全光纖馬赫-曾德干涉型高精度油罐液位傳感器*

常建華，楊鎮(zhèn)博，王婷婷

(南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京信息工程大學(xué)，南京210044)

高精度液位測(cè)量在石油化工、交通儲(chǔ)運(yùn)等行業(yè)具有重要意義和價(jià)值，如油罐液位測(cè)量，油水分離器的油水界面監(jiān)控等。目前大多數(shù)油罐液位還采用傳統(tǒng)的浮子法檢測(cè)，靠人工或電學(xué)法紀(jì)錄液位，誤差大、工作效率低，不適應(yīng)于易燃易爆的場(chǎng)合應(yīng)用。光纖傳感器憑借其本質(zhì)安全、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、靈敏度高、便于形成網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。光纖液位傳感器分光強(qiáng)調(diào)制型［1-4］和相位調(diào)制型［5-9］兩種。光強(qiáng)調(diào)制型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于解調(diào)，但存在受所測(cè)液體的物理化學(xué)性質(zhì)限制、量程小、精度不高、可靠性不夠等缺點(diǎn)。相位調(diào)制型具有更高的精度，這類傳感器主要有非本征光纖法布里-珀羅腔式［5］，其靈敏度取決于膜的厚度與尺寸;基于光纖光柵式［6-7］和基于多模干涉式［8-9］，后兩者使用腐蝕后的光纖光柵或拉錐后的光纖不僅降低了光纖本身的機(jī)械強(qiáng)度，而且還存在溫度串?dāng)_。

本文主要報(bào)道了一種基于光衰減器的全光纖馬赫-曾德干涉型油罐液位傳感器，油罐液位變化會(huì)引起透射譜干涉條紋對(duì)比度的變化，通過(guò)快速傅立葉變換分析濾除零頻分量的透射譜可油液液位進(jìn)行高精度的測(cè)量。這種傳感器和已有的液位傳感器相比溫度交叉敏感度低，有更好的機(jī)械強(qiáng)度。并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，成本低。

1 傳感器結(jié)構(gòu)與原理

光衰減器被廣泛應(yīng)用于光通信系統(tǒng)，如波長(zhǎng)平衡、接收功率控制和波分復(fù)用系統(tǒng)中的功率平衡等。常用的光衰減器的結(jié)構(gòu)就是將兩根單模光纖纖芯偏置幾微米熔接。如圖1所示，全光纖馬赫-曾德干涉儀由三根單模光纖、兩個(gè)纖芯偏置幾個(gè)微米熔接點(diǎn)構(gòu)成，其中傳感光纖為去掉涂覆層的裸纖，長(zhǎng)度幾十毫米。熔接點(diǎn)相當(dāng)于光纖耦合器，起到分光與合光的作用，相當(dāng)于傳統(tǒng)赫-曾德干涉儀的兩個(gè)分束器。輸入光纖中的光在熔接點(diǎn)1被分成兩路，一路在傳感光纖的纖芯中傳輸(實(shí)線箭頭表示)，另一路以包層模在傳感光纖包層中傳播(虛線箭頭表示)。一般來(lái)說(shuō)包層模不能傳輸很長(zhǎng)距離，因?yàn)樵诎鼘?外界界面能量會(huì)衰減，但如果在第一個(gè)纖芯偏置熔接點(diǎn)后幾厘米處引入另一個(gè)纖芯偏置，包層模就會(huì)重新在纖芯偏置熔接點(diǎn)2耦合到輸出光纖纖芯。由于傳感光纖中包層模和纖芯模的相位差，發(fā)生模間干涉構(gòu)成全光纖馬赫-曾德干涉儀。

圖1 全光纖馬赫-曾德干涉型液位傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

馬赫-曾德干涉條紋與傳感光纖包層模的傳播路徑以及光損耗有關(guān)。已有研究表明，全光纖馬赫-曾德干涉儀可用于測(cè)量小于包層折射率的液體折射率。當(dāng)外界折射率小于包層折射率時(shí)，滿足包層模在包層-環(huán)境界面全反射條件，包層模能量不會(huì)衰減，但包層的等效折射率會(huì)由于環(huán)境折射率的改變而改變，從而使不受外界環(huán)境的影響纖芯模和包層模的相位差發(fā)生改變，通過(guò)測(cè)量干涉條紋偏移測(cè)量環(huán)境折射率［10］。當(dāng)外界折射率大于包層折射率(如油液)，一部分包層模能量在包層-環(huán)境界面發(fā)生泄漏，耦合到輸出光纖纖芯的包層模能量衰減，而纖芯模依然不受外界環(huán)境的影響，從而干涉條紋的對(duì)比度會(huì)發(fā)生變化。傳感光纖中，能量衰減隨油液液位的升高而增加，干涉條紋對(duì)比度也隨之下降。

2 傳感器制作與實(shí)驗(yàn)

用光纖熔接機(jī)(古河FITEL S176)5 dB衰減模式熔接，獲得5.2 dB衰減的熔接點(diǎn)1，金相顯微照片如圖2所示。在距離熔接點(diǎn)40 mm處用光纖熔接機(jī)的纖芯偏置模式熔接，不同方向不同偏置距離得到的透射光譜不同，如圖3所示?？梢钥吹疆?dāng)熔接點(diǎn)2沒(méi)有纖芯偏置時(shí)幾乎沒(méi)有發(fā)生干涉，損耗為5.2 dB;而當(dāng)x軸偏置7.5 μm，y軸偏置6 μm 時(shí)，得到的干涉條紋對(duì)比度最大。

圖2 纖芯錯(cuò)位熔接后熔接點(diǎn)的金相顯微照片

圖3 馬赫-曾德干涉譜(傳感光纖40 mm)

液位測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示:其中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)使用光纖傳感分析儀(OSA，Si720，Micron Optics Inc，USA)，其相干長(zhǎng)度和譜寬分別為～2.4 m和1 pm，波長(zhǎng)分辨率和精度分別為0.25 pm和1 pm。傳感分析儀輸出波長(zhǎng)1 510 nm～1 590 nm的掃描激光光進(jìn)入輸入光纖，經(jīng)過(guò)熔接點(diǎn)1分成纖芯模和包層模進(jìn)入傳感光纖，傳輸一段距離后在熔接點(diǎn)2耦合發(fā)生馬赫-曾德干涉，透射的干涉光通過(guò)輸出光纖回到傳感分析儀顯示出干涉光譜。實(shí)驗(yàn)中測(cè)量用的油液用阿貝折射率儀測(cè)得折射率為1.47。

當(dāng)傳感光纖長(zhǎng)90 mm時(shí)，五種不同油液位高度的測(cè)量干涉光譜見(jiàn)圖4。圖中所示分別是傳感光纖浸入油中0.25 mm、15 mm、25 mm、35 mm 以及45 mm時(shí)測(cè)得的傳感器傳輸光譜?？梢钥闯?，干涉條紋對(duì)比度隨著液位的升高明顯降低，到45 mm時(shí)干涉條紋幾乎消失，對(duì)比度最大變化約為8 dB，而干涉譜相位變化相對(duì)不明顯。因此根據(jù)干涉條紋對(duì)比度的變化可以解調(diào)出液位高度。

圖4 不同液位時(shí)的馬赫-曾德干涉譜(傳感光纖90 mm)

但是由于存在多模干涉，圖4中不同波峰處的液位-條紋對(duì)比度變化靈敏度均不同，并且相位也有少許的變化，這就給直接解調(diào)帶來(lái)了麻煩和誤差。為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)液位的高度，我們采用快速傅立葉變化(FFT)將濾除零頻分量的空域信號(hào)變換至頻域信號(hào)，波長(zhǎng)范圍從1 510 nm到1 590 nm，圖5所示為變換結(jié)果，縱坐標(biāo)幅度無(wú)量綱。從圖5可以看出，峰處的幅度隨著液位的升高顯著降低，45 mm時(shí)幅度接近0。

圖5 不同液位時(shí)濾除零頻分量的M-Z干涉譜FFT變換結(jié)果(傳感光纖90 mm)

圖6所示為峰處幅度和油液液位的關(guān)系圖。由圖6可以看出，隨著液位上升峰處幅度線性減小，圖中的點(diǎn)是測(cè)量數(shù)值，線性擬和度98.5%，靈敏度311 mm-1，分辨率達(dá)到 3 μm。

圖6 峰處幅度與液位關(guān)系圖(傳感光纖90 mm)

最后，我們研究了液位傳感器的溫度特性。如圖7所示，我們將裸露在空氣中的傳感器放在溫控箱中，溫度從25℃升高到95℃的變化只使干涉譜紅移了2.8 nm，而其對(duì)比度幾乎無(wú)變化，去除零頻經(jīng)FFT變換后峰的位置沒(méi)有改變，幅度隨機(jī)波動(dòng)±20，對(duì)應(yīng)的液位波動(dòng)僅為0.14%?？梢哉J(rèn)為該液位傳感器對(duì)溫度不敏感。

圖7 油罐液位傳感器在不同溫度下的透射譜

3 結(jié)論

本文提出了一種基于全光纖馬赫-曾德干涉儀的對(duì)溫度不敏感的高精度油罐液位傳感系統(tǒng)。采用FFT變換，在頻域上對(duì)傳感器去除零頻后的透射譜進(jìn)行分析，解調(diào)出油罐液位。當(dāng)傳感光纖長(zhǎng)度為90 mm時(shí)，在油液液位測(cè)量線性區(qū)域靈敏度為311 mm-1，分辨率達(dá)到3 μm。實(shí)驗(yàn)表明該油罐液位傳感系統(tǒng)測(cè)量精度高且溫度串?dāng)_小。

［1］馮流螢，劉培勛.光纖液位傳感器［J］.電子器件，1994，17(4):30-33.

［2］Nath P，Datta P，Sarma K C.All Fiber-Optic Sensor for Liquid Level Measurement［J］.Microw and Opt Tech Lett，2008，50(7):1982-1984.

［3］Musayev E，Karlik S E.A Novel Liquid Level Detection Method and Its Implementation［J］.Sens Actuat A，2003，109(1):21-24.

［4］Vázquez C，Gonzalo A B，Vargas S，et al.Multi-Sensor System Using Plastic Optical Fibers for Intrinsically Safe Level Measurements［J］，Sens Actuat A，2004，116(1):22-32.

［5］呂濤，劉德森，劉志麟，等.基于非本征Fabry-Perot腔高精度光纖液位傳感器研究［J］.光子學(xué)報(bào)，2007，36(4):690-693.

［6］伊林，楊冬曉，陳松濤.光纖光柵液位傳感技術(shù)研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，18(3):669-671.

［7］Obaton A F，Laffont G，Wang C，et al.Tilted Fibre Bragg Gratings and Phase Sensitive-Optical Low Coherence Interferometry for Refractometry and Liquid Level Sensing［J］.Sensors and Actuators A，2013，189:451-458.

［8］Antonio-Lopez J E，May-Arrioja D A，LiKamWa P.Fiber-Optic Liquid Level Sensor［J］.IEEE Photon Technol Lett，2011，23(23):1826-1828.

［9］Chen T，Chen R，Lu P，et al.Tapered Fibre Mach-Zehnder Interferometer for Simultaneous Measurement of Liquid Level and Temperature［J］.Electronics Letters，2011，47(19):1093-1095.

［10］Jha R，Villatoro J，Badenes G，et al.Refractometry Based on a Photonic Crystal Fiber Interferometer［J］.Opt Lett，2009，34(5):617-619.