強(qiáng)度調(diào)制型光纖液位傳感器的設(shè)計(jì)及特性研究?

于春和 邵 爽

（沈陽航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院 沈陽 110136）

1 引言

光纖具有良好的傳光特性，不需要其他的中間介質(zhì)轉(zhuǎn)接就可以將待測物理量與其特性直接聯(lián)系起來［1～2］，且具有抗輻射和抗電磁干擾能力強(qiáng)，絕緣、柔韌性好、耐腐蝕等特點(diǎn)［3～5］，因此集光纖傳感與信號獲取于一體制作的傳感器相對于其他材料制作的傳感器更具有性能穩(wěn)定、可靠性高、應(yīng)用范圍廣、能在惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點(diǎn)［6～7］，在軍事領(lǐng)域具有重要意義，并且在民用市場可發(fā)揮更大潛力，具有極強(qiáng)的社會和經(jīng)濟(jì)效益［8～9］。

本文針對液體高度測量，研制了基于強(qiáng)度調(diào)制型透射式光纖液位傳感器。該傳感器制作原理及對信號的調(diào)制與解調(diào)都相對簡單［10］、所需材料價格較低并且此光纖傳感系統(tǒng)易于搭建［11～12］。文中主要介紹了該傳感器的工作原理、傳感元件工藝制作、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新、理論模型分析及系統(tǒng)搭建過程，分別測試了不同規(guī)格的薄膜直徑、厚度及光纖間距對制作的傳感器靈敏度的影響并對實(shí)際結(jié)果進(jìn)行了分析。

2 光纖液位傳感器的基本原理分析

目前的光纖傳感器在制作時主要利用光纖的微彎損耗和宏彎損耗原理［11，13］，而光纖的損耗不僅包括光纖材料和光纖制造引起的光纖傳輸損耗［14］，還來源于光纖之間因耦合而產(chǎn)生的損耗［15～16］。

本文研制的基于強(qiáng)度調(diào)制型透射式光纖液位傳感器則是利用了光纖之間的耦合損耗原理來反映液體液位的［11］。圖1所示為光纖傳感器的系統(tǒng)構(gòu)成，其中虛線框內(nèi)為傳感器感應(yīng)外界信號變化的傳感元件，它是以徑向位移光纖壓力傳感器為基礎(chǔ)［17］，由一彈性薄片和兩段光纖組成［11］，將兩根光纖保持軸心相對粘接到彈性膜片上［18］。彈性膜片作為轉(zhuǎn)換器件，將液位高低變化經(jīng)膜片形變大小直接調(diào)制為透射光強(qiáng)大小［8］，也即影響到在膜片上的兩根光纖之間的傳輸光強(qiáng)，導(dǎo)致了耦合損耗的產(chǎn)生，與接收光纖相連的光探測器可以顯示此時與液體壓力有關(guān)的光強(qiáng)信息［19］，利用對光強(qiáng)變化分析和計(jì)算可以得到外界待測的液體高度。

3 透射式光纖液位傳感器傳感元件的制備工藝

3.1 傳感元件材料的選擇

彈性膜片的材料，形變量及傳導(dǎo)光纖決定了制作的光纖液位傳感器的性能。王曉萌［11］在液位傳感器的設(shè)計(jì)中采用塑料薄膜作為感應(yīng)外界液體高度變化的彈性膜片，使用塑料粗光纖作為光的傳輸載體并用熱熔膠將其粘接固定在塑料彈性薄膜上。而本文對傳感器傳感元件的制作進(jìn)行了改進(jìn)，使用了304不銹鋼作為彈性薄膜，相對于用塑料作為彈性膜片，不銹鋼材料的薄膜則更具有高重復(fù)性和高彈性且不老化，使用率更高。在傳導(dǎo)光纖的使用上選擇了單模光纖，其優(yōu)點(diǎn)在于模間散色小，可以最大程度地減少光通量在傳輸過程中的損耗從而保證了光纖間耦合損耗的質(zhì)量。

3.2 傳感元件的制備工藝

傳感器制作的核心為感受外界液體高度變化的傳感部分，為了保證傳感元件中兩段光纖能夠始終保持軸心相對的固定在不銹鋼薄片上，設(shè)計(jì)中使用了塑封機(jī)。將直徑為0.1mm的細(xì)鋼絲筆直地放入塑封膜中，通過塑封機(jī)后，將鋼絲拔出，即可得到能夠使兩段光纖保持軸心相對固定放置的塑料膜片，如圖2中所示。在不銹鋼薄膜與塑料膜片連接處則采用了特種金屬焊接膠粘接，此膠相對于熱熔膠和其它膠體來說，優(yōu)勢在于用量更少，從而減小了膠體與不銹鋼薄片的接觸面積，且凝固后膠體更軟，對不銹鋼薄膜受外界壓力導(dǎo)致變形時的影響會更小，增加了傳感器的制作精度。將此膠少量均勻地涂抹在制備好的長度適中的塑料膜片兩端后，快速粘接在不銹鋼薄膜中心的軸線位置處，放于通風(fēng)口，待膠體干燥。為了提高光在光纖中的傳輸質(zhì)量，制作中使用光纖切割機(jī)切割光纖，保證了兩根傳導(dǎo)光纖端面的整齊，減少了光的額外損耗。將切割后的兩段光纖分別插入到粘接在不銹鋼薄膜上的塑料膜片中，即完成了傳感器中傳感元件部分的制作，圖3為按上述方法制作的傳感元件實(shí)物圖。

圖2 可保持兩光纖軸心相對的塑料膜片

圖3 透射式光纖液位傳感器傳感元件實(shí)物圖

3.3 傳感元件的性能檢測方法

在傳感器性能檢測方面，張超［15］使用了發(fā)光二極管及光電池來對液位傳感器性能進(jìn)行驗(yàn)證。而發(fā)光二極管光源不穩(wěn)定，且光電池極易受外界光影響，導(dǎo)致產(chǎn)生的信號難以確定，因此會對傳感器性能分析產(chǎn)生一定影響。本文中為更好地分析傳感器性能，使用了圖4所示的穩(wěn)定光源和光功率計(jì)。相比之下，穩(wěn)定光源發(fā)出的光不僅穩(wěn)定且可以和光功率計(jì)設(shè)定特定波長，同時光功率計(jì)所接收的光強(qiáng)也不因有外界光存在而受影響，兩者配合使用，能夠很好地避免外界光帶來的干擾，提高了測量精度。通過光功率計(jì)中的示數(shù)，可得到光強(qiáng)與液體液位的關(guān)系，從而對制作的傳感器性能進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

圖4 光功率計(jì)（左）穩(wěn)定光源（右）

4 光纖液位傳感器的理論模型分析

不銹鋼薄膜的形變量對光纖之間傳輸?shù)墓鈴?qiáng)起決定性作用。當(dāng)薄膜未受力變形也即兩光纖間的夾角β=0時，接收光纖中的光強(qiáng)為最大值。隨著液位上升，薄膜形變量逐漸增大，引起兩光纖間的夾角角度增加，傳輸?shù)浇邮展饫w中的光強(qiáng)隨之減小。假定入射光纖中光強(qiáng)為Ri，接收光纖中光強(qiáng)為 R0，則有 R0=Ricosβ［11］。

4.1 不銹鋼薄膜的受力分析

彈性薄膜受到壓力后形變量較小，因此可以選用小撓度的彈性圓片對不銹鋼薄膜進(jìn)行受力分析。根據(jù)最小撓度方程可知，彈性圓片的中心形變量 h 為［20］

式中P為均勻分布在彈性圓片上的壓力；W為彈性圓片的厚度；L為彈性圓片半徑；u是彈性圓片材料的泊松比；E是彈性圓片材料的彈性模量。

式（1）中可以看出，當(dāng)選用的彈性薄膜規(guī)格一定時，其中心形變量h與受到的壓力P也即液體對薄膜產(chǎn)生的壓力成線性關(guān)系。

4.2 不銹鋼薄膜的建模仿真

同樣由于彈性薄膜受壓后形變量較小，所以也可將彈性圓片看成球的一部分，利用對球形的分析來對不銹鋼薄膜進(jìn)行建模仿真［11］，如圖5所示。

圖5 不銹鋼薄膜建模模型

圖5 中R為球形半徑，L為未變形的不銹鋼薄膜半徑，h為薄膜受力后的中心形變量，d為入射光纖與接收光纖之間的弧長也看成是不銹鋼薄膜未變形時兩段光纖之間的距離，β為薄膜受力變形后兩光纖之間的夾角。

根據(jù)圖5可得：

由于不銹鋼薄膜的規(guī)格及發(fā)射光纖與接收光纖之間的距離d已知，因此可用Matlab進(jìn)行仿真得到不銹鋼薄膜中心形變量h與兩光纖之間角度β及余弦角度值cosβ的理論關(guān)系曲線，如圖6所示。

圖6 不銹鋼薄膜中心形變量與兩光纖之間角度及其余弦值的理論關(guān)系曲線

由圖6及式（1）可知，隨著不銹鋼薄膜形變量h的增大，兩光纖之間的夾角β隨之增加，cosβ逐漸減小。由于壓力P與形變量h具有線性關(guān)系，因此壓力P與夾角β，cosβ的關(guān)系也同樣符合圖6所示的關(guān)系曲線特征。由R0=Ricosβ可以驗(yàn)證接收光纖中的光強(qiáng)R0會隨著液體液位的升高而逐漸減少且兩者呈現(xiàn)出余弦曲線的關(guān)系。

5 透射式光纖液位傳感器的性能分析

光纖液位傳感器靈敏度的高低取決于傳感元件中不銹鋼薄膜的直徑、厚度以及入射光纖與接收光纖之間的距離。為了制作出高性能的傳感器，設(shè)計(jì)中分別在不銹鋼薄片直徑D為1.8mm、2.5mm及5.8mm；厚度 H 為0.01mm、0.02mm及0.05mm；發(fā)射光纖及接收光纖之間的距離d為5mm、1cm及1.5cm的規(guī)格下對傳感器進(jìn)行了靈敏度實(shí)驗(yàn)測試。

5.1 實(shí)驗(yàn)測試裝置的搭建

圖7所示為傳感器靈敏度實(shí)驗(yàn)測試裝置，其搭建過程為：首先用砂紙將無底部的容器邊緣打磨光滑，其次用特種金屬焊接膠將與容器直徑大小相同的不銹鋼薄膜與打磨光滑的容器邊緣進(jìn)行無縫緊密粘接［11，21］，同樣也將此膠少量均勻地涂抹在上述已制備好的塑料膜片兩端，快速粘接在不銹鋼薄膜中軸線上，待膠體干燥后，向塑料膜片中分別插入入射光纖及接收光纖。為了得到實(shí)驗(yàn)過程中的液體高度，容器上面外接一個帶有長達(dá)1m刻度的玻璃管［11］，用上述膠體將容器與玻璃管接口處粘接牢固，防止液體溢出。此時，液體的壓強(qiáng)只與液體高度有關(guān)。在確定好不銹鋼薄膜直徑、厚度以及兩光纖間距后，打開穩(wěn)定光源及光功率計(jì)，將兩者的波長設(shè)定為1310nm。最后向玻璃管中逐次加入5cm的液體，直至測量到100cm，記錄每一次液體高度變化后的光功率計(jì)示數(shù)。用Matlab對記錄的數(shù)據(jù)做歸一化處理并進(jìn)行仿真，分別獲得了不同規(guī)格下不銹鋼薄膜直徑、厚度及兩光纖間距與光纖液位傳感器靈敏度的關(guān)系。

圖7 實(shí)驗(yàn)測試裝置

5.2 測試結(jié)果及分析

圖8 中使用的不銹鋼薄膜厚度H為0.05mm，發(fā)射光纖與接收光纖之間的距離d為1cm，分別對直徑D為1.8cm、2.5cm及5.8cm的不銹鋼薄片與傳感器靈敏度的關(guān)系進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。

圖8表明隨著不銹鋼薄膜直徑的增加，光功率計(jì)中的光強(qiáng)衰減逐漸緩慢。雖然在直徑D=5.8cm時的中期狀態(tài)下光強(qiáng)變化較快，但可以看出液位逐漸增高，光強(qiáng)衰減速度較前兩種情況更加緩慢。綜合分析來看，說明光纖液位傳感器的靈敏度與薄膜直徑具有反比關(guān)系，薄膜直徑越大，傳感器的靈敏度越低。

圖9中，選用不銹鋼薄膜直徑D為2.5cm，兩光纖間距d為1cm，分析厚度H為0.01mm、0.02mm及0.05mm的薄膜對傳感器靈敏度的影響。在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)厚度為0.01mm的不銹鋼薄片由于厚度過薄導(dǎo)致材料本身極易產(chǎn)生變形、彎曲等不良情況，會對實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成極大誤差，因此不予考慮。

圖8 不銹鋼薄膜直徑對傳感器靈敏度的影響

圖9 不銹鋼薄膜厚度對傳感器靈敏度的影響

圖9 中可以看出，不銹鋼薄膜厚度為0.02mm時的曲線比薄膜厚度為0.05mm時的曲線斜率更陡峭，表明不銹鋼薄膜厚度為0.02mm時的傳感器靈敏度更高。由此可知，本文制備的傳感器靈敏度隨著不銹鋼薄膜厚度的減小而逐漸提高。

圖10為發(fā)射光纖與接收光纖之間的距離d與光纖液位傳感器靈敏度的關(guān)系曲線。圖中兩光纖間距d分別為5mm、1cm及1.5cm，選用的不銹鋼薄膜直徑D為2.5cm，厚度H為0.02mm。

圖10 兩光纖間距對傳感器靈敏度的影響

如圖10所示，兩光纖間距越遠(yuǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線就越陡峭，也即液位傳感器的靈敏度越高，但隨著光纖間距d的增加，光功率計(jì)所接收的光信號變化較快，這并不利于實(shí)際當(dāng)中的應(yīng)用。

根據(jù)以上幾組測試結(jié)果可以看出，玻璃管中的液體高度與所對應(yīng)的光強(qiáng)量具有良好的單值關(guān)系，說明制作的透射式光纖液位傳感器具有可行性，同時在傳感器使用材料的規(guī)格選擇上，不僅要考慮對制作的傳感器靈敏度的影響，同時也要兼顧光功率計(jì)中光強(qiáng)變化的快慢。

6 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的強(qiáng)度調(diào)制型透射式光纖液位傳感器對其傳感元件的制作材料及工藝進(jìn)行了改進(jìn)。文中完整地介紹了該液位傳感器的制作原理和過程并對構(gòu)建的傳感器模型進(jìn)行了理論分析，實(shí)際系統(tǒng)搭建驗(yàn)證。為了使制作的液位傳感器性能達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，分別對不同規(guī)格的不銹鋼薄膜直徑、厚度以及兩光纖間距對傳感器靈敏度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。針對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的曲線特征及分析可以得到改進(jìn)后的液位傳感器在測量液體高度時所呈現(xiàn)出的性能符合光纖光強(qiáng)與壓力的理論特性曲線特征。通過綜合考慮得到制作透射式光纖液位傳感器可選用的不銹鋼薄膜直徑為2.5cm左右，厚度可選擇0.02mm，發(fā)射光纖與接收光纖之間的距離可設(shè)定為1cm左右，此時光纖液位傳感器具有良好的線性度和較高的靈敏度，驗(yàn)證了該傳感器的可行性與可靠性。