强度调制型光纤液位传感器的设计及特性研究∗

于春和 邵 爽

（沈阳航空航天大学电子信息工程学院 沈阳 110136）

1 引言

光纤具有良好的传光特性，不需要其他的中间介质转接就可以将待测物理量与其特性直接联系起来［1～2］，且具有抗辐射和抗电磁干扰能力强，绝缘、柔韧性好、耐腐蚀等特点［3～5］，因此集光纤传感与信号获取于一体制作的传感器相对于其他材料制作的传感器更具有性能稳定、可靠性高、应用范围广、能在恶劣环境下工作等优点［6～7］，在军事领域具有重要意义，并且在民用市场可发挥更大潜力，具有极强的社会和经济效益［8～9］。

本文针对液体高度测量，研制了基于强度调制型透射式光纤液位传感器。该传感器制作原理及对信号的调制与解调都相对简单［10］、所需材料价格较低并且此光纤传感系统易于搭建［11～12］。文中主要介绍了该传感器的工作原理、传感元件工艺制作、结构设计创新、理论模型分析及系统搭建过程，分别测试了不同规格的薄膜直径、厚度及光纤间距对制作的传感器灵敏度的影响并对实际结果进行了分析。

2 光纤液位传感器的基本原理分析

目前的光纤传感器在制作时主要利用光纤的微弯损耗和宏弯损耗原理［11，13］，而光纤的损耗不仅包括光纤材料和光纤制造引起的光纤传输损耗［14］，还来源于光纤之间因耦合而产生的损耗［15～16］。

本文研制的基于强度调制型透射式光纤液位传感器则是利用了光纤之间的耦合损耗原理来反映液体液位的［11］。图1所示为光纤传感器的系统构成，其中虚线框内为传感器感应外界信号变化的传感元件，它是以径向位移光纤压力传感器为基础［17］，由一弹性薄片和两段光纤组成［11］，将两根光纤保持轴心相对粘接到弹性膜片上［18］。弹性膜片作为转换器件，将液位高低变化经膜片形变大小直接调制为透射光强大小［8］，也即影响到在膜片上的两根光纤之间的传输光强，导致了耦合损耗的产生，与接收光纤相连的光探测器可以显示此时与液体压力有关的光强信息［19］，利用对光强变化分析和计算可以得到外界待测的液体高度。

3 透射式光纤液位传感器传感元件的制备工艺

3.1 传感元件材料的选择

弹性膜片的材料，形变量及传导光纤决定了制作的光纤液位传感器的性能。王晓萌［11］在液位传感器的设计中采用塑料薄膜作为感应外界液体高度变化的弹性膜片，使用塑料粗光纤作为光的传输载体并用热熔胶将其粘接固定在塑料弹性薄膜上。而本文对传感器传感元件的制作进行了改进，使用了304不锈钢作为弹性薄膜，相对于用塑料作为弹性膜片，不锈钢材料的薄膜则更具有高重复性和高弹性且不老化，使用率更高。在传导光纤的使用上选择了单模光纤，其优点在于模间散色小，可以最大程度地减少光通量在传输过程中的损耗从而保证了光纤间耦合损耗的质量。

3.2 传感元件的制备工艺

传感器制作的核心为感受外界液体高度变化的传感部分，为了保证传感元件中两段光纤能够始终保持轴心相对的固定在不锈钢薄片上，设计中使用了塑封机。将直径为0.1mm的细钢丝笔直地放入塑封膜中，通过塑封机后，将钢丝拔出，即可得到能够使两段光纤保持轴心相对固定放置的塑料膜片，如图2中所示。在不锈钢薄膜与塑料膜片连接处则采用了特种金属焊接胶粘接，此胶相对于热熔胶和其它胶体来说，优势在于用量更少，从而减小了胶体与不锈钢薄片的接触面积，且凝固后胶体更软，对不锈钢薄膜受外界压力导致变形时的影响会更小，增加了传感器的制作精度。将此胶少量均匀地涂抹在制备好的长度适中的塑料膜片两端后，快速粘接在不锈钢薄膜中心的轴线位置处，放于通风口，待胶体干燥。为了提高光在光纤中的传输质量，制作中使用光纤切割机切割光纤，保证了两根传导光纤端面的整齐，减少了光的额外损耗。将切割后的两段光纤分别插入到粘接在不锈钢薄膜上的塑料膜片中，即完成了传感器中传感元件部分的制作，图3为按上述方法制作的传感元件实物图。

图2 可保持两光纤轴心相对的塑料膜片

图3 透射式光纤液位传感器传感元件实物图

3.3 传感元件的性能检测方法

在传感器性能检测方面，张超［15］使用了发光二极管及光电池来对液位传感器性能进行验证。而发光二极管光源不稳定，且光电池极易受外界光影响，导致产生的信号难以确定，因此会对传感器性能分析产生一定影响。本文中为更好地分析传感器性能，使用了图4所示的稳定光源和光功率计。相比之下，稳定光源发出的光不仅稳定且可以和光功率计设定特定波长，同时光功率计所接收的光强也不因有外界光存在而受影响，两者配合使用，能够很好地避免外界光带来的干扰，提高了测量精度。通过光功率计中的示数，可得到光强与液体液位的关系，从而对制作的传感器性能进行分析和验证。

图4 光功率计（左）稳定光源（右）

4 光纤液位传感器的理论模型分析

不锈钢薄膜的形变量对光纤之间传输的光强起决定性作用。当薄膜未受力变形也即两光纤间的夹角β=0时，接收光纤中的光强为最大值。随着液位上升，薄膜形变量逐渐增大，引起两光纤间的夹角角度增加，传输到接收光纤中的光强随之减小。假定入射光纤中光强为Ri，接收光纤中光强为 R0，则有 R0=Ricosβ［11］。

4.1 不锈钢薄膜的受力分析

弹性薄膜受到压力后形变量较小，因此可以选用小挠度的弹性圆片对不锈钢薄膜进行受力分析。根据最小挠度方程可知，弹性圆片的中心形变量 h 为［20］

式中P为均匀分布在弹性圆片上的压力；W为弹性圆片的厚度；L为弹性圆片半径；u是弹性圆片材料的泊松比；E是弹性圆片材料的弹性模量。

式（1）中可以看出，当选用的弹性薄膜规格一定时，其中心形变量h与受到的压力P也即液体对薄膜产生的压力成线性关系。

4.2 不锈钢薄膜的建模仿真

同样由于弹性薄膜受压后形变量较小，所以也可将弹性圆片看成球的一部分，利用对球形的分析来对不锈钢薄膜进行建模仿真［11］，如图5所示。

图5 不锈钢薄膜建模模型

图5 中R为球形半径，L为未变形的不锈钢薄膜半径，h为薄膜受力后的中心形变量，d为入射光纤与接收光纤之间的弧长也看成是不锈钢薄膜未变形时两段光纤之间的距离，β为薄膜受力变形后两光纤之间的夹角。

根据图5可得：

由于不锈钢薄膜的规格及发射光纤与接收光纤之间的距离d已知，因此可用Matlab进行仿真得到不锈钢薄膜中心形变量h与两光纤之间角度β及余弦角度值cosβ的理论关系曲线，如图6所示。

图6 不锈钢薄膜中心形变量与两光纤之间角度及其余弦值的理论关系曲线

由图6及式（1）可知，随着不锈钢薄膜形变量h的增大，两光纤之间的夹角β随之增加，cosβ逐渐减小。由于压力P与形变量h具有线性关系，因此压力P与夹角β，cosβ的关系也同样符合图6所示的关系曲线特征。由R0=Ricosβ可以验证接收光纤中的光强R0会随着液体液位的升高而逐渐减少且两者呈现出余弦曲线的关系。

5 透射式光纤液位传感器的性能分析

光纤液位传感器灵敏度的高低取决于传感元件中不锈钢薄膜的直径、厚度以及入射光纤与接收光纤之间的距离。为了制作出高性能的传感器，设计中分别在不锈钢薄片直径D为1.8mm、2.5mm及5.8mm；厚度 H 为0.01mm、0.02mm及0.05mm；发射光纤及接收光纤之间的距离d为5mm、1cm及1.5cm的规格下对传感器进行了灵敏度实验测试。

5.1 实验测试装置的搭建

图7所示为传感器灵敏度实验测试装置，其搭建过程为：首先用砂纸将无底部的容器边缘打磨光滑，其次用特种金属焊接胶将与容器直径大小相同的不锈钢薄膜与打磨光滑的容器边缘进行无缝紧密粘接［11，21］，同样也将此胶少量均匀地涂抹在上述已制备好的塑料膜片两端，快速粘接在不锈钢薄膜中轴线上，待胶体干燥后，向塑料膜片中分别插入入射光纤及接收光纤。为了得到实验过程中的液体高度，容器上面外接一个带有长达1m刻度的玻璃管［11］，用上述胶体将容器与玻璃管接口处粘接牢固，防止液体溢出。此时，液体的压强只与液体高度有关。在确定好不锈钢薄膜直径、厚度以及两光纤间距后，打开稳定光源及光功率计，将两者的波长设定为1310nm。最后向玻璃管中逐次加入5cm的液体，直至测量到100cm，记录每一次液体高度变化后的光功率计示数。用Matlab对记录的数据做归一化处理并进行仿真，分别获得了不同规格下不锈钢薄膜直径、厚度及两光纤间距与光纤液位传感器灵敏度的关系。

图7 实验测试装置

5.2 测试结果及分析

图8 中使用的不锈钢薄膜厚度H为0.05mm，发射光纤与接收光纤之间的距离d为1cm，分别对直径D为1.8cm、2.5cm及5.8cm的不锈钢薄片与传感器灵敏度的关系进行了实验测试。

图8表明随着不锈钢薄膜直径的增加，光功率计中的光强衰减逐渐缓慢。虽然在直径D=5.8cm时的中期状态下光强变化较快，但可以看出液位逐渐增高，光强衰减速度较前两种情况更加缓慢。综合分析来看，说明光纤液位传感器的灵敏度与薄膜直径具有反比关系，薄膜直径越大，传感器的灵敏度越低。

图9中，选用不锈钢薄膜直径D为2.5cm，两光纤间距d为1cm，分析厚度H为0.01mm、0.02mm及0.05mm的薄膜对传感器灵敏度的影响。在实验过程中发现厚度为0.01mm的不锈钢薄片由于厚度过薄导致材料本身极易产生变形、弯曲等不良情况，会对实验结果造成极大误差，因此不予考虑。

图8 不锈钢薄膜直径对传感器灵敏度的影响

图9 不锈钢薄膜厚度对传感器灵敏度的影响

图9 中可以看出，不锈钢薄膜厚度为0.02mm时的曲线比薄膜厚度为0.05mm时的曲线斜率更陡峭，表明不锈钢薄膜厚度为0.02mm时的传感器灵敏度更高。由此可知，本文制备的传感器灵敏度随着不锈钢薄膜厚度的减小而逐渐提高。

图10为发射光纤与接收光纤之间的距离d与光纤液位传感器灵敏度的关系曲线。图中两光纤间距d分别为5mm、1cm及1.5cm，选用的不锈钢薄膜直径D为2.5cm，厚度H为0.02mm。

图10 两光纤间距对传感器灵敏度的影响

如图10所示，两光纤间距越远，实验结果的曲线就越陡峭，也即液位传感器的灵敏度越高，但随着光纤间距d的增加，光功率计所接收的光信号变化较快，这并不利于实际当中的应用。

根据以上几组测试结果可以看出，玻璃管中的液体高度与所对应的光强量具有良好的单值关系，说明制作的透射式光纤液位传感器具有可行性，同时在传感器使用材料的规格选择上，不仅要考虑对制作的传感器灵敏度的影响，同时也要兼顾光功率计中光强变化的快慢。

6 结语

本文设计的强度调制型透射式光纤液位传感器对其传感元件的制作材料及工艺进行了改进。文中完整地介绍了该液位传感器的制作原理和过程并对构建的传感器模型进行了理论分析，实际系统搭建验证。为了使制作的液位传感器性能达到最优状态，分别对不同规格的不锈钢薄膜直径、厚度以及两光纤间距对传感器灵敏度的影响进行了实验测试。针对实验结果的曲线特征及分析可以得到改进后的液位传感器在测量液体高度时所呈现出的性能符合光纤光强与压力的理论特性曲线特征。通过综合考虑得到制作透射式光纤液位传感器可选用的不锈钢薄膜直径为2.5cm左右，厚度可选择0.02mm，发射光纤与接收光纤之间的距离可设定为1cm左右，此时光纤液位传感器具有良好的线性度和较高的灵敏度，验证了该传感器的可行性与可靠性。