一种可变量程的液位测量方法及其装置
技术领域
本发明属于液位测量
技术领域
，如船舶液位测量、化工油罐等环境下的无电液位测量等，具体涉及一种可变量程的液位测量装置，还涉及一种可变量程的液位测量方法。通过将被测量压力P转换为弹性膜片的微量形变，再将弹性膜片的微量形变进一步转换为圆形弹性体中光纤光栅(FBG)波长的变化，从而再通过其他元器件对测定的波长数据进行转换，得到所需的液位数据。背景技术
目前对于量程可调的压力传感器而言，大多实现方式以通过调节阀制成的压力传感器探头形式为主(如《FBG可变灵敏度压力传感器设计》选自《传感器与微系统》2006年第35卷第6期第69页-第71页)，且其主要发展趋势是向高精度方向发展、向小型化方向发展以及向高稳定性和宽温范围发展等方向发展，
对于目前现状而言，大多数压力传感器均以定量程压力传感器为主，对于量程可调且以光纤光栅作为传感元件的研究很多，但实际应用较少，因此考虑到船舶在海上安全作业或者航行的前提条件是对船舶各个系统的精准把握，在众多船舶技术系统中，液位测量系统已经变成船舶自动化系统中的一个不可缺失的重要部分。经过近十年的发展，液位测量系统的概念已经变得十分丰富。船舶液位测量数据的精确性与船舶能否在海上安全可靠的航行具有直接的关系。因此，设计一款以FBG光纤光栅作为传感元件且用于船舶液位测量的压力传感器是有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种可变量程的液位测量装置，量程手动可调，可针对性的对不同海域、不同深度的海洋湖泊进行准确的液位测量，灵活性强，适用范围大，成本低廉而且非常实用。
本发明的另一个目的在于提供了一种可变量程的液位测量方法，利用该液位测量装置实现船舶液位的实时测量，并通过控制系统及显示系统将液位信息显示在指定位置，并由控制系统对液位数据进行监测和预警，当液位高于或低于预设的合理值范围时，发报警系统进行预警，使船舶工作人员及时进行干预，消除风险，从而使航行的安全指数得到保障。
为进一步实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种可变量程的液位测量装置，包括：
弹性膜片，设置在基座内，用于将外界压力转换成膜片的弹性变形；
膜片面积调节器，设置于所述弹性膜片上端，用于通过改变膜片有效面积从而实现量程可调；
光纤布拉格光栅，设置于圆形弹性体中部，用于通过受力后被改变的光栅间距大小反映出承压大小，进而转换为液位变化量；
圆形弹性体，下端穿过所述膜片面积调节器后与所述弹性膜片弹性连接，用于将弹性膜片发生的变形量传递到所述光纤布拉格光栅，使光栅之间的间距发生改变，进而转化为波长的变化量；
通线柱，为所述光纤布拉格光栅的通线孔，用于使连接所述光纤布拉格光栅的通信线穿过。
作为优选，所述膜片面积调节器包括：组装在一起的上盖和下盖、以及安装在所述上盖和下盖组装后形成的腔体内的扇叶和支撑架，其中：
所述扇叶包括有多个按同一方向布设的叶片，这些叶片均匀环设于扇叶的中心，每个叶片上设置有一个孔，相应的所述下盖对应位置设置有短柱销，通过该短柱销对所述叶片进行安装定位，通过孔与短柱销的结合将所述叶片安装在所述下盖上面；
在这些叶片朝向所述支撑架的一端面设置有导向柱；
所述支撑架呈圆环形，其与所述扇叶同圆心，在其圆环面上均匀开设有与所述叶片数量一致的导向槽，这些导向槽绕所述支撑架圆心朝向一致分散开，用于嵌入所述叶片上设置的导向柱，通过所述导向柱与导向槽实现叶片受力时可按槽的规定轨迹进行运动。
作为优选，所述上盖侧面开设有槽口，用于所述支撑架侧面设置的手柄从所述腔体内延伸出该槽口，并在外力的作用下带动所述叶片转动，实现对所述弹性膜片面积的有效遮挡。
作为优选，所述圆形弹性体包括一薄壁环，在所述薄壁环两侧同一水平对称设置有两个延伸部，且这两个延伸部沿水平方向开设有两个通孔与所述薄壁环连通；
所述薄壁环中部横向设置有光纤布拉格光栅，用于连接所述光纤布拉格光栅的通信线两端分别从这两个所述延伸部具有的通孔内穿过；
在所述薄壁环上下端设置有一接触部和一安装部，所述接触部下端穿过所述膜片面积调节器与所述弹性膜片弹性连接，所述安装部用于与盖板安装。
作为优选，还包括：基座、下端与所述基座连接的外壳以及扣设在所述外壳上端的盖板，其中，所述基座、外壳以及所述盖板组装在一起用于封闭传感器各部件。
进一步地，所述安装部上设置有两个安装孔，所述盖板下方与所述圆形弹性体上方的安装部通过两颗螺母进行固定安装。
进一步地，所述盖板和外壳之间，所述膜片面积调节器和外壳之间，以及所述膜片面积调节器和基座之间均螺纹连接。
进一步地，所述通线柱设置有两组，对称分布在所述盖板上端，且所述通线柱下端延伸至所述盖板内并与所述盖板螺纹连接。
进一步地，所述弹性膜片焊接在所述基座的两端，且使得所述基座和弹性膜片之间具有一定的间隙。
相应的，本发明还要求保护一种可变量程的液位测量方法，采用前的可变量程的液位测量装置，包括下述步骤：
步骤1，根据实际需求，通过调节膜片面积调节器设定弹性膜片有效面积，以确定传感器测量量程和灵敏度；
步骤2，使得液位压强p通过基座作用在可变弹性膜片上，使得弹性膜片在压强p的作用下发生一定量的弹性变形；
步骤3，通过弹性膜片受压变形，将其变形传递至与弹性膜片相连接的圆形弹性体中，进而转换为圆形弹性体的受压变形；
步骤4，进一步转换为Bragg光栅波长变化；
步骤5，通过检测波长的变化量，得到所需的液位压强的变化量，并将得到的液位压强的变化量换算为液位高度；
步骤6，通过控制系统以及显示系统得到所需的液位数据。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明圆形弹性体中的薄壁圆环的设计主要考虑到其受力后从圆形变化为椭圆形，变化明显。相对于其他结构如菱形结构，其变化后仍然是菱形结构，受力分析较复杂。
(2)本发明设计的膜片面积调节器的设计相对于一些调节阀门的设计操作更加简单，控制更为精准。因为对于一般形式的调节机构，如阀门结构，通过左右进行遮挡实现传感器的量程可调功能，可能会存在一些左右遮挡不同步的现象，导致测量结果会存在一定的误差，但是对于膜片面积调节器的结构，可保证每个叶片都是同步进行遮挡，这样其各部分的有效膜片面积更加精准，从而使得测量的结果会更加精确。
(3)不会受到电、磁等因素影响。光信号在光纤中进行传播时，由于光纤本身“无电”这一本安特点，所以它不会与受到电磁作用的影响，于是，信号在传递过程中对电磁干扰的抵抗能力很强大，正是因为这样使得它在电力系统中的应用颇为广泛。
(4)具有很强的绝缘性。目前绝缘性能优异的光纤绝大多数是用石英玻璃这一种不导电的非金属材料制成，因此，这也就导致了对带有高压电仪器的种种数据的测量极为方便。
(5)具有很强大的防爆性能。因为低能量的光信息在光纤内部传输不会造成火花、漏电等安全问题的发生，再加上其本身具有强大的耐腐蚀性，因此，光纤传感器适用于测量环境高温且具有腐蚀的物体。
(6)具有很强的柔性和可塑性。因为光纤本身具有细而柔软的特点，所以可以制成体积小而轻且很柔韧的光纤传感器，可对复杂场合和一般传感器无法测量的对象进行测量。
(7)光纤材料简单，易于获得，所以经济性很好。
(8)光纤布拉格光栅(FBG)传感器与传统传感器相比具有体积小、防爆性能好、绝缘性能好且具有很强的韧性和塑性等特点，更具性价比。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明可变量程的液位测量装置的整体外形图；
图2为本发明可变量程的液位测量装置结构示意图；
图3为本发明可变量程的液位测量装置的剖视图；
图4为本发明膜片面积调节器的立体图；
图5为本发明膜片面积调节器的主视、侧视图；
图6为本发明膜片面积调节器的爆炸图；
图7为本发明圆形弹性体的立体图；
图8为本发明圆形弹性体的工作原理示意图；
图9为本发明液位测量装置测量工作流程图。
附图说明
：1、基座；2、弹性膜片；3、膜片面积调节器，3.1、手柄，3.2、扇叶，3.3、支撑架、3.4、下盖，3.5、上盖，3.6、导向柱，3.7、导向槽；4、光纤布拉格光栅；5、外壳；6、圆形弹性体，6.1、薄壁环，6.2、延伸部，6.3、接触部，6.4、安装部；7、盖板；8、通线柱。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施示例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1。
一种可变量程的液位测量装置，参看图1-8，包括：基座1、下端与所述基座1连接的外壳5以及扣设在所述外壳5上端的盖板7，所述基座1、外壳5以及所述盖板7组装在一起用于封闭传感器各部件，保护结构内部的传感单元。
参看图2，封闭的传感器各部件包括弹性膜片2、膜片面积调节器3、光纤布拉格光栅4、圆形弹性体6，其中：弹性膜片2设置在基座1内，弹性膜片2起承压作用，把外界压力转换成膜片的弹性变形；膜片面积调节器3设置于所述弹性膜片2上端，膜片面积调节器3起调节膜片有效面积作用，通过改变膜片有效面积从而实现量程可调的目的；光纤布拉格光栅4设置于圆形弹性体6中部，英文名称Fiber Bragg Grating，简称FBG，敏感元件，通过受力后被改变的光栅间距大小反映出承压大小，进一步转换为液位变化量；圆形弹性体6下端穿过所述膜片面积调节器3与弹性膜片2弹性连接，具体为弹性膜片2的中心部位具有一个与圆形弹性体6下端尺寸相同的硬芯，圆形弹性体6与该硬芯无缝紧密贴合，起传递作用，将弹性膜片2因承压而发生的变形量传递到圆形弹性体6中光栅，从而使光栅之间的间距发生改变，进一步转化为波长的变化量。
参看图1-3，在所述盖板7的上端对称分布有两组通线柱8，且所述通线柱8下端延伸至所述盖板7内并与所述盖板7螺纹连接，通线柱8为光纤的通线孔，用于使连接所述光纤的通信线穿过。
参看图4，所述膜片面积调节器3包括：组装在一起的上盖3.5和下盖3.4、以及安装在所述上盖3.5和下盖3.4组装后形成的腔体内的扇叶3.2和支撑架3.3，上盖3.5与下盖3.4进行组装，对扇叶3.2起到保护、密封等作用；支撑架3.3使扇叶受力后按照既定的轨迹运动以实现膜片面积调节器开启/闭合的功能；扇叶3.2为膜片面积调节器开启/闭合功能的主要部件，便于实现对弹性膜片面积的有效遮挡。本发明通过在装置中增加膜片面积调节器3，使得可改变内部弹性薄膜片的工作半径，从而进一步实现测量装置的量程可调的功能。相对于一般通过调节阀进而实现量程可调的压力传感器而言，在工作稳定、性能可靠的基础之上，利用本方案中膜片面积调节器实现对弹性膜片的量程可调，可减少在调节过程中对膜片造成的损伤，延长传感器的使用寿命，相对于一般的调节机构如阀型结构，其遮挡结构直接作用于膜片上，其来回在膜片上进行滑动会对膜片造成一定的损伤，而该方案中膜片面积调节机构中叶片均呈一定的弧形进行运动，产生水平和垂直两个方向的分力会对摩擦力进行一定的中和，从而减小摩擦，在一定程度上对膜片起到保护作用，减少膜片的损伤，进一步延长传感器的使用寿命。同时操作更加简便，这大大提高了其测量效率和使用的方便快捷。
在本发明中，为了满足传感器整体尺寸及功用的要求，在对膜片面积调节器的结构进行设计时，根据调节器在传感器中的安装位置和安装空间的限制、运动形式、结构的支撑刚度以及减小运动部位摩擦等多方面考虑因素，得到了膜片面积调节器的整体结构。同时考虑到膜片面积调节器与缸体、弹性膜片、基座等结构的有机结合，专门对膜片面积调节器结构进行了设计，这种有机结合，能在最大程度上保证其整体的装配效果和密封效果，使测量结构更加精准，减小误差，确保测量精度。
参看图4-6，本发明的扇叶3.2包括有多个按同一方向布设的叶片，这些叶片均匀环设于扇叶的中心，每个叶片上面设置有一个孔，相应的下盖3.4对应位置设置有短柱销，通过该短柱销对叶片进行安装定位，即通过孔与短柱销的结合将叶片安装在下盖3.4上面，同时在这些叶片朝向所述支撑架3.3的一端面设置有导向柱3.6；所述支撑架3.3呈圆环形，其与所述扇叶3.2同圆心，在其圆环面上均匀开设有与所述叶片数量一致的导向槽3.7，这些导向槽3.7绕所述支撑架3.3圆心朝向一致分散开，用于嵌入所述叶片上设置的导向柱3.6；叶片与支撑架3.3通过导向柱3.6与导向槽3.7进行连接。即每个叶片上面都设有一个导向柱3.6，支撑架3.3上有相应的导向槽3.7，通过导向柱3.5与导向槽3.7实现叶片受力时可按槽的规定轨迹进行运动。所述上盖3.5侧面开设有槽口，用于所述支撑架侧面设置的手柄3.1从所述腔体内延伸出该槽口，并在外力的作用下带动所述叶片转动，实现对弹性膜片2面积的有效遮挡。
参看图7，本发明的圆形弹性体6包括一薄壁环6.1，在所述薄壁环6.1两侧同一水平对称设置有两个延伸部6.2，且这两个延伸部6.2沿水平方向开设有两个通孔与所述薄壁环6.1连通；所述薄壁环6.1中部横向设置有光纤布拉格光栅4，用于连接所述光纤布拉格光栅4的通信线两端分别从这两个所述延伸部6.2具有的通孔内穿过；在所述薄壁环6.1上下端设置有一接触部6.3和一安装部6.4，所述接触部6.3下端穿过所述膜片面积调节器3后与弹性膜片2上的硬芯结构弹性连接，所述安装部6.4用于与盖板7安装。具体的，圆形弹性体6的安装部6.4上设置有两个安装孔，盖板7下方与圆形弹性体6上方的安装部6.4通过两颗螺母进行固定安装。本发明圆形弹性体主体结构采用圆形结构的薄壁环，圆形弹性体主要采用合金钢或不锈钢材质制成，合金材质既有刚度保证形变一致及形变恢复，又有良好的耐腐蚀性能，当其受外部压力作用时，弹性体中的薄壁环将变成椭圆形结构，相对于一些方案中的菱形结构设计，变化更加明显，其受力分析表达更加简练、清楚。该压力传感器中圆形弹性体工作原理图如图8所示，图8中Δl和即理想情况下的假设条件，Δl表示变形的变化量，即圆形弹性体底部的变化量Δl等于圆形弹性体左右两边的变化量1/2Δl+1/2Δl。根据本文的设计，薄壁圆形弹性体的下端穿过膜片面积调节器与弹性膜片上的硬芯结构进行弹性连接，薄壁圆形弹性体的另一端是固定的。在弹性膜片发生微小变形的情况下，可假设光纤的轴方向上的变形等于圆形弹性体在测量的位移方向上的变形。
为了使液位测量装置的紧凑结构能够满足现场安装的要求，优化并选择了薄壁环6.1的尺寸。其中，宽度b＝2.5mm，厚度为t＝1.5mm，薄壁环外径为16mm，内径为14.5mm。在本发明中，圆形弹性体为液位测量装置的关键核心结构，其立体图如图7所示。
在本发明中，所述盖板7和外壳5之间，所述膜片面积调节器3和外壳5之间，以及所述膜片面积调节器3和基座1之间均螺纹连接。所述弹性膜片2焊接在所述基座1的两端，且使得所述基座1和弹性膜片2之间具有一定的间隙。由于该传感器使用环境在海洋领域，因此不得不需要对传感器的防潮防护性能提出更为严格的要求，即在连接处尽可能的涂抹一定量的密封胶进行密封，以确保该传感器的正常使用。
实施例2。
一种可变量程的液位测量方法，参看图1-9，包括下述步骤：
步骤1，根据实际需求，通过调节膜片面积调节器设定弹性膜片有效面积，以确定传感器测量量程和灵敏度；
步骤2，使得液位压强p通过基座作用在可变弹性膜片上，使得弹性膜片在压强p的作用下发生一定量的弹性变形(呈拱形变化)；
步骤3，通过弹性膜片受压变形，将变化量传递至与弹性膜片相连接的圆形弹性体中，转换为圆形弹性体的受压变形；
步骤4，进一步转换为Bragg光栅波长变化；
步骤5，通过检测波长的变化量，得到所需的液位压强的变化量，并将得到的液位压强的变化量换算为液位高度；
步骤6，通过控制系统以及显示系统得到所需的液位数据。
本发明中，薄壁圆形弹性体的下端穿过膜片面积调节器与弹性膜片上的硬芯结构进行弹性连接，薄壁圆形弹性体的另一端是固定的。在弹性膜片发生微小变形的情况下，可假设光纤的轴方向上的变形等于圆形弹性体在测量的位移方向上的变形。
利用该液位测量装置实现船舶液位的实时测量，并通过控制系统及显示系统将液位信息显示在指定位置，并由控制系统对液位数据进行监测和预警，当液位高于或低于预设的合理值范围时，发报警系统进行预警，使船舶工作人员及时进行干预，消除风险，从而使航行的安全指数得到保障。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
