压力式光纤液位传感器

这种传感器的光纤导 光头可改进为图 １ 所示结 图 １ 光纤导光头端面排列图
２００７ 年第 ５ 期 光通信技术 "#$
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张 倩， 等： 压力式光纤液位传感器
构。选取大芯径 ２００μｍ 的多膜光纤， Ｌ１、Ｌ２ 为两组探测 器发光光路； ＰＤ１、ＰＤ２ 为接收反射光的光纤； 中间三根 为定位光纤。这种结构具有光强起伏补偿功能［１］， 补偿
ｃｍ２）。由于高密度液体产生压力较高， 所以采用这种原
理测液位高密度液体的测量准确度比低密度液体要
高。
３ 压力式光纤液位传感器
（１）压力膜微位移式光纤液位传感器 这种液位传 感器一般由压力应变膜与反射式光纤微位移探头构 成。压力应变膜通常是平面形的， 但对光纤微位移探 头来说， 平面形应变膜对常见液深（ 如几米深） 压力产 生的位移太小， 如果应变 膜制作成波纹形状， 则可 极大地提高其响应灵敏度 及线形度。
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压力式光纤液位传感器
张 倩， 乔学光， 傅海威， 贾振安 （西安石油大学 光纤传感实验室， 西安 ７１００６５）
摘要： 压力式光纤液位传感器是根据液体高度不同产生的压强不同的原理来检测液位的。由于光纤具有 耐高温、耐腐蚀等优点， 因此压力式光纤液位传感器可以与液体接触， 这便使它具有了更为广泛的应用 前景。文章综述了六种压力式液位传感器， 并介绍了它们的原理、结构、特点和发展状况。 关键词： 光纤； 压力； 传感器； 光纤光栅 中图分类号：ＴＰ２１２．１４ 文献标志码：Ａ
射模耦合以达到最佳耦合效果， 则产生峰值微弯灵敏
度， 即可获得最大探测灵敏度。
为了提高检测的灵敏度， 可将光纤盘绕成平面螺
旋状， 以增加作用长Байду номын сангаас， 这可以检测微小液面的变化。
（３）压力膜微位移光栅式光纤液位传感器 所谓光
栅结构就是明暗相间的条纹状透光板， 当两块板当完
全重合 放置时， 透光 率 为 ５０％； 一 块 板 的 暗 条 纹 与 另
的关系由式（１） 给出：
Ｐ＝ρｇＨ
（１）
式中 ρ是液体的密度， ｇ 是重力加速度。如 １０ｍ 水（ρ＝
１）深 处 的 压 强 为 １ 个 大 气 压（９．８１Ｎ／ｃｍ２＝０．１ＭＰａ）， １０ｍ
石油（ρ＝０．６５）深处的压强为 ０．６５ 大气压（６．３７７ Ｎ／ｃｍ２），
１０ｍ 盐水 溶液（ρ＝１．３）压强等 于 １．３ 个大气压（１２．７５ Ｎ／
如图 ５ 所示， 将一个弹性薄片材料作为 Ｆ－ Ｐ 腔的 一个端面， 当压强作用在 Ｆ－ Ｐ 腔这个端面时， 该端面 会产生弹性形变， 形变大小与此端面受到的上下压强 差有关。在液位测量中， 不同的液位高度使容器底部 具有不同的压强， 弹性薄片由于受此压强产生的形变 大小就与液位高度有关。弹性薄片的变形将使得 Ｆ－ Ｐ 腔上下两个反射面间距改变， 即 Ｆ－ Ｐ 腔的腔长发生改 变。当相干光入射到 Ｆ－ Ｐ 后， 反射回的输出光由于腔 长改变使干涉输出的光强发生相应变化， 测量输出光 能量就可得到相关压强大小，即可计算得到液位高度。
Ｐ ｒｅ ｓ ｓ ｕｒｅ ｔｙｐｅ ｏｐｔｉｃａ ｌ ｆｉｂｅ ｒ ｆｌｕｉｄ ｐｏｓ ｉｔｉｏｎ ｓ ｅ ｎｓ ｏｒ ｓ ｕｍｍａ ｒｙ
ＺＨＡＮＧ Ｑｉａｎ，ＱＩＡＯ Ｘｕｅ－ｇｕａｎｇ，ＦＵ Ｈａｉ－ｗｅｉ，ＪＩＡ Ｚｈｅｎ－ａｎ （Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ， Ｘｉ＇ａｎ Ｓｈｉｙｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ＇ａｎ ７１００６５， Ｃｈｉｎａ）
１ 引言
由 于 液 位 测 量 中 被 测 介 质 种 类 繁 多 、介 质 的 物 理 化学性质极 其 复 杂 、现 场 工 作 条 件 恶 劣 等 ， 因 此 出 现 了各种各样的液位传感器， 这些液位传感器的测量原 理和方法各有其优缺点。与传统的液位传感器相比， 光纤液 位传感器具 有如下优 点 ： （１）耐 高 温 高 压 、抗 电 磁干 扰、抗环境噪 声、抗 电 气 绝 缘 性 好 ， 在 易 燃 、易 爆 环 境下安全可 靠； （２）频带宽、动 态范围 广 ， 灵 敏 度 高 ； （３）便于远距离测量和控制； （４）体积小、质量轻、安装简 单、造价低。
１ 外壳； ２ 导油管； ３ 密闭腔； ４ 应变片； ５ 重油； ６ 外应变片； ７ 保护盖； ８ 光纤布喇格光栅 图 ６ 光纤布喇格光栅连续型液位传感器结构
的一端涂黑吸收透射光； 另一端通过外壳 １ 延伸出去 将输出信号送往光电探测器， 探测器获得的信号， 由 电路处理给出液位结果。
利用应力片的微弯量感应容器内液体压强的原 理， 使光纤光栅受压而弯曲改变光纤光栅的光栅常 数， 从而改变反射光的波长， 波长移动量与光纤光栅 所受应变量呈一定比例关系。该装置的探头部分采用 小巧紧凑的全光学结构， 无需电磁转换电路， 抗干扰 性能特别好， 监测精度高， 安全可靠， 结构简单， 特别 适用于易燃易爆场所的流体压强或液位量检测。
光纤变形， 进而影响光纤中传输光强度的一种液压型
光纤液位传感器。该传感器［４］的核心部分是 光纤变形
器， 如图 ２ 所示。传感探头由应力微弯变形调制器和
传输光纤构成， 位于测量管底部。由光源发出的光经
过扩束镜， 会聚注入多模光纤。包层中的非引导模由
脱模器去掉， 然后进入微弯变形器。当传感器探头置
于液体中后， 变形器受到大气压与液体压力的作用，
Ａｂｓ ｔｒａ ｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｙｐｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｆｌｕｉｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｗｈｉｃｈ ｈｉｇｈｌｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｙ ｐｒｏｄｕｃｅｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｅｘａｍｉｎｅｓ ｔｈｅ ｆｌｕｉｄ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ． Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｈａｓ ｔｈｅｒｍｏｓｔａｂｌｌｙ， ｉｓ ａｎｔｉ－ｃｏｒｒｏｓｉｖｅ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ ｔｈｅ ｍｅｒｉｔ， ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｔｙｐｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｆｌｕｉｄ ｐｏ－ ｓｉｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｗａｓ ａｌｌｏｗｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｏｎｔａｃｔ， ｔｈｉｓ ｔｈｅｎ ｅｎａｂｌｅ ｉｔ ｔｏ ｈａｖｅ ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｗｉｄｅｓｐｒｅａｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｓｐｅｃｔ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒｄｓ ：ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ；Ｐｒｅｓｓｕｒｅ；ｓｅｎｓｏｒ；ｆｉｂｅｒ ｇｒａｔｉｎｇ
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张 倩， 等： 压力式光纤液位传感器
图 ５ 光纤 Ｆ－ Ｐ 腔传感头结构
的传输和接收， 与一般的压力传感器相比， 这种光纤 Ｆ－ Ｐ 腔传感器更适用于进行液位测量。这种传感器特 别适合用于储液罐液位的精确测量， 它属于一种压力 型光纤液位传感器， 根据不同液体高度产生的不同压 强的原理来检测液位。
从而使光纤的微弯程度产生变化， 影响光纤的传输功
率， 不同液面高度对变形器产生不同压力， 与之对应
可以得到不同的光纤传输功率， 通过探测器测出其变
化就可以得出液面的高度。
光纤中传导模式数与变形器周期的关系为：
Λ＝ Ｍ ｄ
（２）
ｍ π!Δ
式中 Λ为变形器周期， Ｍ、ｍ 为模式数， ｄ 为光纤芯径。
利用式（２）来选择变形器的变形周期， 使最高阶模与辐
经一系列的计算软件处理之后得出被测信号的
表达式为：
" # β＝ ｉ１１ ／ｉ２１ － ｉ１２ ／ｉ２２ ｓｉｎ ｉ１１ ／ｉ２１ ＋ｉ１２ ／ｉ２２
２πＣＬＳｅ Ｐ λＳ０
（４）
从 式（４）中 可 以 看 出， 值 与 光 源 发 光 功 率 的 变 化 、光 纤 传
输损耗、探测器响应度（包括放大器增益）无关， 仅与被
（６）光纤布喇格 光 栅（ ＦＢＧ） 法 液 位 传 感 器 图 ６ 是 一 种 用 光 纤 Ｂｒａｇｇ 光 栅（ＦＢＧ）作 应 变 传 感 测 量 液 位 的 结构示意图。光纤光栅应变传感器由一个圆柱状腔壳 ３、腔壳上的应力片 ４ 及固定在其上的光纤 Ｂｒａｇｇ 光栅 ８ 所组成。应力片 ４ 上面是充满重油的腔室 ５， 重油腔 室上面应力片 ６（外层应力片）与外界液体相接触， 把外 面液位深处的压强经由重油腔传递到内层应力片上。 重油腔两侧有两个小孔 ２， 供充重油时排除空气， 最后 用两个堵塞密封。光纤 Ｂｒａｇｇ 光栅沿直径方向嵌在应 力片上， 并用环氧胶 ＧＨＪ－ ０１（Ｚ）固定。光纤 Ｂｒａｇｇ 光栅
一块的明条纹完全重合时， 透光率为零。这样的两块
光栅板可以实现光传输 ０￣５０％的调制。这种结构检测
微位移有很高的灵敏度。
图 ３ 为光栅反射式光纤液位传感器。由光纤输出
端自聚焦透镜输出的光束是平行光束。当反射动栅有
一位移 Δｘ 时， 反射回光纤的光通量的改变量 ΔΦ为：
ΔΦ＝Ｉ０ｍｌ１Δｘ
（３）
式中 ｍ 为光栅条数， Δｘ 为反射 动栅的位移 ， ｌ１ 为光栅
面 ， 另 一 个 腔 面 为 其 他 材 料（如 硅）， 用 来 传 感 液 位 高
度［６］。由于这种结构只使用一根光纤就 可实现光能 量
图 ２ 利用光纤微弯特性 制成的光纤液位传感器
图 ３ 光栅反射式光纤液位传感器
()* 光通信技术 ２００７ 年第 ５ 期
（ａ）
（ｂ）
图 ４ 应力双折射压力式光纤液位传感器
镜具有对称结构， 从而使各光纤之间的耦合效率受波
长漂移、温度变化等不利因素的影响可得到补偿， 进
而保证整个系统的长期稳定性。Ｓ１、Ｓ２ 分别为信号光源 和参考光源， Ｐ 为起偏器， ＰＥＭ 为光弹材料， ＷＰ 为 波
片， Ｄ１ 和 Ｄ２ 为两个 ＰＩＮ 光电探测器。Ｓ１、Ｓ２ 由计算机控 制交替发光。