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7100651)


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

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。

2  基本原理

　　压力式光纤液位传感器的基本结构是将某种类型的光纤压力传感器的压敏元件置于被测液体容器的底部，根据所测压力的大小即可算出相应的液位。液面高度H与其对应液体深处的静压强P之间的关系由式(1)给出：
　　P=��gH　　　　　　　　　　(1)
　　式中��是液体的密度，g是重力加速度。如10m水(��=1)深处的压强为1个大气压(9，81N／cm2=0，1MPa1，10m石油(��=0.65)深处的压强为0.65大气压(6.377。N／cm2，lOm盐水溶液(��=1.3)压强等于1.3个大气压(12.75N／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。这种传感器的光纤导光头可改进为图1所示结构。


　　选取大芯径200��m的多膜光纤，Ll、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，补偿了光源强度的变化、光纤传输过程中的光功率损耗以及反射膜片反射率的变化对传感器的影响，克服了由于这些因素所造成的测量误差，提高了测量精度。如果采取对称式结构，还可以补偿温度变化的影响。

(2)　光纤微弯压力式液位传感器

　　这是利用压力使光纤变形，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，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：
　　

式中��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，以增加作用长度，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5O%；一块板的暗条纹与另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△x时，反射回光纤的光通量的改变量△��为：
　　△��=I0ml1△x　　　　　(3)
式中m为光栅条数，△x为反射动栅的位移，l1为光栅板有效宽度，I0为光纤输出光强。光纤探头接收到的反射光通量的改变量与动栅的位移成线性关系。

(4)　应力双折射压力式光纤液位传感器


　　借用偏振光，利用一些材料的应力双折射特性，也可以构造压力式光纤液位传感器来检测液位。在图4中，PEM为光弹材料，在液深造成的压力下，会产生双折射特性，使通过它的偏振光强发生变化。检测这一变化，可以获得相应的液位高度。
4个自聚焦透镜G1、G2、G3、G4与偏振分光棱镜Ps构成一个桥式补偿光路。两个输入光的自聚焦透镜G1、G2的端面距相应的分光棱镜入射面光程相等；接收光的自聚焦透镜G3、G4的端面距相应的分光棱镜出射面距离也相等，所以从光程角度它们对偏振分光棱镜具有对称结构，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。
经一系列的计算软件处理之后得出被测信号的表达式为：


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，仅与被测压强P有关，从原理上消除了各种不利因素的影响，实现了补偿目的，保证了传感器系统的长期稳定性。该系统的动态范围为0～147.1kPa，满量程的精度分为3级，A级为0.2%，B级为0.5%，C级为l%。

(5)　光纤法珀腔干涉法液位传感器

　　这里介绍的是一种非本征型F—P腔传感器，它的一个腔面为光纤端面，另一个腔面为其他材料(如硅)，用来传感液位高度同。由于这种结构只使用一根光纤就可实现光能量的传输和接收，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。


　　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。
　　实验中发现温度变化对测量有很大影响。这是由于密封在F—P腔内的空气由于温度变化，在体积不变的条件下其压强会相应变化，结果使弹性硅片受到的压强差改变，从而改变实际测量结果。解决温度影响可以有两种方法，一种是不要把F—P腔密闭，这样腔内空气温度变化对压强的影响就很小：另一种是采取温度补偿的方法，需要一个温度传感器监测温度。对测量结果进行校正。

(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一01(Z)固定。光纤Bragg光栅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。

4　总结

　　压力式光纤液位传感器是一种可以与液体接触型的液位传感器，由于光纤所具有的独特优点，使它具有了很好的应用前景。液位测量装置在工业上有很大的需求量，特别是石油化工工业中，许多特殊的生产环境，使得光纤液位传感器在这些场合独具优势。但是也有不完善之处。目前还没有一个精度高、测量范围广、造价低、重复性好、寿命长的光纤液位传感器，在这方面还有待于进一步发展。

参考文献：
[1]苑立波。舰船光纤液位检测系统[J]。舰船工程，1995，1：44—47。
[2]刘瑞复，史锦珊。光纤传感器技术与原理[M]。北京：机械工业出版社，1987。208—2 10。
[3]苑立波，曹茂盛。双波纹管补偿式差动光纤液位计[J]。光子学报，1995，24(6)：524-529。
[4]徐荣，龚倩。基于波导弯曲损耗原理的光纤液位传感器[J]。自动化仪表。1998。19(1 1)：25—28。
[5]林钧岫，任顺平。IM85—1型光纤液位传感器系统[J]_仪表技术与传感器，1995，(4)：18—21
[6]阮驰，高应俊，等 光纤法布里—珀罗(Fabry—Perot)腔液位传感器[J] 光子学报。2003，32(10)：170—174