光纖液位傳感技術研究進展與趨勢*

侯鈺龍， 劉文怡， 張會新， 蘇　珊， 劉　佳， 趙利輝

(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 山西 太原 030051; 2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室， 山西 太原 030051; 3.北京航空航天大學 慣性技術重點實驗室， 北京 100191; 4.北京航空航天大學 精密光機電一體化教育部重點實驗室，北京 100191)

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綜述與評論

光纖液位傳感技術研究進展與趨勢*

侯鈺龍1,2， 劉文怡1,2， 張會新3,4， 蘇珊1,2， 劉佳1,2， 趙利輝1,2

(1.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 山西 太原 030051; 2.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室， 山西 太原 030051; 3.北京航空航天大學 慣性技術重點實驗室， 北京 100191; 4.北京航空航天大學 精密光機電一體化教育部重點實驗室，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和優(yōu)勢，梳理光纖液位傳感技術發(fā)展脈絡，簡單介紹其分類。針對靜態(tài)與動態(tài)應用場景下的光纖液位測量技術展開分析，列舉了國內(nèi)外有代表性的最新研究成果，并對未來發(fā)展趨勢進行展望。

關鍵詞：光纖傳感器； 液位檢測； 動態(tài)測試

0引言

液位傳感技術主要用于液體原料或制品的存儲和運輸過程中的液位監(jiān)測[1]，以及用于飛機燃油系統(tǒng)的液位測量等，在石油、化工、航天等領域內(nèi)具有十分廣泛的應用需求。但同時液位傳感器的使用環(huán)境異常復雜，經(jīng)常需要在強電磁干擾、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，光纖液位傳感器設計最為靈活，種類多且各具特點，能夠滿足復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，吸引了該領域研究者更多的關注。

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

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)，傳感實際上是通過外加的調(diào)制裝置來實現(xiàn)，如3EFL—Ⅰ系列光纖液位變送器[5]。這一類傳感器設計主要出現(xiàn)于本世紀初期，常常需要浮筒，光碼變送器及復雜的機械運動機構，雖然該類傳感器可實現(xiàn)較大測量范圍，但精度不高，實時性較差，系統(tǒng)復雜且體積龐大[6]。本征型是指利用光纖自身作為液位傳感器，主要包括壓強敏感型、受抑全內(nèi)反射型、光時域反射(OTDR)型、長周期光纖光柵型等。

本文主要針對靜態(tài)與動態(tài)液位測量技術分別展開介紹。

2光纖液位靜態(tài)測量技術

目前，光纖液位傳感器中最為成功的是壓強敏感型光纖液位傳感器。其利用應變片來感受來自液體的靜壓強，并通過光纖來測量作用在應變片上的壓強值，從而得到液位值。根據(jù)應變片形變感應方式的不同可將壓強敏感式光纖液位傳感器分為光強反射式[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現(xiàn)大動態(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、光刻工藝與精密加工技術的發(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Wang Wenhua等人報道了大動態(tài)范圍DEFPI(diaphragm-based extrinsic Fabry-Perot interfe-rometric)液位傳感器，傳感器結構如圖1[13]所示。該傳感器是通過CO2激光器加熱熔接技術制作的全熔融石英(all fused-silica)結構的非本征型Fabry-Perot光纖干涉儀，可以實現(xiàn)5 m動態(tài)范圍內(nèi)的高精度液位測量，測量分辨率達到了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的動態(tài)范圍，且兼顧了測量的精確性。

圖1　DEFPI液位傳感器結構示意圖Fig 1　Configuration of a DEFPI liquid level sensor

通常，溫度交叉敏感是Fabry-Perot類傳感器的關鍵性技術難題。該小組發(fā)現(xiàn)在制作過程中對Fabry-Perot腔進行密封處理，會導致在腔體內(nèi)捕獲空氣，這些空氣會隨環(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，從而導致傳感器具有很強的溫度依賴性。為解決這個問題，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)設備，高昂的系統(tǒng)成本阻礙了該類型傳感器的應用推廣。同樣在2014年，Dipankar Sengupta等人利用FBG實現(xiàn)1 m范圍內(nèi)的液位測量，傳感器的敏感度達到1.8 pm/cm。如圖2[14]所示,該傳感器利用硅膠封裝FBG，在感受液位壓強的同時可以隔離外界環(huán)境溫度的影響。

圖2　FBG液體靜壓傳感探頭結構示意圖Fig 2　Configuration of FBG hydrostatic pressure sensing probe

為了突破信號檢測成本給實際應用帶來的限制，該小組利用SMS邊界濾波器將布拉格波長頻移轉(zhuǎn)換為相應的光強度變化，從而實現(xiàn)低成本的實時現(xiàn)場測量?？梢钥吹?，隨著各種新技術手段的涌現(xiàn)，以往困擾光纖傳感器應用的諸多困難，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數(shù)則達到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，由于運動過程中將產(chǎn)生的加速度和額外壓強導致此類傳感器并不適用于液體裝卸、運輸，特別是飛行器上升、下降運動過程中的燃油液位的動態(tài)實時測量。飛機燃油液位測量中，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)復雜、帶電測量存在安全隱患、易受電磁干擾等顯著缺點，而這些缺點也恰恰是光纖類傳感器可以彌補的，但是由于飛機燃油液位測量對動態(tài)性能的要求是現(xiàn)有的壓強敏感型光纖液位測量技術仍未突破的原理性難題，因此，傳統(tǒng)電容式液位測量技術仍然難以被取代。

3光纖液位動態(tài)測量技術

光纖動態(tài)液位傳感一直是光纖傳感領域內(nèi)未被攻克的技術難題。1995年，由意大利Cassino大學工業(yè)工程學院的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，實現(xiàn)了1 m范圍內(nèi)的連續(xù)液位動態(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行精確控制，增加了制造的難度，并且由于原有包層結構遭到破壞，使得該傳感器的魯棒性變差。2013年,美國北達科他州立大學和密蘇里大學的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，實現(xiàn)了液位分辨率誤差小于1 mm。該傳感器雖然實現(xiàn)了連續(xù)液位測量和較高的精度，但量程只有3 cm，仍無法滿足實際應用需求。2013年，華中科技大學的趙呈銳等人[17]，針對飛機燃油液位測量，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，光纖的輻射損耗隨浸入液位的增高而變大。利用該原理，該小組實現(xiàn)了1 m范圍內(nèi)的液位動態(tài)實時測量，但由于輸出的非線性，導致測量誤差超過1.77 %，仍然無法滿足飛機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道。

4結束語

綜上所述，光纖液位傳感技術在測量精度、量程等參數(shù)方面已滿足市場化需求，在環(huán)境適應性等方面較傳統(tǒng)技術體現(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)設備價格仍舊昂貴。但可以預見，隨著SMS邊界濾波器的應用推廣，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)實現(xiàn)了十分優(yōu)越的性能，但不可否認的是在動態(tài)液位測量方面，光纖傳感技術尚難以取代傳統(tǒng)測量手段?？梢源_信，隨著新的光纖傳感原理、技術和設計的不斷涌現(xiàn)，最終光纖傳感器一定能夠在飛機燃油等動態(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

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)01—0001—03

*基金項目：國家自然科學基金資助項目(51275491，61275166)

收稿日期：2015—02—11

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