（光学专业论文）光纤法布里珀罗腔液位传感器研究.pdf

摘要 光纤传感器是传感器技术的重要外延和发展。随着光纤信息技术的迅速发 展，光纤传感已在很多重要应用领域以其独特的优点为人们所注目。 为了适应易燃易爆液位检测的需求，我们利用液体压力测量液位的原理，提 出一种光纤法布里一珀罗( f - p ) 腔连续型液位传感器。这种光纤液位传感器不改 动现场设备，便于现场安装，精度高，本征防爆，特别适合于易燃易爆液位的检 测，对石油化工等行业有非常重要的意义。 论文绪论部分对当前液位传感器现状，在大量调研基础上，进行了简单综述， 指出了它们的局限性，特别是在对易燃易爆液体液位测量中，显示出各种各样严 重的缺点。 为了指导光纤液位传感器的研究，论文接着对有关传感器的参数、指标要求、 环境影响等问题进行了评述。 由于我们采用压力式液位检测，本文特别对弹性敏感元件的材料性能、结构 模型进行了讨论研究。这对本文所研究传感器的弹性片材料选择和结构形式起到 了借鉴作用。 第四章是本文重点，详细分析介绍了所提出的光纤f p 腔的结构特点、参数 选择，以及工作点的正确定位问题等，并结合工艺实践，较好地解决了这些问题。 文中特别对影响光纤f - p 腔液位传感器的各种因素进行了较深入全面的讨 论。提出了一种补偿f - p 腔温度影响的凸台式恒弹性片设计，给出了相关参数要 求，这种温度补偿设计能在合理的范围内很好地补偿温度造成的信号漂移。 文章还对弹性应变片弹性模量的温度特性进行了深八分析，研究结果表明， 弹性片弹性模量随温度的变化对挠度的影响很大，因此在实际选材设计中，弹性 片弹性模量的温度特性必须予以足够的注意。 为了扩大量程，文中给出一种双传感头推挽式液位检测系统，可以在几乎不 减小分辨率的情况下，大大扩展测量范围。 我们做出的光纤f - p 腔液位传感器样品，经实际测量可以给出稳定、精度高 的输出结果。 关键词：光纤传感器液位测量法布里一珀罗 a b s t r a c t o d t i c a tf i b e rs e n s o r ( o f s ) i st h e i m p o r t a n te x t e n s i o na n dd e v e l o p m e n to f t r a n s d u c e r t e c h n o l o g y w i t h t h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fo p t i c a lf i b e ri n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y , p e o p l ep a ym o r ea t t e n t i o n t ot h eo f sf o ri t s u n i q u em e r i t s i nm a n y a p p l i c a t i o nf i e l d s i no r d e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e t e c t i o no ff l a m m a b l ea n de x p l o s i v e c o n t i n u o u sl i q u i dl e v e l ，b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fs t a t i cl i q u i dp r e s s u r e ，w ed e v e l o p e d al i q u i ds e n s o rb yu s i n go p t i c a lf i b r ef a b r y p e r o tc a v i t yi n t e r f e r o m e t e n t h i ss e n s i n gw a yn e e d sn o tt om o d i f yt h ew o r k s i t ef a c i l i t y ；t h es e n s o ri se a s yt o s e tu pw i t hi n t r i n s i ce x p l o s i o n p r o o fa n dh i g hp r e c i s i o n t h i si sv e r yi m p o r t a n tt o p e t r o l e u ma n d c h e m i c a li n d u s t r y a f t e r e x t e n s i v e l ys u r v e y i n g t h e l i t e r a t u r e ，t h e t h e s i si n t r o d u c t i o n s i m p l y r e v i e w st h ep r e s e n td e v e l o p m e n ts t a t eo fl i q u i dl e v e ls e n s o r s ，a n dp o i n t so u tt h e l i m i t a t i o n s ，e s p e c i a l l yf o ru s e d t om e a s u r et h ei n f l a m m a b l ea n d e x p l o s i v el i q u i dl e v e l i no r d e rt o h e l p t h er e s e a r c ho nt h i ss e n s o r , t h et h e s i sc o n m l e n t ss o m e t r a n s d u c e rp a r a m e t e r s ，q u a i l t yi n d e x e sa n dt h ei n f l u e n c eo f e n v i r o n m e n t s s i n c et h ep r i n c i p l eo fs t a t i cl i q u i dp r e s s u r ei so u rt h e o r e t i c a lb a s i s ，t h ee l a s t i c s e n s i n ge l e m e n t 、i n c l u d et h em a t e r i a l sa n ds t m c t u r em o d e l sw e r ed i s c u s s e di nd e t a i l ， a n dt h i si sb e n e f i tt ot 1 1 es e l e c t i o no ft h em a t e r i a l sa n ds t r u c t u r e so fe l a s t i cs e n s i t i v e e l e m e n t s c h a p t e r4i st h em a j o r o ft h i st h e s i s t h ef e a t u r e so ft h ed e v e l o p e do p t i c a lf i b r e f pc a v i t ys t r u c t u r e s ，t h ep a r a m e t e r sd e s i g na n dc h o o s i n g ，a n dt h ew o r kp o i n ts e t t i n g e t cw e r ea n a l y s e dt h o r o u g h l y , a n dc o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a lt e c h n o l o g y , t h e s e p r o b l e m s w e r er e s o l v ei nb e t t e rw a y t h ea 1 1s o r to ff a c t o r s a f f e c t i n g t h es e n s o r p r e c i s i o n w e r e d e e p l y a n d c o m p r e h e n s i v e l ya n a l y s e da n dd i s c u s s e d as p e c i a ls t r u c t u r eo f t h ee l a s t i cs e n s i t i v e e l e m e n tw i t hr e l i e fs h a p ei sd e v e l o p e d ；t h ep l a t ed e s i g na n dt h er e l a t e dp a r a m e t e r s w e r ei n t r o d u c e d t h i su n i q u es t r u c t u r ec a nc o m p e n s a t et h et e m p e r a t u r ei n f l u e n c ei na r e a s o n a b l er a n g e t h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so ft l l ee l a s t i c i t ym o d u l u so ft h em a t e r i a l sw e r e a n a l y s e dd e e p l ya n dw ef o u n dt h a tt h ef l e x i b i l i t yo f t h ee l a s t i cm a t e r i a l sw a ss e v e r e l y a f f e c t e db yt e m p e r a t u r ec h a n g i n ga n dt h i ss h o u l d p a ym u c h a t t e n t i o nf o rt h em a t e r i a l s s e l e c t i o n ad o u b l e - s e n s o r s y s t e m w a sd e v e l o p e dt o e n l a r g e t h em e a s u r e m e n tr a n g e w i t h o u t l o s i n gt h e r e s o l u t i o n t h eo p t i c a lf i b e r f a b r y p e r o tl i q u i d 1 e v e ls e n s o rw e r ef a b r i c a t e da n d t h e m e a s u r e m e n tr e s u l t ss h o wt h a tt h es e n s o rc a n g i v es t a b l e ，h i 曲p r e c i s i o no u t p u t k e y w o r d ：o f s ( o p t i c a lf i b r es e n s o r ) ，l i q u i dl e v e lm e a s u r e m e n t ，f a b r y - p e r o t i i 科研道德声明 n 6 8 3 1 5 5 秉承研究所严谨的学风与优良的利学道德，本人声明所呈交的论文是我个人 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。，论文1 1 所引用的内容都已给予 了明确的注释和致谢。与我一同工作的司志刘水研究所做的仟何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：多；焦墓日期：三：丝主望塑多 知识产权声明 本人完全了解中科院西安光学精密机械研究所有关保护知识产权的规定 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位系中科院西安光学精密机 械研究所。本人保证离所后，发表基于研究生工作的论文或使用本论文工作成果 时必须征得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为中科院西安 光学精密机械研究所。产权单位有权保留送交论文的复日j 件，允许论文被查阅和 借阅；产权单位可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：蔓堡苤导师签名 日期：望堂皇旦塑垡日期： 1 绪论 1 1 光纤传感器概述 1 绪论 传感器技术是当今世界一项令人瞩目的高新技术和当代科学技术发展的一 个重要标志。随着现代科学技术的迅猛发展，非电物理量的测量与控制技术，已 经越来越广泛地应用于航空航天、常规武器、船舶、交通运输、冶金、机械制造、 化工、轻工、生物医学工程、自动检测与测量、称重等技术领域，而且也正在逐 步引入人们的日常生活中。传感器是实现测试与自动控制( 包括遥感、遥测、遥 控) 的首要环节。如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，一切 准确的测试与控制将无法实现。工业生产过程的现代化，几乎主要依靠各种传感 器来监视和控制生产过程的各个参数，使设备和系统正常运行在满意的状态，从 而保证生产的高效率和高质量。 传感器( t r a n s d u c e r 或s e n s o r ) 也称换能器、变换器，广义而言，传感器 是将被测的某一物理量( 或信号) ，按一定规律转换为与其对应的另一种( 或同 种) 物理量( 或信号) 输出的装置 1 。目前对传感器的定义，普遍的认识仍局 限于非电物理量与电量的转换，即传感器是将被测的非电物理量( 如力、压力、 重量、力矩、应力、应变、位移、速度、加速度、振动、冲击、温度、流量、声 响、角度、转速、物位、物性、物体的尺寸) ，转换成与之对应的、易于精 确处理的电量或电参量( 如电流、电压、电阻、电感、电容、电荷、频率、阻抗) 输出的一种测量装置。也有少部分传感器，其能量的转换是可逆的，也就是说传 感器非但可以将非电物理量转换成电量，同时也可以根据测试与自动控制的需要 将电量转换成非电量而加以利用。 二十一世纪将全面进入信息时代，传感器技术与通信技术、计算机技术一起 构成信息技术的三大支柱信息的获取、传输与处理。如果说通信和计算机是 神经和大脑，那么，把自然界中各种物理量，例如温度、湿度、压力、声音和图 像等，和各种化学量，例如离子和中性分子的浓度等，转换为电信号的传感器则 犹如耳目。当前，通信技术、计算机技术已经得到了充分的发展，但是信息获取 装置传感器和传感器技术却成了限制信息技术更为广阔发展的瓶颈 2 ，3 。 光纤法布里一珀罗腔液位传感器研究 从2 0 世纪8 0 年代以来，传感器和传感器技术成为国际研究的热点之一：美 困国防部将传感器技术视为2 0 项关键技术之一；日本把传感器技术与计算机、 通信、激光半导体、超导并列为六大核心技术；德国把军用传感器作为优先发展 技术；英、法等国对传感器的开发投资逐年升级；原苏联军事航天计划也列有传 感器技术。 二十世纪中叶发展起来的信息技术，主要依靠电子学和微电子学的进步，但 是由于电子本身的物理极限 4 ，电子信息技术的载体量级为吉位( g b ，即 i 0 i t ) 。由于光予的并行性以及光波频率比电波频率高的多，为提高传输速度 和载波密度，信息的载体必然由电子发展到光子 5 ，6 。通信的骨干网已经是长 途光缆，光交换也在迅速发展以期实现全光网 7 - 9 。 光纤传感器技术作为传感器技术的重要组成部分，是在激光、光纤和光电探 测技术基础上发展起来的，目前正逐步走向实用化阶段。激光器的发明、低损耗 光纤的问世，开启了光纤传感的时代。2 0 世纪7 0 年代起，随着光纤的诞生，光 纤传感器技术得以问世；8 0 年代已经显示出广阔的应用前景；9 0 年代后期以来， 在光通信产业迅猛发展的带动下，随着配套技术的日趋完善，相关材料、器件价 格的大幅度下降，光纤传感器呈产业化发展。 国外一些发达国家对光纤传感技术的应用研究已取得丰硕成果，不少光纤传 感器系统已经实用化，成为替代传统传感器的商品。国内不少部门和单位对光纤 传感器技术也进行了多年研究，取得不少研究成果，但大多处于预研阶段，离实 用化还有相当距离。与传统传感器相比，光纤传感器更注重物性特性而不是功能 特性，其重要应用之一是利用光纤质轻、径细、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、 损耗小、集信息传感与传输于一体的特点完成测量任务特别是常规检测技术难以 完全胜任的测量任务 1 0 一4 1 。 光纤传感，包含对外界信号( 被测量) 的感知和传输两种功能。所谓感知( 或 敏感) ，是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输光波的物理特征参量，如强 度( 功率) 、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感 知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实旌 调制。所谓传输，是指光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测， 将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤 1 绪论 传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号( 被测量) 如何调制光纤中 光波参量的调制技术( 或加载技术) 及如何从已经被调制的光波中提取外界信号 ( 被测量) 的解调技术( 或检测技术) 。 根据被外界信号调制的光波物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为 光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。由 于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波 长、相位和偏振态这四种光波物理量，因此光的频率、波长、相位和偏振态调制 信号都要通过某种技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测 4 2 。 相比于传统的传感技术，光纤传感器的特点 4 3 是：( 1 ) 抗电磁干扰，电绝 缘，耐腐蚀，本质安全。这使它在各种大型机电、石油化工、冶金、高压、强电 磁干扰、强腐蚀、易燃易爆环境中能方便而有效地传感。( 2 ) 灵敏度高。光波干 涉技术使得很多光纤传感器的灵敏度远优于一般的传感器。( 3 ) 重量轻，体积小， 外形可变。这有利于航空、航天及狭窄空间的利用。( 4 ) 测量对象广泛，已经出 现性能不同的测量温度、压力、位移、速度、加速度、液位、流量、振动、水声、 电压、电流、电场、磁场、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种物理量、化学量 的光纤传感器。( 5 ) 对被测介质影响小，在医学生物领域极为有利。( 6 ) 便于复 用，便于成网。有利于与现有光通信技术组成遥测网和光纤传感网。( 7 ) 成本低。 表1 1 - 1 3 列出光纤传感器的特性 4 4 。 表1 1 光纤传感器所用的主要物理效应和与检测量 功能型非功能型 光纤传输参数变化光载波自身变化光转换元件检测量 物理效应检测量物理效应检测量半导体膜温度等 光散射效应畸变、震动、音响塞格纳克角速度普克尔元件电场、电压 ( 强度调制) 等效应法拉第元件 磁场、电流 光弹性效应压力、温度、应变、多普勒效速度荧光物质温度、放射线 ( 光相位)流速、音响、加速应黑体腔温度 度等取金属片 温度 法拉第效应磁场、电流等光谱吸收化学量液晶温度、压力、 ( 光偏振而效应振动 旋转)光弹性元件 压力、应变、 音响 光致色彩效放射线剂量光散射效温度、发光管温度 世世浓度等遮光光路 位移、振动、 旋转 光纤法布晕珀罗腔液位传感器研究 表1 2光纤特性及测量适用的范围 光纤特性测量特性 机械方面纤径细狭小空间测量 韧性好可挠测量 重量轻飞行体内测量 电气方面绝缘性高电压f 测量 无电磁感应电磁干扰下测量 化学方面耐水性水下测量 耐火性有害气体环境下测量 耐腐蚀性化学气体环境f 测量 传光性低损耗远距离测量 宽频带图象测量 其他热绝缘性工业测量 瓷源丰富范围广泛的测量 表1 3 光纤传感器的应用以及目前技术水平 检测量工作原理技术水平 转动( 光纤陀螺)相位干涉型理论灵敏度( 1 0 “) o h r 实用光纤的计算灵敏度( 3 i 0 。4 ) 。h r 已报道灵敏度( 1 0 o o l o ) h r 温度传光型双金属片：3 5 5 0 。c ，精度0l o c 半导体：5 0 2 5 0 0 c ，精度0 5 0 c 荧光：一5 0 2 5 0 0 c ，精度o i 。c 光谱型蓝宝石：5 0 0 2 0 0 0 0 c ，精度o 1 相位干涉型灵敏度：1 0 0 3 0 0 r a d 1o c c m 位移光强调制型最小可测位移0 0 8 n m ，动态范围1 l o d b 加速度传光型2 5 l o - 5 9 ( 重力加速度) 相位干涉型 1 1 0 5 9 理论极限：2 x 1 0 4 1 0 1 0 9 电流、磁场光强调制型 5 2 0 0 m a 偏振调制型1 0 0 1 5 0 0 0 a ，精度1 相位干涉型5 l o 。1 2 0 e m 压力传光型o l o o o p a ，精度1 o 1 相位干涉型一2 5 d b up a 目前，我国光纤传感器的产业化和大规模推广应用还远远不能满足国民经济 发展的需求。国家自然科学基金委员会资助的软课题“光子学与光子技术发展 战略报告”在1 9 9 7 年就指出：在2 1 世纪的的光子产业上，光纤传感将与光纤通 信平分市场，并逐步超过后者。国家2 0 1 0 年远景规划和十五计划也将传感器列 为重点发展的产业之一。 1 绪论 1 2 液位传感器现状 液位传感器是指检测液体高度信息的仪器，其方法和仪表种类很多 4 57 3 ， 它在工业和日常生活中有着重要而广泛的用途。在化工生产中，它可以用来计测 输送聚合物时的粉体平面、反应缸的液位平面、石油化浆液位、化学储藏罐内的 液体平面；在冶金工业中，可以用来计测制造铸件的管道熔铁平面和连续铸造生 产过程中的钢包液位；在日常生活中则可用来检测大量的汽油、柴油存储罐中的 油位高度等等，使它在工业生产和日常生活中起到耳目的作用。 液位测量有不同的分类方式。比如按照测量方式可分为连续液位测量、离散 液位测量和定点液位测量；按照所用仪器的物理原理可粗略地分为人工液位测 量、机械液位测量、电学液位测量、光学液位测量以及其他种类。下面简单做一 些介绍。 1 2 1 液位测量的人工方式 最原始、简单的办法是测量员用标尺投入液体中，直接读出液位或者根据液 体在标尺上的痕迹测出液位。稍微进步一点的办法是，利用连通器原理，在容器 外面安装一透明玻璃管，并在玻璃管上面标注刻度，人眼可以直接从标尺上读出 液位。还有类似的玻璃板法、双色水位计等，这些人工方式的测量，简单、直观， 也不用花多少成本，但是这些办法的局限是不言而喻的。 国内许多石化部门仍采用原始的人工检测方法进行液位测量，安全可靠性差 劳动强度大，不可能实现非接触在线检测，更谈不上实现油罐现代化遥控与管理。 1 2 2 液位测量的机械方式 这里所说的机械方式，是指在容器内有机械活动部件，而其后续的转换，可 以是在现场用指针等表头显示，也可以转换为电信号、光信号传输到现场外。 浮子法，采用浮子作为液位传感测量部件，驱动编码盘或编码带等显示装置， 或连接电子变送器，或经过光学编码等，以便远距离传输测量信号。例如浮球式 浮子，浮球固接在杠杆上，浮球跟随液位变化而绕转轴转动，并带动转轴上指针 的转动，在刻度盘上读出液位。浮筒式浮予，以中间带孔的磁浮筒作为液位敏感 光纤法布晕珀罗腔液位传感器研究 元件，不锈钢套管从浮筒中问孔穿过，固定在罐顶和罐底之间，液位变化带动空 心磁浮筒沿着套管上下移动，并吸引套管内的磁铁沿着套管e 下移动，带动各种 类型的编码盘，由二次仪表根据磁铁的移动量计算出液位。机械方式还有沉筒法、 伺服法、磁致伸缩法等等。 机械方式需要大面积与液体接触，防腐蚀问题较为严重，缩小了其应用范围； 有活动部件，又降低了它的可靠性；综合精度也不高，现场安装很麻烦、复杂。 1 2 3 液位测量的电学方式 电学方式种类较多，相互之间差别也很大，但都是以传感器的电参数变化来 测量液位的。有电容式、电阻式、电感式、雷达式、应变电压式和压阻式等等， 电学方式在它能够使用的范围内，可以做到较高精度。 电容法对导电和非导电液体原理是一致的，安装上略有不同。电容法有几种， 一种是所测量液体作为电介质( 对导电液体加绝缘套管) ，液位不同时候电介质 在电容极板位置不同，引起电容变化；或者液体压力改变电容极板的距离，从而 引起电容的变化；或者改变电容极板相对的面积。 电阻法特别适合于导电液体的测量，其敏感元件具有电阻特性，阻值随着液 位的变化而变化。电阻法也有不同的形式，一种探针式以探针跟踪液面并在接触 和脱离液面时候的巨大差异确定液位，这种方法精度相当高，但控制电路复杂。 电感法适合于导电液体的测量，特别是液态金属。电感法的原理是液位变化 使得电感元件的自感、互感或导磁率发生变化，将该变化量送往二次电路即可得 到相应的液位数值。电感法应用最为广泛的是高频液位计，其测量原理是：频率 调制信号通过射频电缆耦合到传输线传感器谐振回路，通过谐振回路的谐振频率 跟踪法确定液位。 超声回波法也可以用来测量液位。超声波是机械波，传播衰减小，界面反射 信号强，发射和接收电路简单。但是超声波的传播受介质的密度、浓度、温度、 压力等因素影响，其测量精度低。超声波液位计的安装要求高，特别是与容器的 连接部件( 喉管) ，内部要有足够的空问，要求光港无障碍，且喉管不能过长， 探测头与被测介质的最高界面要有0 8 - 1 米的空间( 盲区) 。一体化超声波液位 计的发射功率有限，测量范围一般在1 0 米以内，特别是介电常数小的介质，需 l 绪论 要较大的发射功率。 微波反射法：微波通过天线( 大多为口径天线，也有平面天线) 辐射出去， 经液面反射后被天线接收，然后由二次电路计算发射信号与接收信号的时间差得 到液位。有一种连续波雷达液位仪采用三角波频率调制的形式，通过对发射信号 与接收信号混频所得差额信号的分析，获得微波传输时间，从而计算出液位。微 波的传播速度受传播介质、温度、压力的影响很小，但液体界面的波动、液体表 面的泡沫、液体介电常数对微波反射信号强弱有很大影响。当压力超过规定数值 时，对液位测量精度将产生显著影响。对于介电常数小于规定数值的液体，大部 分雷达液位仪都要采用波导管，而波导管的锈蚀、弯曲和倾斜都会影响测量精度。 如果以光波替代微波，特别是用调制激光，便成为激光雷达液位仪。 应变式是在压力敏感膜片上贴上应变片，再利用电阻应变效应得到压力和液 位。采用集成电路工艺制作的硅压阻压力计也常用于液位测量，这种方式便于批 量制作降低成本。 1 2 4 液位测量的光学方式 光学方式液位测量主要是用到光纤，其中结合浮子钢带、光学编码盘的已在 前面归为机械式，这里是以光纤为主体的液位传感器。由于某些场合对易燃液体 的液位测量不允许使用带电流输入的传感器，光纤液位传感器在这些场合就具有 独到之处。 泄漏模式光纤液位传感器，将裸露光纤固定在液体容器内，通过液位的变化 引起光纤泄漏模的变化，从而导致输出光强度的变化来实现液位测量。这种方式 结构简单，容易实现，但是受光源强度的波动和连接器损耗变化等影响大，测量 范围小，精度低。 基于全内反射原理光纤液位传感器：它的光纤探头有圆锥体、u 形体和棱镜 体三种，当探头处于空气中没有接触液面时，光线在探头处发生全内反射而返回 光纤，当探头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全内反射被破坏，一部 分光进入液体，光电探测器接收到的光强变弱。这种变弱是一种跳变，表明探头 已接触到液面。 表面反射式光纤液位传感器：入射光纤将光束投射到液面，经过液面的反射 7 光纤法布里一珀罗腔液位传感器研究 后再返回接收器，阻此检测光束的入射位置( 液面高度的函数) 。有的探头发射 光纤和接收光纤同处于一光缆里，或用多根光纤形成发射和接收光纤束：有的发 射光纤和接收光纤分开，多根接收光纤在纵向按一定距离固定，但这只能进行多 个点的定点测量。 利用荧光纤维特性制作的光纤液位传感器：其原理是当有短波长的光线照射 荧光材料时，会向外辐射具有较长波长的光。在容器的上端一组芯径很小的塑料 光纤注入短波长的泵浦光，另有一个较大直径的聚丙烯波导棒，内含由较小直径 的荧光纤维构成的芯子，芯子位置偏离轴线。这两者位置使得当空气存在时，泵 浦光在空气聚丙烯界面上全反射；当波导棒外面有液体存在时，泵浦光在空气一 聚丙烯界面上部分反射。当波导棒中传输的光遇到荧光纤维时，部分能量转化为 比泵浦光波长更长的荧光，不存在液体时产生的荧光最强，存在液体时荧光减弱， 根据所测的荧光强弱程度可以得到液面的不同高度。这种传感器受所测液体的粘 滞度、纯度等外在因素的影响。 利用光纤微弯特性的光纤液位传感器：这是利用压力使光纤弯盥变形，进而 影响光纤中传输光强度的一种压力型光纤液位传感器。光纤微弯传感器可以做到 很高的灵敏度，有些光纤水听器就是利用这一原理做水声扰动探测的。 1 2 5 液位测量的其他方式 除了上面提到的各种液位测量仪器与方式外，还有不少其他方法。如放射线 液位仪，微振动液位仪，磁翻板液位仪，等等。 1 3 光纤液位传感器的特色 储存在压力容器中的液化石油气对液位仪表有严格的要求。对于这类测量仪 表，不但要考虑它的精度等级、灵敏度和稳定性等技术指标，还要考虑它的密封 耐压和防火防爆性能。在石油化工企业中，储油罐的油面高度要采用非电量方法 榆测，特别是对于在远离油罐的集中控制室中检测各油罐液面高度的场合，测量 信息的传递不能用电信号方式束完成，否则极易冈电火花或雷击而引起火灾。 检测液面高度的传统方法虽然有多种，但电学方式仪表在检测或传输信号的 过程中把电流带到现场，人为地引入了潜在的不安全因素。虽然其中不乏非电量 l 绪论 检测形式，但这些检测方式均需要在现场完成，并完成由非电量到电量的转换， 再传输到集中控制室，因而不适合于石化企业中储油罐的液位测量。机械式还因 为其活动部件，增加了维护问题，降低了可靠性和使用寿命。 光纤传感器与传统传感器相比是用光而不是用电作为传递敏感信息的载体， 用光纤而不是用电缆作为传输线。它以光学技术为基础，将被敏感的状态以光信 号形式取出，利用固态半导体器件，进行光电、电光转换，易于与高度发展的 电子装置匹配。与其他传感器相比，光纤液位传感器有下面的优点： 1 、灵敏度高、频带宽、动态范围大。分辨率高，性能大多优于目前其他同 类传感器。由于传输信息的载体是光，光信号载频高，频带宽，光器件已较为成 熟，能做成很大的动态范围。 2 、光纤由石英材料做成，有很好的电绝缘性能。光纤传感器不受电磁辐射 的影响，适用于电噪声环境( 如输电线、电气铁路和电气机械) ，能避免产生电 火花，适用于油罐和易燃易爆液体( 如煤矿和石油化工业) 。它耐高压、耐腐蚀， 在易燃易爆环境下安全可靠。 3 、体积小、重量轻、安装简单。 4 、光纤加特殊保护层后能在高低温下工作。 5 、光纤不仅是敏感元件，而且是一种优良的低损耗传输线，因此几乎不必 考虑测量仪和被测物体的相对位鼍，特别适合于电学方式等传感器不太适用的场 合。可以与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制。 6 、光纤是无源器件，对被测对象不产生影响，其自身独立性好，可以适用 于各种使用环境。 7 、光纤传感器组成的光纤传感网络系统便于与中心计算机连接，可实现多 功能、智能化的要求。 新型的光纤液位仪不但解决了压力容器液位测量的密封耐压难题，而且还具 有本质防火防爆的独特性能，是石化、电力、交通和军工等部门易燃易爆压力容 器和常压容器中的液位或液一液界面测量的理想仪表。通常油罐测量用光纤传感 系统均是一个光纤传感器构成一个检测系统。一个油库有几十上百个油罐，这就 需要许多光纤传感系统，除了光纤传感头外，要用很多光源、光检测器、光纤及 许多重复的二次仪表，显然是极不经济的。而且由于众多的光电器件及二次仪表， 光纤法布里m 罗腔液位传感器研究 故障几率也火，降低了系统的可靠性。因此将众多油罐的光纤传感器容纳在一个 光纤传感网络中，传感器共享光源、光检测器、光纤及二次仪表，将大大节省投 资，提高系统的可靠性；应用计算机控制，就可以自动实时地采集网络中各个油 罐的参数，将为油库检测管理自动化创造条件。 1 4 论文的主要内容 本文所研究的液位测量装置，是光纤法布里一珀罗( f - p ) 腔液位传感器。 这是利用测量液体内部压强的办法来检测液位高度。液体压强作用在弹性敏 感片上其形变量与两侧的差压有关，f - p 腔的另一端面为光纤端面。当入射 光经f - p 腔作用后，返回光纤的干涉光是f - p 腔长度的近似余弦的周期函数。检 测返回光强度的变化，与液体深度对应，就实现液位测量。 论文绪论部分对当前液位传感器现状，在大量调研基础上进行了综述，指出 了它们的局限性，特别是在对易燃易爆液位测量中，显示出各种各样严重的缺点。 为指导光纤液位传感器的研究，论文接着对有关传感器的参数、指标要求、 环境影响等问题进行了评述。由于我们采用压力式液位检测，特别对弹性敏感元 件的材料性能、结构模型进行了讨论研究。这对本文所研究传感器的弹性片材料 选择和结构形式起到了借鉴作用。 第四章是本文重点，详细分析介绍了所提出的光纤f - p 腔的结构特点，参数 选择，以及工作点的正确定位问题等，结合工艺实践，较好地解决了这些问题。 文中特别对影响光纤f - p 腔液位传感器的各种因素进行了较深入全面的讨 论。提出了一种补偿f - p 腔温度影响的凸台式恒弹性片设计，给出了相关参数要 求，这种温度补偿设计能在合理的范围内很好地补偿温度造成的信号漂移。 文章还对弹性应变片弹性模量的温度特性进行了深入分析，研究结果表明， 弹性片弹性模量随温度的变化对挠度的影响很大，因此在实际选材设计中，弹性 片弹性模量的温度特性必须予以足够的注意。 为了扩大量程，文中给出一种双传感头推挽式液位榆测系统，可以在几乎不 减小分辨奉的情况下，大大扩大测量范围。 我俐做出的光纤f p 腔液位传感器样品，经实际测量可以给出稳定、精度高 的输出结果。 2 描述传感器性能的指标 2 描述传感器性能的指标 ( 一) 关于输入量的特性f - 釜篓黧雾量量程 广精度 卜一重复性 卜一线性度 厂静杰响应特陛f 霎薹星差 。二，响应特性l 亡墓芝性e 蓁耋孽孳冀期 i广腊陛 燃：| | l 动态响腊陛lf 需蒿 l 一阶跃响应特性 卜 过冲量( 超调量 f 募盒嚣 l 阻尼比数衰 卜固有频率 e 粪茬蔫附什、蛆州 f - ( 四) 可靠性和易行性r _ r _ l 标定和测试的方便性 失灵的保险和识别( 或报警) 能力 寿命 时间稳定性 光纤诖布里一珀罗腔液位传感器研究 。五，供应方面的特性e e 供应的及时性及充足性 使_ = j 时所需的改装或改进 出厂标定数据是否适用 价格 可供借鉴的使用经验 ( 六) 其他：如绝缘电阻、横向灵敏度等一些特定的要求 2 1 传感器的静态特性 ( 1 ) 量程。传感器预期要测量的被测量的量值范围。一般用传感器允许测 量的上下极限值来表示。上极限值又称为满量程值( f u l ls c a l e f s ) 。 ( 2 ) 过载。传感器允许承受的最大输入量( 被测量) 。在这个输入量作用下 传感器的各项性能指标应保证不超出其规定的公差范围。通常用一个容许的最大 值或者用满量程值的百分数来表示。 ( 3 ) 精度、精密度、准确度 l 、精度( 或精确度) ，表示测量结果与被测的“真值”的靠近程度。精度一 般是在校验或标定的过程中来确定的，此时“真值”则靠其他更精确的仪器或工 作基准来给出。而这些作为标准或基准的仪器必须能定期直接或间接地与国家 ( 或国际) 的绝对基准量( 如长度、质量、时间等) 进行对比。精度一般用“极 限误差”来表示，或者用极限误差与满量程之比按百分数给出。 2 、精密度。这是精度的一个组成部分，反映测量的随机误差大小。一般用 标准偏差。或者用或然误差( 0 6 7 4o ) 来表示。 盯= l i m 艺( 爿，一) 2 、蔓i ( 2 11 ) 其中u 是被测的“真值”，z ( i = l ，2 ，3 ，) 是对u 进行多次测量所得的 值，l - i 是测量次数。显然，标准误差实际上是不可能得到的。一般采用贝塞尔 公式计算标准误差的估计值，即 其中j 是x ( i = l ，2 ，3 ，) 的算术平均值。 ( 2l2 ) 2 描述传感器性能的指标 精密度的表示方法可用或然误差( o 6 7 4 5o ) 、标准偏差o ，以及2o 、 3o 或极限误差i 、x 。一五。) 来表示。有的用上述某个误差的绝对值表示； 也有用上述某个误差与被测值的平均数( 贾) 之比的相对误差或与满量程值之 比的相对误差来表示。 3 、准确度。反映系统误差的大小。一般给出其修正公式而不作为性能指标。 ( 4 ) 重复性。反映传感器在不变的工作状态下，重复地给予某个相同的输入 值时，其输出值的一致性，其意义与精密度相似。传感器的重复性在标定过程中 来确定，一般是在传感器全量程内连续进行多次重复标定，根据所得的各特性曲 线来确定重复程度。重复性的好坏还与许多随机因素有关。 为衡量重复性指标，一般可用极限误差来表示，即用校准数据与相应行程输 出平均值之间的最大偏差值对满量程输出的百分比表示重复性误差。这时，要先 求出正行程多次测量的各个测试点输出值之间的最大偏差，以及反行程多次测量 的各个测试点输出值之间的最大偏差，再取这两个最大偏差中较大者为从 而根据。与满量程输出u 。的百分比计算出重复性r 为 a r = 鱼10 0 ( 2i - 3 ) “fs 因为重复性误差是根据随机误差来描述校准数据离散程度的，按上述方法就 不太合理。由于校准的循环次数不同，其最大偏差值也就不一样，因此这样算出 的数据不够可靠。 根据标准误差来计算重复性指标，这是比较合理的方法，它综合考虑了一切 标定点的输出数据。一般假设传感器在不同输入值时精度是相等的，并用下式计 算重复性r ，即 ! 型盍茎二i ：三! 川h ， 甜fs 其中k 为系数，有的取2 ，有的取3 。o 。o ，分别是第i 个标定点正行程输出 和反行程输出的标准偏差。 ( 5 ) 线性度非线性。表示传感器的输出与输入之间的关系曲线与选定的工作 曲线的靠近程度( 或偏离) 。传感器的线性通常是在标定以后确定的。在标定过 光纤法布里珀罗腔波位传感器研究 程中，我们由小到大再由大到小给予传感器各种输入值，同时记录传感器的输出 值，这样就得到一系列的以输入值为自变量，以输出值为因变量的数据点。它们 反映了输入与输出的函数关系，成为实际工作曲线。然后用某一种方法作一条拟 合直线去逼近这些数据点。这条拟合直线就是工作直线，测量时就是根据传感器 的输出值按这条工作直线来确定其输入值( 被测量) 的。传感器的线性就是用工 作直线与实际工作曲线之间最大的偏差与满量程输出之比来表示。由于工作直线 的作法不同，线性度的数值也就有所不同。工作直线常用最小二乘法作出： 找一条直线使各实际标定点与该直线的垂直偏差( 即输出量的偏差) 的平方 和最小，这条直线就叫做最小二乘直线。即满足下列条件的直线： m i n ( ”一多( 一) ) 2 ( 2 十5 ) i = l 、 。 由此可以推得满足上述条件的直线y = a + h 。其系数a 、b 应满足： a= f d y , 惟# 一f 窆葺惟一州 i = lr = l- ；ik 1 b = 疗x ； _ 1( 纠 玎芝z ，y 。一f 芝x ： f 芝y 。 x ? 一f 芝工，3 2 ，= 17 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 6 ) 迟滞( 或回滞) 。迟滞反映传感器在输入值增长的过程中( 正行程) 和减 少的过程中( 反行程) ，同一输入量时输出值的差别。 ( 7 ) 灵敏度。这是传感器的输出增量与输入( 被测量) 增量之比。通常用工 作直线的斜率b 来表示。对于具有明显非线性的传感器利用d y d x 表示某一工作 点附近的灵敏度，或者用某一较小的( 输入量) 区间内的拟合直线的斜率表示。 其表示方式一般为： 输出量因次 输入量因次 。若传感器是有源的，则 应说明是在多大的电源电压( 或电流) 值下的灵敏度。 ( 8 ) 分辨率。有些传感器( 如电位计式传感器) 当输入量连续变化时，输出 量却作阶梯变化，则分辨率就表示输出量的每个“阶梯”所代表的输入量的大小， 或者是这个输入量的值与满量程输入之比。一般用平均分辨率或最大分辨率的概 2 描述传感器性能的指标 念。平均分辨率指的是当输入量在全量程内变化时，输出的总的阶梯个数的倒数， 然后乘上1 0 0 表示为满量程输出的百分数。最大分辨率指在全量程内最大的一 个输出阶梯的大小所对应的输入量增量与满量程值之比，用百分数表示。 有的输出作连续变化的传感器也给出分辨率。其含义一般是指在输入量达到 满量程附近时，传感器能探测的最小的输入增量，或者用这个增量与满量程值之 比以百分数给出。这种分辨率的值主要与工作环境的条件优劣，激励电源( 对有 源传感器而言) 的质量，以及二次仪表的分辨率等都有密切的关系。因此在实验 室标定的条件下给出的分辨率，在实际使用时往往是达不到的。 ( 9 ) 阈值。在传感器最小量程( 通常是零输入) 附近的分辨率称为阈值。有 的传感器在零输入附近有严重的非线性，形成所谓“死区”，则把死区的大小作 为闽值。更多情况下阈值主要取决于传感器的噪声大小，因而有的传感器只给噪 声电平。 ( 1 0 ) 稳定性。表示传感器在一个较长时间内保持其性能参数的能力。一般以 室温条件下经过一个规定的时间后，传感器的输出与起始标定时的输出的差异程 度来表示其稳定性。表示的方式如：个月不超过_ 满量程输出。有时也 采用给出标定的有效期来表示其稳定性。 ( 1 1 ) 零漂。表示在零输入的状态下，输出值的漂移。一般有下面两种漂移。 l 、时间零漂。时间零漂一般是指在规定的时间内，在室温不变的条件下零 输出的变化，对于有源传感器，则指在标准的电源下，零输出的变化情况。 2 、温度漂移( 温漂) 。绝大部分传