基于FBG轴向拉力的液位测量传感器

王雁茹，周雨萌，赵春柳，时菲菲

(中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018)



基于FBG轴向拉力的液位测量传感器

王雁茹，周雨萌，赵春柳，时菲菲

(中国计量学院 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310018)

【摘要】根据光纤布喇格光栅(fiber Bragg grating, FBG)的传感原理，提出了一种基于波纹管结构的FBG液位传感器，利用补偿FBG (FBG1)与液位FBG(FBG2)具有相同的温度灵敏度进行温度补偿，将FBG2固定在波纹管内，液压产生的张力可以使波纹管的自由端产生位移，从而使固定在里面的FBG2产生轴向应变进而影响布喇格中心波长的改变.通过布喇格中心波长的改变来监测液位的变化，在40～340 mm的液位变化范围内进行了实验研究.结果表明，光纤布喇格光栅中心反射波长漂移对液位呈现良好的线性关系，线性拟合度大于0.998，灵敏度为15.7 pm/cm，理论测量范围可达到3 m.说明通过改变波纹管的波纹数目和其他参数，可实现对传感器测量范围和灵敏度的调整，以满足各种应用场合.

【关键词】液位传感器；光纤布喇格光栅；波纹管；温度补偿

液位传感器是一种检测容器内液体高度信息的仪器，在工业中有着广泛的应用，尤其在石油化工、冶金、核电等行业的生产过程中经常需要检测储油罐或储液罐内的液位. 一些基于电子式、超声波、机械浮子式[1-4]的液位传感器已被提出，由于所测量液体种类繁多，物理化学性质各不相同，这些大都属于电类的传感器在强酸强碱、腐蚀性、甚至是强放射性环境中使用时存在很大安全隐患. 而光纤由于其本身的绝缘性，被广泛地应用于液位传感器的研究，其中光纤布喇格光栅(FBG)是近年来发展最为迅速的一种光无源传感器件，被应用于许多传感领域[5]. 目前多种基于不同结构的光纤液位传感器被研究[6-7]，Yun等人提出了一种基于侧面抛磨FBG的液位传感器[8]，可测量的液位高度变化为24 mm. Guo等人提出了一种基于悬梁臂结构的光纤布喇格光栅液位传感器[9]，测量范围为500 mm，但是传感器结构比较复杂.为扩大测量范围并使传感器结构简单，本文提出了一种基于波纹管结构的光纤布喇格光栅液位传感器，将FBG固定在波纹管内，液压产生的张力可以使波纹管的自由端产生位移，从而使固定在里面的FBG产生轴向应变进而影响布喇格中心波长的改变. 通过布喇格中心波长的改变来监测液位的变化，传感器的灵敏度达15.7 pm/cm，线性度达0.998，理论测量范围可达3 m. 能实现对液位的实时、连续测量并具有较好的重复性，可以推广应用于油罐液位检测等工程领域.

1传感器的结构与原理

1.1FBG传感原理

当一束宽光谱进入FBG时，根据耦合模理论[10]，满足布喇格条件波长将发生反射，反射光中心波长λB满足方程

λB=2neff·Λ.

(1)

式中：neff为光纤纤芯对自由空间中心波长的折射率；Λ为光栅的周期. 温度和应变都能引起光栅周期和纤芯折射率的变化，当应变ε和温度ΔT同时作用在FBG上时，有[11]

ΔλB/λB=(1-pe)ε+αΛ+αnΔT.

(2)

式中：pe表示FBG材料的有效弹光系数；ε表示轴向所受应力；αΛ和αn分别表示FBG材料的热膨胀系数和热光系数.

1.2传感器结构与原理

传感头的结构示意图如图1(a)，整个传感头由硬质外壳封装，波纹管底部密封，上部与外壳顶部连接固定，且连接处有开口，液体能通过进液孔流入波纹管内.另外，外壳与外界有导气管相连，测量时可保持外壳内气压始终与外界大气压保持一致. Y形耦合器两分支各有一根FBG，FBG2上下端分别与外壳顶部和波纹管底部连接固定，FBG1则置于外壳内，其所在环境温度和灵敏度均与FBG2保持一致，用于温度补偿. 测量时，需将整个传感器固定在容器底部，两根FBG通过光纤引出并输入到解调设备中. 当整个传感器浸入液体中时，液体通过进液孔流入波纹管中，波纹管侧面所受液体压力相互抵消，整体受到的液体的压力影响波纹管的拉伸从而使FBG2受到轴向拉力.将波纹管底盖中心作为受力点进行受力分析如图1(b)，波纹管在竖直方向上受到竖直向下的液体压力FP和波纹管及FBG自重G，以及竖直向上的大气压力FA、FBG及波纹管的弹力F，从而产生竖直方向上的应变，带动FBG2产生轴向应力，使得布拉格波长发生漂移，故而可以通过检测中心波长的变化来检测液体的高度.

图1　传感头示意图 Figure 1　Schematic diagram of sensor head

当温度和液位同时改变时，FBG2中心反射波长的改变量Δλ2为

Δλ2=ΔλL+ΔλT.

(3)

式中：ΔλL和ΔλT分别表示由液位变化和温度变化所引起的中心波长的改变量. 而FBG1不受液位变化的影响，其中心波长的改变量Δλ1为

Δλ1=ΔλT.

(4)

温度和液位同时变化时，因FBG1和FBG2具有相同的温度灵敏度，所以它们由温度变化所引起的布喇格中心波长的漂移量相同，消除温度的影响，FBG2由液位变化所引起的布喇格中心波长的变化为

ΔλL=Δλ2-Δλ1.

(5)

消除温度影响后，由应力引起的布喇格反射中心波长的变化有

ΔλB/λB(1-pe)ε.

(6)

温度一定时，波纹管自由端的移动量与液压的关系式为

(7)

式中：Cc是与波纹管几何参数有关的修正系数；n是波纹管波纹数目；P=ρgh，其中ρ是液体密度，g是重力加速度，h是液面高度；Aeq=π(R1+R2)2/4波纹管管壳的等效面积，R1、R2分别为波纹管的内径与外径；μ、E分别为材料的弹性模量和泊松比；r为波纹管的壁厚.

光纤的轴向应变等于轴向改变量且与其长度D之比为

ε=Δx/D.

(8)

式(7)和(8)联立可得

ΔλB/λB=η·h.

(9)

2实验结果与分析

如图2，由宽带光源(broad band sourse, BBS)发

出的光，经过1端口进入光环行器，从2端口输出的光经Y形耦合器分成两路，一路入射到FBG1，另一路入射到FBG2，发生反射后再经过Y形耦合器到达2端口，然后从3端口传到光谱仪(optical spectrum analyzer, OSA, YOKOGAWA735301)中，由此检测FBG1和FBG2反射中心波长的漂移量，液位采用量程为100 cm、精确度为1 mm的钢直尺进行监测，整个传感器头的高度为4 cm.

图2　实验装置示意图Figure 2　Schematic diagram of experimental apparatus

实验所用FBG1和FBG2，室温下空载时的反射谱如图3，布喇格中心反射波长分别为1 534.89 nm 和1 546.83 nm.

图3　FBG1和 FBG2的反射谱 Figure 3　Reflection spectra of FBG1 and FBG2

图4　温度改变时，FBG的反射谱和温度灵敏度Figure 4　Reflection spectra and the relationships between the peak wavelength and temperature of the FBGs immersed in water with temperature changes

液位固定为40 mm时， FBG1和FBG2在液体温度为20～100 ℃时的反射谱如图4(a)，可知，在温度升高时，FBG1和FBG2的中心反射波长同时向长波方向移动，波形基本保持不变. FBG1和FBG2中心波长随温度的变化曲线图4(b)，可知FBG1由温度T所引起的中心反射波长的变化量λB1T为

λB1T=0.012 37·T+1 534.78.

(10)

FBG2由温度所引起的中心反射波长的改变量λB1T为

λB2T=0.012 37·T+1 546.49.

(11)

由式(10)和(11)可知，FBG1和FBG2具有相同的温度灵敏度，满足实验要求.

图5　液位改变时，FBG2的反射谱和布喇格中心波长与液位的关系曲线 Figure 5　 Reflection spectra of FBG2 with liquid-level changes and the relationship between the peak wavelength and liquid-level

当温度和液位同时改变时，根据上文理论分析，根据式(3)(4)(5)消除温度影响后，液位每改变2 cm时FBG2的反射谱如图5(a).由图可以看出，当液位上升时，中心波长向长波方向移动，当液位改变量为300 mm时，中心波长漂移量大约为0.5 nm. 理论上，FBG中心反射波长在应力影响下的波长漂移量可达5 nm，所以该传感器的液位测量范围可达3 m. FBG2中心反射波长随液位变化关系如图5(b)，关系式为

λL=0.015 73·h+1 546.75.

(12)

式(12)中：λL表示FBG2由液位所引起的中心波长的改变量；h为液面高度.可知，液位传感器的灵敏度为15.7 pm/cm，线性度在0.998以上. 由式(6)知，可通过增加波纹管波纹数目、减小波纹管壁厚等措施来提高灵敏度.

3结论

基于波纹管结构的FBG液位传感器，用补偿FBG与液位FBG具有相同的温度灵敏度进行温度补偿，将FBG固定在波纹管内，液压产生的张力可以使波纹管的自由端产生位移，从而使固定在里面的FBG产生轴向应变进而影响布喇格中心波长的改变. 由此将液位与FBG反射波长联系起来，实现了用FBG对液位进行测量的目的. 传感器的灵敏度达到了15.7 pm/cm，线性度达到了0.998，理论测量范围可达3 m. 能实现对液位的实时、连续测量并具有较好的重复性，可以推广应用于油罐液位检测等工程领域.

【参考文献】

[1]田学隆, 林芳钦. 基于光电传感器的液位检测方法与装置[J]. 传感器与微系统, 2009, 28(10): 73-75.

TIAN Xuelong, LIN Fangqin. Liquid level detecting method and equipment based on optoelectronic sensor[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2009, 28(10): 73-75.

[2]熊先才，章鹏，苻欲梅，等. 光电液位传感器及其在桥梁挠度自动测量中的应用[J]. 地震工程与工程振动，2006，26(4): 260-264.

XIONG Xiancai, ZHANG Peng, FU Yumei, et al. Optoelctronic liquid-level sensor and its application for automatically measuring bridge deflection[J]. Earthquake Engineering and Engineering Vibration, 2006，26(4): 260-264.

[3]陆贵荣，倪鹏昊，陈树越. 超声波密闭容器液位传感器设计[J]. 工矿自动化，2013, 39(9): 23-26.

LU Guirong, NI Penghao, CHEN Shuyue. Design of ultrasonic liquid level sensor for sealed container[J]. Industry and Mine Automation, 2013, 39(9): 23-26.

[4]姚宇翔. 浮子式液位测量系统的研制[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学，2007.

YAO Yuxiang. Design of the float-type measurement system[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology,2007.

[5]姜德生，何伟.光纤光栅传感器的应用概况[J].光电子·激光，2002,13(4):420-430.

JIANG Desheng, HE Wei. Review of applications for fiber Bragg grating sensors[J]. Journal of Optoelectronics ·Laser, 2002, 13(4): 420-430.

[6]KNOWLES S F, JONES B E, PURDY S, et al. Multiple microbending optical-fiber sensors for measurement of fuel quantity in aircraft fuel tanks[J]. Sensors and Actuators A, 1998,68:230-323.

[7]YANG Chengning, CHEN Shiping, YANG Guoguang. Fiber optic liquid level sensor under cryogenic environment[J]. Sensors and Actuators A, 2001, 94(1): 69-75.

[8]YUN Binfeng, CHEN Na, CUI Yiping. Highly sensitive liquid-level sensor based on etched fiber Bragg grating[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2007, 19(21): 1747-1749.

[9]GUO Tuan, ZHAO Qida, DOU Qingying, et al. Temperature insensitive fiber Bragg grating liquid-level sensor based on bending cantilever beam[J]. IEEE Photonics Technology Letters, 2005, 17 (11): 2400-2402.

[10]饶云江，王义平，朱涛. 光纤光栅原理及应用[M]. 北京：科学出版社，2006：136-138.

[11]ZHAO Y, ZHAO Y, ZHAO M. Novel force based on a coupling of fiber Bragg gratings[J]. Measurement,2005,38:30-33.

A liquid-level sensor based on axial tension of fiber Bragg grating

WANG Yanru , ZHOU Yumeng , ZHAO Chunliu , SHI Feifei

(College of Optical and Electronic Technology, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:A liquid-level sensor based on fiber Bragg gratings with a plastic corrugated pipe was proposed. Temperature compensation was solved by a compensation FBG (FBG1) which had the same temperature sensitivity of a liquid-level FBG (FBG2). The hydraulic pressure could cause the free end of the corrugated pipe to produce a displacement, so that axial strain occurred the FBG2 fixed in the plastic corrugated pipe red and its Bragg wavelength changed. The pressure could be measured by detecting the wavelength shift of FBG2, and eventually be converted into the liquid-level variation. The experiment results showed that the sensitivity of the sensor was 15.7 pm/cm and the linearity was higher than 0.998 within the range of 40 mm to 340 mm. The theoretical measurement range was up to 3 m. By changing the number and other related parameters of the plastic corrugated pipe, the measurement range and the sensitivity of the sensor could be optimized to meet various applications.

Key words:liquid-level sensor; fiber Bragg grating ; plastic corrugated pipe; temperature compensation

【文章编号】1004-1540(2015)01-0023-05

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.01.004

【收稿日期】2015-09-29《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金项目】浙江省国际科技合作专项基金资助项目(No. 2013C24018).

【作者简介】王雁茹(1991-)，女，山东省聊城人，硕士研究生，主要研究方向为光纤传感技术.E-mail:1048016884@qq.com

【中图分类号】TN253

【文献标志码】A

通信联系人：赵春柳，女，教授.E-mail: clzhao@cjlu.edu.cn