杆的尺寸是有区别的，这样的设置也精简了部分冗余结构。本实用新型的进一步设置为信号处理系统包括DSP数据处理器、显示器、光纤数 据线，DSP数据处理器的输入端与接收透镜通过光纤数据线连接，DSP数据处理器的输出端与显示器通过光纤数据线连接。此项设置将DSP (数字信号处理Digital Signal Processing)数据处理器的输入 端与接收透镜通过光纤数据线连接，输出端与显示器通过光纤数据线连接，这样的设置，传 感器的信号可以经过DSP数据处理器处理，直接显示在显示器上，显示很方便，因为光的速 度很快，因此可以将显示器设置在任何一个观察比较方便的位置上，从而达到了远距离传 输显示的目的，而且显示速度很快。本实用新型的进一步设置为还包括显示器支架，显示器支架设置在上测杆的端 面上，显示器设置在显示器支架上。此项设置将显示器设置在上测杆上，这样的设置方便现场观察测量数据，测量的 时候非常方便及时，使用非常方便。本实用新型的进一步设置为还包括光纤连接盘，光纤数据线一部份设置在上测 杆内，一部份设置在上测杆外部，上测杆内部和外部的光纤数据线通过光纤连接盘连接。此项设置通过光纤连接盘对光纤进行连接，这样的结构安装使用非常方便。上述结构利用光学原理进行测量，所以防爆、防电磁干扰不会引起火灾，没有任何 活动另件，仅有一个测杆插入被测液体中、在各种易燃易爆液体的容器中即可测量液位，可 靠性高、抗震性好，不怕振动和冲击，使用安装简单，安全性好、适用范围广、测量精度高、抗 干扰能力强、可以远距离传输而且显示速度快。

图1为本实施例的总体结构示意图；图2为实施例--的上法i兰盘剖面图；[0020]图3为实施例--的上法i兰盘的平面示意图[0021]图4为实施例--的下法i兰盘剖面图；[0022]图5为实施例--的下法i兰盘的平面示意图[0023]图6为实施例二二的上法i兰盘剖面图；[0024]图7为实施例二二的上法i兰盘的平面示意图[0025]图8为实施例二二的下法i兰盘剖面图；[0026]图9为实施例二二的下法i兰盘的平面示意图图10为激光液位计的测试系统框图；图11为自动控制的稳定激光器电/光接口电路图；图12为放大及加法电路原理图；图13为接受光路系统工作原理示意具体实施方式
激光液位计测量系统的组成，主要由三部分组成，如图10所示，本实用新型一种 激光液位传感器的光路系统，包括光纤传感器、光纤传输系统、信号处理系统，光纤传感器 将所探测到的信息通过光纤传输系统传输到信号处理系统中进行显示和处理。光纤传输 (在距离小于500米之内，可以不加光端机，若要求将光信号远传到3——5公里，在传输过 程中可加光端机保证无失真的远传信号)，信号处理站，在控制室做信号处理，可根据用户要求完成各种功能。参考图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13可 知(1)、位于危险现场的系列油罐群和激光光纤液位传感器(本实用新型中的光纤 传感器主要为激光光纤液位传感器)磁性浮子3设置在下测杆112端部外侧，反射浮子2设置在下测杆112端部内侧， 位置与磁性浮子对应，并共同磁耦合连接。光纤传感器是由激光探头(即光纤的端部)、安 装在中空测杆1中的反射浮标2、反射浮标2通过磁耦合受测杆1 (测杆分为上测杆111与 下测杆112)外面的磁性浮子3上下移动而相应的上下移动。液位的上升或下降推动浮子 3上升或下降，而浮子3的上升或下降通过磁耦合，直接带动测杆1中反射浮标2的上升或 下降，这样就把液位的变化测量出来。(2)、光纤传输系统光纤液位传感器由三根光纤(本实用新型中的光纤数据线即 为光纤)组成，一根光源光纤4、一根信号返回光纤5、一根传输光纤6组成，其中光源光纤 4的输出端与发射透镜8连接。(3)、数据处理系统信号处理系统包括DSP数据处理器、显示器、光纤数据线(光 纤数据线的一部分也可视为数据处理系统的组成部分)，DSP数据处理器的输入端与接收 透镜7通过信号返回光纤5连接，DSP数据处理器的输出端与显示器9通过传输光纤6连 接。DSP数据处理器及一些硬件电路组成。利用时间扩展法，进行数据处理，主要由计算机 软件完成。根据液位测量的不同高度，光的反回时间也不同，再根据光反回来的时间来计算 所需的扩展时间，这些工作都由软件来完成。显示器支架91设置在上测杆111的端面上， 显示器9设置在显示器支架91上，光纤数据线一部份设置在上测杆111内，一部份设置在 上测杆111外部，上测杆111内部和外部的光纤数据线通过光纤连接盘12连接。根据这种原理没计的光纤液位计有以下几个特点*、由于是光学量，所以防爆、防电磁干扰不会弓I起火灾。*、没有任何活动另件，仅有一个测杆插入被测液体中、在各种易燃易爆液体的容 器中即可测量液位，可靠性高、抗震性好，不怕振动和冲击。*、使用安装简单。激光光纤液位传感器的关键部分为液位传感器光学系统，主要安装在测杆1上法 兰盘10和下法兰盘11内(上测杆111与下测杆112通过法兰盘连接)。传感器光路统设 计主要要求，为如何将光纤传输到传感器中的光，发射到被测液位的反射镜面上的光斑尺 寸要求《直径10mm，反回的光斑尺寸要求70 %的光能，被接收透镜所接受，才能保证测量 精度。发射激光束和接受激光束均在液位测杆1内工作，根据储油罐液位的变化其测量距 离发生变化，根据光学测量距离的原理L = l/2ct (L为距离，c为光波速度t为时间)利用 测量时间的原理，来达到了测量距离的目的。由于光波速度非常快在发明专利中已经描述 过，时间扩展理论和时间延迟以及控制等关键技术。本实施例是根据用户要求，能够在储油罐区进行液位观察，因此就地显示部分采 用光功利推动光纤传输，微功耗电路。将光信号传输的危险现场，在进行光/电转换，转换 成电能提供给显示器9。(此项专利技术为刘教授1994就获得专利ZL 95 2 23991.4)。参考图11可知，具有光能自动控制的稳定激光器，当激光器的光功率提高时，被探测器PIN接受，它接受的光强越强，则在三极管2SA1015上的电压降低，因而控制三极管 2SC1545，使得三极管2SC1545的电流下降，因此激光器的光电流也下降，激光器的发光功 率也下降，反之同样。参考图12可知0/E接口电路示意图中分析，由于光电转换电路采用具有ST插座 的光电探测器(型号为HFBR—2416)，其输出为电压信号以A和B两端表示，因此放大器的 输入端就直接，接入光电探测器(型号为HFBR—2416)的其输出信号A和B两端。放大器 采用高速放大器其型号为AD8009，利用两片AD8009作为两级电压放大器，两路相同放大器 的输出信号Va和Vb输入到加法器的反向输入端相加，就是总的输出信号。然后输入到A/D 转换将模拟信号转换成数字信号，输入到DSP数据处理器进行数据处理器。放大及加法电 路原理图，如图12所示。由于返回光斑比较大，直径约为(25 30)mm，当距离改变时，其返回光斑的尺寸 变化比较大，如何能够接受最大的光能量是传感器的难题。为此选择型号为352280—— X——MT透镜和高功率光纤准直器，如图13所示，接收光路系统由接收透镜7、自聚焦透镜 13、不锈钢管14、带尾纤的ST头部分15组成，自聚焦透镜设置在不锈钢管内，射出端与接收 透镜相对。实施例一发射透镜8和接收透镜7安装在同一端面上，与测杆1上法兰盘一体加 工柱体的外直径，具有外螺纹是为光纤跳线保护壳的安装而设计的。而和下法兰盘11 一体 加工柱体的外直径，具有外螺纹是为和测杆1的连接而设计的。由于两个透镜安装在同一 个平面上，其几何尺寸要大，因此选择测杆1的几何尺寸要大，本设计选择了外直径为38mm 的不锈钢管。实施例二 发射透镜8和接收透镜7也可以安装在不同的端面上，由于两个透镜不 安装在同一个平面上，其几何尺寸要小，因此选择测杆的几何尺寸要小，本设计选择了外直 径为25mm的不锈钢管。实施例一与实施例二其他部分的电路机械结构完全相同。本实用新型重点首先需要解决的为液位传感器光学系统的选择和设计根据 LightPath光学产品样本介绍，进行了计算和分析，利用多个透镜组成的聚光系统做为激光 发射光路系统。利用高功率激光准直器等光学部件组成接受光学系统。对于激光发射光路 系统和激光接受光学系统经过试验证明设计是成功的。如何将液位传感器光学系统安装在测杆内，如何与贮油罐进行连接，设计了上法 兰盘和下法兰盘的机械结构。传感器光路统设计主要要求，为如何将光纤传输到传感器 中的光，发射到被测液位的反射镜面上的光斑尺寸要求 < 直径10_，反回的光斑尺寸要求 70%的光能，被接收透镜所接受，才能保证测量精度。发射激光束和接受激光束均在液位测 杆内工作，为了保证光束直线进行特别注意要求机械加工的精度和垂直度的要求等。由于光波速度非常快在发明专利中已经描述过，时间扩展理论和时间延迟以及控 制等关键技术。为了证明理论的正确，在仪器研究过程中经过了多次和反复试验，(根据储 油罐液位的变化其测量距离发生变化，又根据光学测量距离的原理L = l/2ct, L为距离， c为光波速度t为时间)利用测量时间的原理，来达到了测量距离的目的。对于特殊部件的选择，利用快速度的CPLD电子部件编制程序，利用CPLD组成时间 延迟、时间扩展等电路。而且选择大功率激光器，其功率大于200mW。
权利要求一种激光液位传感器的光路系统，其特征在于包括光纤传感器、光纤传输系统、信号处理系统，光纤传输系统的输入端与光纤传感器的输出端连接，光纤传输系统的输出端与信号处理系统的输入端连接，光纤传感器将所探测到的信息通过光纤传输系统传输到信号处理系统中进行显示和处理。
2.按照权利要求1所述的激光液位传感器的光路系统，其特征在于还包括中空测杆， 测杆分由上测杆和下测杆组成，上测杆与下测杆通过法兰盘连接，光纤传感器包括反射浮 标、磁性浮子、发射透镜、接收透镜，磁性浮子设置在下测杆端部外侧，反射浮子设置在下测 杆端部内侧，位置与磁性浮子对应，并共同磁耦合连接，构成发射透镜与接收透镜均设置在 法兰盘内。
3.按照权利要求2所述的激光液位传感器的光路系统，其特征在于发射透镜与接收 透镜设置在同一端面上。
4.按照权利要求2所述的激光液位传感器的光路系统，其特征在于发射透镜与接收 透镜设置在不同端面上。
5.按照权利要求1或2或3所述的激光液位传感器的光路系统，其特征在于信号处 理系统包括DSP数据处理器、显示器、光纤数据线，DSP数据处理器的输入端与接收透镜通 过光纤数据线连接，DSP数据处理器的输出端与显示器通过光纤数据线连接。
6.按照权利要求1或2或4所述的激光液位传感器的光路系统，其特征在于信号处 理系统包括DSP数据处理器、显示器、光纤数据线，DSP数据处理器的输入端与接收透镜通 过光纤数据线连接，DSP数据处理器的输出端与显示器通过光纤数据线连接。
7.按照权利要求5所述的激光液位传感器的光路系统，其特征在于还包括显示器支 架，显示器支架设置在上测杆的端面上，显示器设置在显示器支架上。
8.按照权利要求6所述的激光液位传感器的光路系统，其特征在于还包括显示器支 架，显示器支架设置在上测杆的端面上，显示器设置在显示器支架上。
9.按照权利要求7所述的激光液位传感器的光路系统，其特征在于还包括光纤连接 盘，光纤数据线一部份设置在上测杆内，一部份设置在上测杆外部，上测杆内部和外部的光 纤数据线通过光纤连接盘连接。
10.按照权利要求8所述的激光液位传感器的光路系统，其特征在于还包括光纤连接 盘，光纤数据线一部份设置在上测杆内，一部份设置在上测杆外部，上测杆内部和外部的光 纤数据线通过光纤连接盘连接。
专利摘要本实用新型涉及一种传感器光学部件，尤其是一种激光液位传感光路系统。一种激光液位传感器的光路系统，其特征在于包括光纤传感器、光纤传输系统、信号处理系统，光纤传输系统的输入端与光纤传感器的输出端连接，光纤传输系统的输出端与信号处理系统的输入端连接，光纤传感器将所探测到的信息通过光纤传输系统传输到信号处理系统中进行显示和处理。上述结构采用光纤传感器对被测液体进行测量，由于光纤传感器是通过光学原理对液体进行测量的，不会摩擦产生火花或者温度变化，也不会对液位有影响，不仅安全性比较好，而且测量精度很高，可测易燃、易爆的液体或气体，适用性很广，而且受环境的影响很小，抗干扰能力很强。
文档编号G01F23/30GK201731911SQ20092019105
公开日2011年2月2日 申请日期2009年8月5日 优先权日2009年8月5日
发明者陈云钦 申请人:陈云钦