空芯光纖多模干涉型光纖液位傳感技術研究

李 虎，郭子龍，楊文婷，張軍英

(西安工業大學 光電工程學院，西安 710021)

引 言

液位是很重要的測量參量，在生活中的很多方面都需要進行液位的測量。如對飛機、汽車、輪船的油位測量，可以大大實現油量的節省，對節約能源起到了重大幫助[1]。常見的液位測量方法有機械浮子式液位傳感、電容式液位傳感[2]、液壓式液位傳感、超聲波式液位傳感[3]、磁致伸縮式液位傳感等[4]。傳統的電子、機械類液位測量儀，存在著各自不同的問題，例如易受到外界環境的干擾造成損壞，導致成本提高等一系列問題，因此不適用于一些惡劣環境[5]。

常見的光纖式液位測量方法有功率泄露式、模式干涉型[6]、液面反射型等[7]。普遍使用的方法是模式干涉型，即在外界因素干擾的情況下會改變不同縱向傳播系數的高階模式折射率，使得傳輸光的透射譜波長發生變化，通過傳輸光透射譜的波長漂移與外界液位的關系來解算出外界液位信息[8]。在光纖液位測量的發展歷史中[9]，經過科研人員的不斷努力，光纖液位測量發展迅猛，現已有各式各樣的光纖液位傳感器。例如阿威羅大學的一種基于多模干涉和光纖光柵的液位測量傳感器[10];WANG等人的快軸方向纖芯錯位熔接的液位測量傳感器[11];武漢理工大學的高雙折射環境的光纖液位傳感器[12];重慶理工大學的無芯光纖強度調制型液位傳感器[13];西安石油大學的在線型光纖邁克爾遜干涉儀[14];北京交通大學的高折射率液位傳感器[15];吉林大學的全光纖干涉式水位傳感系統[16]。

本文中所設計的是一種基于空芯光纖多模干涉效應的液位傳感器，該傳感器所使用的結構為單模光纖-空芯光纖-單模光纖。主要通過探究外界液位變化所引起的光源在空芯光纖中多模干涉所產生的干涉譜的變化的關系，然后通過干涉譜的變化來確定液位的變化。

1 光纖液位傳感器的結構與制作

該光纖液位傳感器由兩端兩根單模光纖和中間一根空芯光纖熔接而成，其結構如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of fiber optic liquid level sensor structure

圖1中兩端的單模光纖所使用的是美國康寧公司的單模光纖，型號為G652D，纖芯為9μm，該單模光纖除去涂覆層后的外徑為125μm。傳感器結構中間部分的空芯光纖使用的是Polymicro Technologies公司的TSP005150純石英空芯光纖，內徑為5μm，除去涂覆層后外徑D=125μm，它是一種典型的模式干涉型傳感器，當光源發出的光從單模光纖傳輸到空芯光纖時,會因為單模光纖與空芯光纖的纖芯直徑不同發生模式失配效應,在空芯光纖中激發一系列的高階模式，不同的高階模式相互之間發生模式干涉。

制造傳感器時,首先剝去兩端的兩根單模光纖的端部部分涂覆層，然后使用光纖切割刀切割端面，使得端面切割平整。對空芯光纖的涂覆層使用火焰快速燒過，去除涂覆層后,使用切割刀將空芯光纖端面切割平整，然后通過光纖熔接機將兩根單模光纖切割過的端面分別熔接在空芯光纖的兩端。將一根單模光纖未切割過的一端連接在寬光譜光源上，另一根單模光纖未切割過的一端接在光譜儀上邊。通過光譜移動和液位的線性關系來解算出液位的變化。

2 光纖液位傳感器測量原理

寬光譜光源發出的光在單模光纖與空芯光纖的連接處會因為單模光纖與空芯光纖的纖芯直徑不同而發生模式失配效應，從而產生不同高階模式的傳輸光，這些高階模式依據各自不同縱向傳播常數在傳感器中段的空芯光纖中繼續傳播，并且這些不同縱向傳播常數的高階模式在空芯光纖中會發生模間干涉。根據多模干涉理論可知，透射譜中的自映像峰值波長可以表達為[17]：

(1)

式中,n為空芯光纖的有效折射率，P為自映像系數，DHF為空芯光纖有效模場直徑，L為空芯光纖長度。由表達式可知,自映像峰值波長λ0與空芯光纖的長度L、有效折射率n、有效模場直徑DHF有關。當空芯光纖長度L不變，外界環境溫度、折射率等發生變化時，均會改變空芯光纖的有效折射率n，從而造成自映像峰值波長發生變化[18]。所以當空芯光纖的部分被浸沒在液體中時，峰值波長由露在空氣中的部分和浸沒在液體中的部分決定[19]，其結構如圖2所示。

Fig.2 Optical fiber liquid level sensor structure diagram

表達式為：

(P=0,1,2,…)

(2)

式中，n1為空芯光纖暴露在空氣中的有效折射率，DHF,1為空芯光纖暴露在空氣中的有效模場直徑，L1為空芯光纖暴露在空氣中的長度，n2為空芯光纖浸沒在液體中的有效折射率，DHF,2為空芯光纖浸沒在液體中的有效模場直徑，L2為空芯光纖浸沒在液體中的長度。式中L=L1+L2,所以表達式可以簡化為：

(P=0,1,2,…)

(3)

當液體介質均勻，折射率保持穩定時，即空芯光纖浸沒在液體中的有效折射率n2與空芯光纖浸沒在液體中的有效模場直徑DHF,2保持不變，干涉譜的自映像峰值波長λ0與空芯光纖浸沒在液體中的長度L2成正比關系。

3 實驗搭建與測量分析

為了研究單模光纖-空芯光纖-單模光纖結構的傳感器干涉譜隨著液位變化的移動，設計了如圖3所示的實驗。整個系統由寬光譜光源、單模光纖-空芯光纖-單模光纖的傳感器結構、光譜儀組成。實驗中所用的寬光譜光源為超輻射發光二極管(super luminescent diode，SLD)，該寬光譜光源的輸出波長范圍為1440nm～1660nm,帶寬為90nm。由寬光譜光源SLD在600mA電流的驅動下發出的中心波長為1568nm光進入單模光纖-空芯光纖-單模光纖的傳感器結構，然后通過光譜儀來記錄出干涉譜的位移。在單模光纖-空芯光纖-單模光纖的傳感器結構中，空芯光纖的長度為55mm，即該傳感器的可測量范圍為0mm～55mm。實驗中使用的待測液體為n=1.33的蒸餾水和n=1.35、質量分數為0.10的NaCl溶液。所使用的光譜儀為日本Antitsu公司的MS9740A型號。

Fig.3 Experimental diagram of liquid level sensor

在實驗開始后向容器中加入蒸餾水,使得蒸餾水浸沒傳感器結構的空芯光纖部分，此過程中每5mm向容器中加一次蒸餾水測量，一共測得12組數據點位，圖4是在被測液體選取為蒸餾水時,蒸餾水的液面高度每上升5mm用光譜儀記錄一次干涉光譜曲線。圖4中記錄的是液面高度從0mm增加到55mm時，每5mm記錄一次的干涉光譜曲線總圖及其局部放大圖。從圖4可知,除了自映像峰外還有多個諧振峰，隨著液位高度的升高整個干涉光譜曲線向波長增大的方向移動，并且峰值以及形狀變化微小，這表明:在液位上升過程中，單模光纖-空芯光纖-單模光纖傳感器結構的干涉譜發生了波長漂移，透射功率變化幾乎忽略不計。

Fig.4 Spectrogram of spectrometer measurement spectrum with distilled water level variation spectrum

在圖4的多個干涉譜中以自映像峰值波長作為研究對象,選取液位在0mm～55mm中液位每增加5mm時對應液位下的自映像峰值波長，繪制其自映像峰值波長隨液位變化的關系,如圖5所示。由圖5可知，自映像峰值波長隨液位的增加勻速向長波長方向漂移，液位每上升5mm自映像峰值波長向波長增大方向漂移1nm左右，在液位上升過程中共向長波長方向漂移10nm左右，其線性度R2=0.9957，蒸餾水液位測量靈敏度為0.180nm/mm。

Fig.5 Peak wavelength of the self-image varies with the level of distilled water

選取測量液體為質量分數為0.10的NaCl溶液，依照上述測量方法對單模光纖-空芯光纖-單模光纖的傳感器結構從0mm～55mm的高度逐漸加入質量分數為0.10的NaCl溶液,然后通過光譜儀每5mm記錄一次干涉光譜曲線圖和數據,共計12組。圖6所示為光譜儀在液面高度從0mm～55mm每5mm記錄一次對應的質量分數為0.10的NaCl溶液液位下的干涉光譜曲線圖樣以及其局部放大圖。圖中，橫坐標為波長，縱坐標為光功率。

Fig.6 Spectrogram of the measured spectrum of the spectrometer with the change of the level of NaCl solution with mass fraction of 0.10

在圖6的多個干涉譜中以自映像峰值波長作為研究對象,選取液位在0mm～55mm中液位每增加5mm時對應液位下干涉譜的自映像峰值波長，繪制其自映像峰值波長隨液位變化的關系如圖7所示。由圖7可知,自映像峰值波長在液位上升過程中共向長波長方向漂移12.4nm，其線性度R2=0.998，質量分數為0.10的NaCl溶液液位測量靈敏度為0.224nm/mm。

Fig.7 Peak wavelength of the self-image varies with the level of NaCl solution with mass fraction of 0.10

由(3)式可知，單模光纖-空芯光纖-單模光纖結構的液位傳感器的靈敏度與空芯光纖的長度以及液體的折射率有關，當空芯光纖長度固定時，浸沒不同折射率的液體，可以得到不同的液位靈敏度，通過觀察蒸餾水和質量分數為0.10的NaCl溶液中透射光譜波長漂移和液位變化關系來判斷液體折射率對單模光纖-空芯光纖-單模光纖結構的液位傳感器靈敏度的影響。根據蒸餾水和質量分數為0.10的NaCl溶液所測的透射光譜波長漂移和液位變化關系,如圖8所示。由圖8可知,浸沒不同折射率的液體時，均有較好的線性度。當液體的折射率增大時，空芯光纖在液體中的有效折射率n2增大，且與空芯光纖在空氣中的有效折射率n1之差越大，液位測量靈敏度就越高[20]。所以當空芯光纖長度一定時，可以根據浸沒不同液體時透射光譜波長漂移與液位高度關系的靈敏度曲線來判斷液體折射率的大小,即靈敏度越高，液體折射率越大;靈敏度越低，液體折射率越小。

Fig.8 Relationship curve between the wavelength shift of distilled water and NaCl solution with mass fraction of 0.10 and the liquid level

該傳感器在做實驗時使用的測量液體為蒸餾水和自己配置的NaCl溶液，配置NaCl溶液時難免導致液體介質不均勻，使得測量結果產生偏差。在實驗增加液體過程中杯子刻度最小單位為mm，而增加液體時是人眼觀察液面上升情況，會產生不可避免的毫米內的液位高度差，使得測量結果產生誤差，而且在增加液體時，會發生水面迸濺現象，使得液滴迸濺在未被水面浸沒的部分，產生測量誤差。數據計算過程中在微小的波長段里會有峰值相同的峰，所以,在數據選用過程中,采取計算均值的方法減小誤差。

4 結 論

提出了一種液位傳感系統,主要是基于空芯光纖中多模干涉效應的液位傳感系統，并做了相應的理論和實驗研究。首先介紹了光纖液位傳感器的應用、分類以及目前的繁多研究現狀。其次介紹了該光纖液位傳感器的主要結構以及該光纖液位傳感器的制作過程。然后講解了該液位傳感器測量液位的原理。最后搭建了基于空芯光纖中多模干涉效應的液位傳感實驗，實驗研究了該液位傳感器的干涉譜與液位變化的關系以及不同折射率液體對測量結果的影響，并且分析了實驗誤差。實驗結果表明，該光纖液位傳感器的液位測量范圍為0mm～55mm，液體折射率為1.33和1.35時，液位測量靈敏度分別為0.180nm/mm和0.224nm/mm。該傳感器具有良好的液位測量功能，且結構簡單、易搭建，可以應用在一些測量微小液位變化的情況中。