光纖Bragg光柵可變靈敏度液位傳感器設計*

李　凱, 蔡　陳, 趙振剛, 梁仕斌, 李　川

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500;2.云南電網有限責任公司 電力科學研究院 研究生工作站,云南 昆明650217;3.云南電力試驗研究院(集團)有限公司,云南 昆明 650217)

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光纖Bragg光柵可變靈敏度液位傳感器設計*

李凱1,2, 蔡陳1, 趙振剛1, 梁仕斌3, 李川1

(1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院,云南 昆明 650500;2.云南電網有限責任公司 電力科學研究院 研究生工作站,云南 昆明650217;3.云南電力試驗研究院(集團)有限公司,云南 昆明 650217)

摘要:為了實現對液位的多靈敏度狀態下監測，設計了一種利用光纖Bragg光柵(FBG)的可變靈敏度液位傳感探頭。將薄膜片上的液體壓力通過傳壓桿傳送給懸臂梁，將FBG粘貼于懸臂梁上表面，利用靈敏度變換閥改變懸臂梁長度而改變傳感器的靈敏度。對懸臂梁進行有限元仿真優化計算，得到懸臂梁的變形特性。懸臂梁長度分別調節為100,90,80 mm狀態下，最大變形出現在懸臂梁尖端，分別為4.266,3.457，2.736 mm，裸光柵粘貼處，對應的靈敏度分別為2.0,1.5,1.0 mm/m，實現靈敏度變換。

關鍵詞:液位; 傳感器; 有限元; 光纖Bragg光柵; 可變靈敏度

0引言

工業中如儲油罐等，對于液位的測定十分普遍，而由于工業環境較為復雜，所以，利用光纖Bragg光柵(FBG)進行液位測定，不僅能夠抵抗外界的電磁和噪聲干擾，還可以有效避免帶電測定帶來的安全問題，因此，工業中可以利用FBG對液位進行有效測定。殷小峰等人對彈性膜片進行封裝，研制出了一種壓力增敏FBG傳感器，并對其進行了測試，得到傳感器的參數特性[1]。王宏亮等人在設計了一種波紋管式FBG液位傳感探頭的基礎上，進一步利用溫度補償光柵補償溫度造成的影響，并對傳感探頭性能進行了測試，此外,其設計的E膜片與懸臂梁相互組合的一種FBG液位傳感器，建立了FBG中心波長隨液面發生變化的參考數學模型，并通過分析得出，通過調整懸臂梁等相關參數可以實現對靈敏度和量程的調整[2,3]。楊淑連等人設計了一種新型的雙FBG液位傳感器，可以有效抵抗交叉敏感的問題。此外，他們在傳感器的基礎之上通過對反射譜帶寬的分析得到液位的高度，并驗證了反射譜與貸款之間具有較好的線性關系[4,5]。張玉、童崢嶸等人也對光纖液位傳感器探頭的光學特性進行了分離。論述了光纖傳感探頭和光源對傳感器性能的影響，并分析了相應的光學和抗腐蝕特性[6,7]。

本文針對傳感器大量程與高靈敏度之間的矛盾，基于一種薄膜片與懸臂梁相連測試液位的FBG液位傳感器探頭結構，增加靈敏度變換閥，通過改變懸臂梁長度而改變傳感器探頭的靈敏度與量程，并利用ANSYS對懸臂梁仿真對其有效性加以驗證。

1傳感器工作原理

對于液位的測試，設計了一種基于懸臂梁的可變靈敏度的FBG液位傳感器，其具體結構如圖1所示。

將傳感器探頭放入液體之中，而液體對傳感器探頭上表面的薄膜片產生壓力，薄膜片能夠敏感地將壓力通過傳壓桿傳送給懸臂梁頂端，懸臂梁發生形變。由于將FBG粘貼于懸臂梁表面，所以，懸臂梁發生形變后會造成FBG的柵距發生變化，從而使Bragg中心波長發生變化，根據Bragg中心波長的變化量來計算液體的深度，從而實現對液位的測定[8],工作原理如圖1所示。

圖1　FBG可變靈敏度液位傳感器原理圖Fig 1　Principle diagram of FBG variable sensitivity liquid level sensor

在傳感器的使用過程中，當深度較淺時，需要較高的靈敏度對液位進行測試，而這時傳感器中的懸臂梁長度較短，可以提高其靈敏度。當傳感器需要對較深液位進行測試時，可以降低靈敏度以獲得較大的量程，而這時需要懸臂梁較長。通過改變靈敏度變換閥，隨著懸臂梁下方鐵塊在軌道上的位置變化，可以改變懸臂梁的長度，從而改變傳感器的靈敏度和量程，實現對于不同深度的液位的高靈敏度測定。

2傳感器仿真優化設計

由于FBG液位傳感器主要將液體對傳感器探頭頂部薄膜片的壓力通過傳壓桿傳給懸臂梁，然后通過懸臂梁帶動裸光柵，再通過光柵的波長移位來反映液體壓力的不同，從而反映液位的深度。而可變靈敏度的實現正是通過靈敏度變換閥來改變懸臂梁的長度來實現改變整個傳感器的靈敏度的，所以，對懸臂梁進行有限元仿真分析。

懸臂梁材料Q235碳素鋼，Q235基本材料特性如下：彈性模量：E=206 GPa=206×109 Pa=2.06×1011N/m2，泊松比μ=0.25，屈服極限σs= 235 MPa，安全因數ns=1.5 ，密度ρ=7.8×103kg/m3。所設計的懸臂梁尺寸如圖2所示，懸臂梁厚2 mm，寬20 mm，初始長度100 mm。

圖2　懸臂梁的尺寸Fig 2　Size of cantilever

根據液體壓強公式：p=ρgh，壓力公式F=pA的特點，由于頂部表面積A為0.1 m2，液體密度ρ為1 000 kg/m3，液面h為1 m，g=10 m/s2，經過計算，壓力F為100 N，通過傳壓桿在懸臂梁尖端施加y(垂直向下)方向100 N的力，對原始長度100 mm的懸臂梁進行仿真，仿真結果如圖3所示。

圖3　懸臂梁的仿真變形Fig 3　Simulation deformation of cantilever

通過仿真可以發現，越接近懸臂梁尖端的方向，發生變形越大。首先，由于傳壓桿的力作用在懸臂梁尖端，而另一端被約束，所以懸臂梁尖端作為自由端，在力的作用下，必然發生更大的變形。其次，由于尖端形狀細尖的特點，也會造成其在力的作用下變形較大。

在x方向上，通過靈敏度變換閥進行調節，懸臂梁長度分別為100,90,80 mm。假設液面為高度為1 m，在懸臂梁尖端施加y(垂直向下)方向100 N的力，選取圖2中的虛線作(懸臂梁中軸)為坐標橫軸，如圖4(a)，(b)，(c)所示，分別畫出懸臂梁長度分別調節為100,90,80 mm時的懸臂梁中軸上的路徑的變形圖。懸臂梁分別為100,90,80 mm長度且液面深度為1 m的情況下，最大變形量均出現在懸臂梁尖端，分別為4.266，3.457，2.736 mm。

圖4　不同長度懸臂梁表面中線變形圖Fig 4　Midline deformation in surface of 100,90,80 mm cantilever

將FBG粘貼于距尖端30 mm處，對于長度分別為100,90,80 mm的懸臂梁，在1 m的液位下，此處對應變形分別為2.07,1.55,1.01 mm。利用有限元分析軟件，分別模擬不同長度的懸臂梁在不同的液位深度下所受到的力及相應的變形情況，見表1，并繪制懸臂梁在不同長度下的液位—變形量圖，見圖5。從圖中可以發現，在每個懸臂梁長度下，傳感器都具有很好的線性度，當懸臂梁分別為100,90,80 mm長度下，靈敏度分別為2.0,1.5,1.0 mm/m，通過靈敏度變換閥，變換懸臂梁的長度，從而實現了對于傳感器探頭靈敏度的變換。

3結論

針對工業中對于液位測定的復雜環境，避免帶電測定的干擾、材料腐蝕等問題，本文設計了一種FBG可變靈敏度液位傳感器。所設計的FBG可變靈敏度液位傳感器探頭，利用液體對傳感器探頭表面的壓力，通過傳壓桿將壓力傳遞給懸臂梁，懸臂梁發生變形從而帶動光柵柵距變化來對液位進行測定。有限元計算發現：懸臂梁尖端變形較大，分析由于尖端沒有進行約束，在壓力作用下必然出現較大變形。改變懸臂梁的長度，當懸臂梁長度分別達到80,90,100 mm，液位0.5～1.5 m下進行有限元計算，敏度分別為：2.0,1.5,1.0 mm/m，且均具有良好的線性。實現了利用靈敏度變換閥改變懸臂梁長度，進而改變傳感器探頭的靈敏度。

表1　不同長度懸臂梁隨液位深度發生變形情況統計表

圖5　懸臂梁在不同長度下的液位—變形量Fig 5　Liquid level-deformation diagram at different lengths of cantilever

參考文獻:

[1]殷小峰,姜暖,楊華勇,等.基于彈性薄片封裝的高靈敏度光纖光柵壓力傳感器[J].光電子·激光,2011,22(5):681-684.

[2]王宏亮,王琳,賈振安,等.一種實用的光纖光柵液位傳感器[J].光電子·激光,2009,20(10):1275-1277.

[3]王宏亮,鄔華春,馮德全,等.光纖光柵液位傳感器的研究[J].光電子·激光,2009,20(12):1573-1575.

[4]楊淑連,申晉,李田澤.基于雙光纖布喇格光柵的液位傳感器[J].壓電與聲光,2009,31(6):811-813.

[5]楊淑連,盛翠霞,魏芹芹,等.基于啁啾布喇格光柵的液位傳感器[J].強激光與粒子束,2013,25(11):2869-2872.

[6]張玉,孫旋,劉電霆.光纖傳感器在液位檢測中的應用[J].傳感器與微系統,2011,30(6):123-125.

[7]童崢嶸,楊嬌,曹曄.基于腐蝕型多模光纖的干涉型傳感器實現溫度和液位同時測量[J].光電子·激光,2014,25(1):118-122.

[8]李川.光纖傳感器技術[M].北京:科學出版社,2012.

[9]Li Chuan,ZhaoYonggui.Strain and back cavity of tunnel engineering surveyed by FBG strain sensors and geological rad-ar[J].Journal of Intelligent Material Systems and Structure,2009,20(18):2285-2289.

Design of variable sensitivity liquid level sensor for FBG*

LI Kai1,2, CAI Chen1, ZHAO Zhen-gang1, LIANG Shi-bin3, LI Chuan1

(1.Faculty of Information Engineering and Automation,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China;2.Graduate Workstation, Electric Power Research Institute, Yunnan Power Grid Limited Liability Corporation,Kunming 650217,China;3.Yunnan Electric Power Research Institute (Group) Co Ltd,Kunming 650217,China)

Abstract:In order to achieve level of variable sensitivity monitoring is designed using a fiber Bragg grating(FBG) with variable sensitivity level probe.Liquid pressure on film is transmitted to cantilever beam through pressure bar, FBG is pasted on upper surface of cantilever beam,using sensitivity shift valve to change cantilever length,so as to change sensitivity of sensor.Calculated deformation properties of the cantilever beam by finite element simulation and optimization.The length of cantilever beam are adjusted to 100 mm, 90 mm, 80 mm.In all the above-mentioned states,the maximum deformation occurs in the tip of cantilever beam, which are 4.266,3.457,2.736 mm respectively.Corresponding where bare grating pasted, the sensitivitues are 2.0,1.5,1.0 mm/m,to achieve sensitivity transformation.

Key words:liquid level; sensor;finite element; fiber Bragg grating(FBG); variable sensitivity

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)03—0121—03

收稿日期：2015—06—09

*基金項目：云南省應用基礎研究計劃資助項目(2013FZ021)；國家自然科學基金資助項目(KKGD201203004)

中圖分類號:TH 741

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)03—0121—03

作者簡介:

李凱(1990-)，男，遼寧阜新人，碩士研究生，主要從事監測對象的有限元分析與光纖傳感技術研究。

李川，通訊作者，E—mail:xsxzli@126.com。