光纤液面传感器.

光纤液位传感器综述

摘要本文先说明了液位传感器适用的场合及其优缺点，然后介绍了观测孔式、浮子式、压力式、液位反射式和折射率改变式五种光纤液位传感器的结构及工作原理，最后举例说明光纤液位传感器的现实应用。

关键词光纤液位传感器

1.引言

从字面上讲, 传感器可比作感知自然界物理现象的人的感觉器官。从工程技术上讲, 传感器是指检测被测物体所带有的信息的仪器。传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术, 它是检测原理、材料科学、工艺加工三个要素的最佳结合。在发达国家, 传感器技术被列为核心技术之一。

液位传感器是指检测液体高度信息的仪器, 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[1]。

随着近二十年来光纤通信技术的高速发展, 光纤光缆、激光光源、光电探测以及相关的技术、材料、加工工艺已经取得了长足的进步. 由于光导纤维具有种种优良的特性, 故人们将光纤这一新型材料用于传感器, 发展了光纤传感器技术。光纤传感器技术自始至今一直在飞速发展, 各种新思路、新结构、新工艺的光纤传感器如雨后春笋、不胜枚举; 在此我们仅讨论其中的一类：液位传感器。

2. 光纤液位传感器的使用要求[2]

A. 高精度和高可靠性。很多应用场合要求测量液位极值用子报警或危险指示, 所以其精度和可靠性必须极高。

B .转换性能优良, 线性特征范围宽,检测信号的信噪比高, 重复性好, 时间老化特性优良。

C .工作温度范围一般为-0℃一+125℃。

D. 尺寸小、重量轻、容易安装, 性能价格比好。

E .在污染、潮湿、有泡沫等不利环境下均能工作。与被测物体匹配好, 对被测体环境适应能力强, 不破坏被测体的状态, 检测信号不受被测体环境的干扰。

3.光纤液位传感器的优点

光纤传感器与传统传感器相比是用光而不是用电来作为传递敏感信息的媒质,用光纤而不是用电缆来作为传输媒质。它以光学技术为基础, 将被敏感的状

态以光信号形式取出; 利用小型而简单的半导体器件如LD、LED、PIN、APD 等很容易进行光/电、电/光转换, 易于与高速发展的电子装置匹配[3]。与其它传感器相比,光纤传感器有以下优点:

A.灵敏度高、频带宽、动态范围大: 由于传输的信息载体是光, 所以所有已研制成功的光纤传感器分辨率大部分优于目前其它同类传感器.光信号载频高, 其频带宽。光器件已较为成熟, 能做成很大的动态范围[4]；

B.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中), 能避免产生火花, 适用于油罐和易爆炸气体( 如煤矿和石化工业)。它耐高压、耐腐蚀、在易燃易爆环境下安全可靠；

C.体积小、重量轻、安装简单、造价低；

D. 光纤加特殊护层后能在高低温下工作；

E. 光纤不仅是敏感元件, 而且是一种优良的低损耗传输线, 因此不必考虑测量仪和被测物体的相对位置, 特别适合于电子式等传感器不太适用的地方。可以与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制[5]；

F.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；

G.光纤传感器组成的光纤传感器系统便于与中心计算机连接, 可实现多功能、智能化的要求[6]。

4.光纤液位传感器

光纤液位传感器可分为两类。第一类是开关式，用于高低液位检测和液体泄漏检测。第二类是模拟式，可用于实际液位高度测量。光纤在第一类场合具有较多的应用。

液位是过程控制的主要参数之一，在石化工业与化学工业中，液位传感器具有广泛的应用。由于许多过程控制场合都具有易爆性，所以光纤液位传感器在这些场合倍受青睐。在军事应用中，许多场合要求检测液体泄漏与液位高度，光纤传感器能较好地满足其要求。另外，抗电磁干扰与无线电干扰是光纤液位传感器在上述各种领域中获得应用的主要原因之一。

采用光与液位相互作用原理的光纤传感器在相对干净与透明的液体中工作较好。脏的和不透明的液体，如:原油和染料能污染光路，使传感器无法检测，固体粉末也是这样。对这类液位的测量最好采用与压力相关的检测方法。

在光纤液位传感器中常采用的方法有以下几种[7.8]

l、观测孔式;

2、浮子式;

3、压力式;

4、液位反射式;

5、折射率改变式。

4.1 观测孔式液位传感器

在锅炉中通常使用双颜色测量计观测水位[9]。在该类测量计中使用了一个梭镜和光源，当蒸气进入测量计时，从观察孔上可以看到红光，当水进入测量计

时，使红光产生折射，只有绿光传输到达观测孔。这种装置示于图10-1。检测装置通常放在锅炉的一边，这不利于集中监测。当在测量计上装置了大芯、大数值孔径光纤以后，红光、绿光信号(分别代表水与蒸气)可传送到集中监测室，如图10-2所示。为了减少环境光的影响，光纤与观测计的接口常置于一个罩里。此时，传感器被动工作，没有移动部件和带电器件，唯一用电器件只是光源。现行安全规程常常要求使用这种方式。因为被传输的光必须足够强才能看得见，所以光纤传愉的距离必须在100米之内。

4.2 浮子式液位传感器

浮子式液位传感器采用一个浮子跟踪液位，简单的浮子结构示于图10-4。图中(a)结构设计成与反射式光纤传感器结合使用，当联接在浮子上的反射日标通过探头时，产生光反射，传感器输出信号。图中(b)结构设计采用传输式光纤传感器与浮子结合使用，工作原理与图10-4(a)类似，所不同的是光纤传输代替了光反射[10]。这种类型光纤传感器通常仅用于监测液位高低两种状态，然而，如果采用二进制编码板阻挡光线传输，并且采用多组传输光纤，则可以用数学方式直接检测液位的高度，图10-5中示出了这种结构。采用8位编码，对液位测量的分辨率可达1/256。

使用反射式光纤传感器能以模拟方式测量液位的实际高度，图10-6给出了这种传感器的实际结构。反射探头加上透镜后模拟信号的测量范围扩展到5英寸，因此，如果不采用其它机械结构的话，这种传感器的最大测量范围是5英寸。