侯鈺龍， 劉文怡， 張會(huì)新， 蘇　珊， 劉　佳， 趙利輝

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051; 2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051; 3.北京航空航天大學(xué) 慣性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100191; 4.北京航空航天大學(xué) 精密光機(jī)電一體化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

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綜述與評論

光纖液位傳感技術(shù)研究進(jìn)展與趨勢*

侯鈺龍1,2， 劉文怡1,2， 張會(huì)新3,4， 蘇珊1,2， 劉佳1,2， 趙利輝1,2

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051; 2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030051; 3.北京航空航天大學(xué) 慣性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100191; 4.北京航空航天大學(xué) 精密光機(jī)電一體化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100191)

摘要:介紹了光纖液位傳感器相較于普通液位傳感器的特點(diǎn)和優(yōu)勢，梳理光纖液位傳感技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，簡單介紹其分類。針對靜態(tài)與動(dòng)態(tài)應(yīng)用場景下的光纖液位測量技術(shù)展開分析，列舉了國內(nèi)外有代表性的最新研究成果，并對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞：光纖傳感器； 液位檢測； 動(dòng)態(tài)測試

0引言

液位傳感技術(shù)主要用于液體原料或制品的存儲(chǔ)和運(yùn)輸過程中的液位監(jiān)測[1]，以及用于飛機(jī)燃油系統(tǒng)的液位測量等，在石油、化工、航天等領(lǐng)域內(nèi)具有十分廣泛的應(yīng)用需求。但同時(shí)液位傳感器的使用環(huán)境異常復(fù)雜，經(jīng)常需要在強(qiáng)電磁干擾、易燃易爆、腐蝕性、低溫等特殊環(huán)境下使用，對傳感器的適應(yīng)能力提出了諸多苛刻的要求。與其它相對成熟的液位傳感技術(shù)相比，諸如電容式[2]、磁致伸縮式[3]、超聲波式[4]等，光纖液位傳感器設(shè)計(jì)最為靈活，種類多且各具特點(diǎn)，能夠滿足復(fù)雜多變甚至是惡劣環(huán)境下的液位測量需求。由于光纖傳感器所體現(xiàn)出的免疫電磁干擾、抗腐蝕、質(zhì)量輕、體積小、測量精度高等優(yōu)勢，吸引了該領(lǐng)域研究者更多的關(guān)注。

本文簡單梳理光纖液位傳感器的發(fā)展脈絡(luò)，針對最新研究成果展開介紹，分析光纖液位傳感技術(shù)發(fā)展所面臨的難題，并對其發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1光纖液位傳感器的分類

按照傳統(tǒng)分類方式，光纖液位傳感器可以分為本征和非本征兩類。非本征型是利用光纖作為信號傳輸介質(zhì)，傳感實(shí)際上是通過外加的調(diào)制裝置來實(shí)現(xiàn)，如3EFL—Ⅰ系列光纖液位變送器[5]。這一類傳感器設(shè)計(jì)主要出現(xiàn)于本世紀(jì)初期，常常需要浮筒，光碼變送器及復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，雖然該類傳感器可實(shí)現(xiàn)較大測量范圍，但精度不高，實(shí)時(shí)性較差，系統(tǒng)復(fù)雜且體積龐大[6]。本征型是指利用光纖自身作為液位傳感器，主要包括壓強(qiáng)敏感型、受抑全內(nèi)反射型、光時(shí)域反射(OTDR)型、長周期光纖光柵型等。

本文主要針對靜態(tài)與動(dòng)態(tài)液位測量技術(shù)分別展開介紹。

2光纖液位靜態(tài)測量技術(shù)

目前，光纖液位傳感器中最為成功的是壓強(qiáng)敏感型光纖液位傳感器。其利用應(yīng)變片來感受來自液體的靜壓強(qiáng)，并通過光纖來測量作用在應(yīng)變片上的壓強(qiáng)值，從而得到液位值。根據(jù)應(yīng)變片形變感應(yīng)方式的不同可將壓強(qiáng)敏感式光纖液位傳感器分為光強(qiáng)反射式[7，8]、Fabry-Perot式[9]、微彎式[10]、雙折射式[11]、光纖布拉格光柵(FBG)式[12]等。雖然很多場合均要求實(shí)現(xiàn)大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的高精度測量，但起初這些傳感器通常無法兼顧測量范圍與分辨率。隨著MEMS技術(shù)、光刻工藝與精密加工技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)abry-Perot式和布拉格光柵式液位傳感器近年來獲得了許多新的突破。

2.1基于隔膜的非本征Fabry-Perot干涉型液位傳感器

2014年，廣東海洋大學(xué)Wang Wenhua等人報(bào)道了大動(dòng)態(tài)范圍DEFPI(diaphragm-based extrinsic Fabry-Perot interfe-rometric)液位傳感器，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1[13]所示。該傳感器是通過CO2激光器加熱熔接技術(shù)制作的全熔融石英(all fused-silica)結(jié)構(gòu)的非本征型Fabry-Perot光纖干涉儀，可以實(shí)現(xiàn)5 m動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的高精度液位測量，測量分辨率達(dá)到了0.7 mm。該傳感器的測量范圍大大超出了以往壓力式液位傳感器數(shù)10 cm的動(dòng)態(tài)范圍，且兼顧了測量的精確性。

圖1　DEFPI液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖Fig 1　Configuration of a DEFPI liquid level sensor

通常，溫度交叉敏感是Fabry-Perot類傳感器的關(guān)鍵性技術(shù)難題。該小組發(fā)現(xiàn)在制作過程中對Fabry-Perot腔進(jìn)行密封處理，會(huì)導(dǎo)致在腔體內(nèi)捕獲空氣，這些空氣會(huì)隨環(huán)境溫度的改變而受熱膨脹，引發(fā)隔膜內(nèi)表面產(chǎn)生有害的壓力，從而導(dǎo)致傳感器具有很強(qiáng)的溫度依賴性。為解決這個(gè)問題，該小組為Fabry-Perot腔體留了氣孔，從而顯著降低了由溫度交叉敏感所引起的誤差(0.002 5 kPa/℃，相應(yīng)的液位誤差為0.25 mm/℃)。

2.2FBG型液位傳感器

由于Fabry-Perot式和FBG式液位傳感器均屬于波長調(diào)制型，光源往往需要昂貴的可調(diào)諧激光光源，傳感信號檢測則需要昂貴的解調(diào)設(shè)備，高昂的系統(tǒng)成本阻礙了該類型傳感器的應(yīng)用推廣。同樣在2014年，Dipankar Sengupta等人利用FBG實(shí)現(xiàn)1 m范圍內(nèi)的液位測量，傳感器的敏感度達(dá)到1.8 pm/cm。如圖2[14]所示,該傳感器利用硅膠封裝FBG，在感受液位壓強(qiáng)的同時(shí)可以隔離外界環(huán)境溫度的影響。

圖2　FBG液體靜壓傳感探頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig 2　Configuration of FBG hydrostatic pressure sensing probe

為了突破信號檢測成本給實(shí)際應(yīng)用帶來的限制，該小組利用SMS邊界濾波器將布拉格波長頻移轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光強(qiáng)度變化，從而實(shí)現(xiàn)低成本的實(shí)時(shí)現(xiàn)場測量。可以看到，隨著各種新技術(shù)手段的涌現(xiàn)，以往困擾光纖傳感器應(yīng)用的諸多困難，例如:交叉敏感、高昂的測量成本等問題正在逐步化解，也正因此,光纖類傳感器在液位測量領(lǐng)域保持著旺盛的研發(fā)勢頭。如圖3所示，截至2015年1月，通過Web of Science檢索得到的非光纖類的液位傳感器總數(shù)為40余篇，而光纖類液位傳感器文獻(xiàn)數(shù)則達(dá)到90余篇。

圖3　光纖類與非光纖類液位傳感器近20年SCI論文發(fā)表情況對比Fig 3　Comparison of SCI indexical papers on optical fiber andnon-optical fiber liquid level sensors in recent 20 years

但也要看到，無論Fabry-Perot類或FBG類液位傳感器，其測量物理量均為液體的靜壓強(qiáng)，由于運(yùn)動(dòng)過程中將產(chǎn)生的加速度和額外壓強(qiáng)導(dǎo)致此類傳感器并不適用于液體裝卸、運(yùn)輸，特別是飛行器上升、下降運(yùn)動(dòng)過程中的燃油液位的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量。飛機(jī)燃油液位測量中，盡管傳統(tǒng)的電容式液位傳感器存在精度低、質(zhì)量龐大、系統(tǒng)復(fù)雜、帶電測量存在安全隱患、易受電磁干擾等顯著缺點(diǎn)，而這些缺點(diǎn)也恰恰是光纖類傳感器可以彌補(bǔ)的，但是由于飛機(jī)燃油液位測量對動(dòng)態(tài)性能的要求是現(xiàn)有的壓強(qiáng)敏感型光纖液位測量技術(shù)仍未突破的原理性難題，因此，傳統(tǒng)電容式液位測量技術(shù)仍然難以被取代。

3光纖液位動(dòng)態(tài)測量技術(shù)

光纖動(dòng)態(tài)液位傳感一直是光纖傳感領(lǐng)域內(nèi)未被攻克的技術(shù)難題。1995年，由意大利Cassino大學(xué)工業(yè)工程學(xué)院的Betta G提出基于倏逝場光泄漏的光纖液位傳感器[15]。該小組通過化學(xué)腐蝕的方法將一根塑料包層光纖的包層由12.5 μm減小到5 μm，實(shí)現(xiàn)了1 m范圍內(nèi)的連續(xù)液位動(dòng)態(tài)測量，但液位測量精度僅為25 mm。由于該方法需要對包層厚度進(jìn)行精確控制，增加了制造的難度，并且由于原有包層結(jié)構(gòu)遭到破壞，使得該傳感器的魯棒性變差。2013年,美國北達(dá)科他州立大學(xué)和密蘇里大學(xué)的Huang Ying和Chen Baokai等人[16]合作，利用長周期光纖光柵制作了連續(xù)液位傳感器，實(shí)現(xiàn)了液位分辨率誤差小于1 mm。該傳感器雖然實(shí)現(xiàn)了連續(xù)液位測量和較高的精度，但量程只有3 cm，仍無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。2013年，華中科技大學(xué)的趙呈銳等人[17]，針對飛機(jī)燃油液位測量，提出了基于側(cè)光光纖(side-emitting fiber)光泄露原理的動(dòng)態(tài)液位測量系統(tǒng)。側(cè)光光纖由于內(nèi)部存在散射顆粒，使得光纖不斷發(fā)生光輻射，通常被用作照明。該小組將側(cè)光光纖螺旋彎曲后浸入被測液體中，發(fā)現(xiàn)側(cè)光光纖的輻射量與周圍環(huán)境的折射率有關(guān)，光纖的輻射損耗隨浸入液位的增高而變大。利用該原理，該小組實(shí)現(xiàn)了1 m范圍內(nèi)的液位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測量，但由于輸出的非線性，導(dǎo)致測量誤差超過1.77 %，仍然無法滿足飛機(jī)燃油液位測量的精度要求(1 %)。

總之,在傳感器的特性和參數(shù)上仍與成熟技術(shù)有較大差距，至今尚未見到參數(shù)足夠理想，可以兼顧測量精度與量程的報(bào)道。

4結(jié)束語

綜上所述，光纖液位傳感技術(shù)在測量精度、量程等參數(shù)方面已滿足市場化需求，在環(huán)境適應(yīng)性等方面較傳統(tǒng)技術(shù)體現(xiàn)出特有的優(yōu)越性。高性能的光纖傳感器通常屬于波長調(diào)制，市場主流的解調(diào)設(shè)備價(jià)格仍舊昂貴。但可以預(yù)見，隨著SMS邊界濾波器的應(yīng)用推廣，波長信號的解調(diào)成本將大幅下降，從而使光纖傳感器獲得更為強(qiáng)勁的市場競爭優(yōu)勢。在靜態(tài)液位測量方面，光纖傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了十分優(yōu)越的性能，但不可否認(rèn)的是在動(dòng)態(tài)液位測量方面，光纖傳感技術(shù)尚難以取代傳統(tǒng)測量手段。可以確信，隨著新的光纖傳感原理、技術(shù)和設(shè)計(jì)的不斷涌現(xiàn)，最終光纖傳感器一定能夠在飛機(jī)燃油等動(dòng)態(tài)液位測量環(huán)境下發(fā)揮積極作用。

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侯鈺龍(1984-)，男，河北平鄉(xiāng)人，博士研究生，主要從事光纖傳感方面的研究。

Research progress and trends of optical fiber liquid level sensing technologies*

HOU Yu-long1,2， LIU Wen-yi1,2， ZHANG Hui-xin3,4, SU Shan1,2, LIU Jia1,2, ZHAO Li-hui1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education, North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, Taiyuan 030051,China; 3.Science and Technology on Inertial Laboratory,Beihang University, Beijing 100191,China; 4.Key Laboratory of Precision Opto-mechatronics Technology, Ministry of Education,Beihang University,Beijing 100191,China)

Abstract:Comparing with normal liquid level sensors,characteristics and advantages of fiber liquid level sensor are introduced,technical of the technology and its classification are simply illuminated.The optical fiber liquid level measuring technologies for different applications of static and dynamic conditions are analyzed by up-to-date research works,and development trends in the fature are prospected.

Key words:optical fiber sensor; liquid level detection; dynamic test

作者簡介:

中圖分類號：TP 212.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)01—0001—03

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275491，61275166)

收稿日期：2015—02—11

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0001—03