1、光纖液位傳感器綜述摘要 本文先說明了液位傳感器適用的場合及其優缺點，然后介紹了觀測孔式、浮子式、壓力式、液位反射式和折射率改變式五種光纖液位傳感器的結構及工作原理，最后舉例說明光纖液位傳感器的現實應用。關鍵詞 光纖 液位 傳感器1.引言從字面上講, 傳感器可比作感知自然界物理現象的人的感覺器官。從工程技術上講, 傳感器是指檢測被測物體所帶有的信息的儀器。傳感器技術是利用各種功能材料實現信息檢測的一門應用技術, 它是檢測原理、材料科學、工藝加工三個要素的最佳結合。在發達國家, 傳感器技術被列為核心技術之一。液位傳感器是指檢測液體高度信息的儀器, 它在工業和日常生活中有著重要而廣泛的用途。在化工生

2、產中, 它可以用來計測輸送聚合物時的粉體平面、反應缸的液位平面、石油化漿液位、化學儲藏罐內的液體平面; 在冶金工業中, 可以用來計測制造鑄件的管道熔鐵平面和連續鑄造生產過程中的鋼包液位; 在日常生活中則可用來檢測大量的汽油、柴油存儲罐中的油位高度等等, 使它在工業生產和日常生活中起到耳目的作用1。隨著近二十年來光纖通信技術的高速發展, 光纖光纜、激光光源、光電探測以及相關的技術、材料、加工工藝已經取得了長足的進步. 由于光導纖維具有種種優良的特性, 故人們將光纖這一新型材料用于傳感器, 發展了光纖傳感器技術。光纖傳感器技術自始至今一直在飛速發展, 各種新思路、新結構、新工藝的光纖傳感器如雨后春

3、筍、不勝枚舉; 在此我們僅討論其中的一類：液位傳感器。2. 光纖液位傳感器的使用要求2A. 高精度和高可靠性。很多應用場合要求測量液位極值用子報警或危險指示, 所以其精度和可靠性必須極高。B .轉換性能優良, 線性特征范圍寬,檢測信號的信噪比高, 重復性好, 時間老化特性優良。C .工作溫度范圍一般為-0 一+125 。D. 尺寸小、重量輕、容易安裝, 性能價格比好。E .在污染、潮濕、有泡沫等不利環境下均能工作。與被測物體匹配好, 對被測體環境適應能力強, 不破壞被測體的狀態, 檢測信號不受被測體環境的干擾。3.光纖液位傳感器的優點光纖傳感器與傳統傳感器相比是用光而不是用電來作為傳遞敏感信息

4、的媒質,用光纖而不是用電纜來作為傳輸媒質。它以光學技術為基礎, 將被敏感的狀態以光信號形式取出; 利用小型而簡單的半導體器件如LD、LED、PIN、APD 等很容易進行光/電、電/光轉換, 易于與高速發展的電子裝置匹配3。與其它傳感器相比,光纖傳感器有以下優點:A.靈敏度高、頻帶寬、動態范圍大: 由于傳輸的信息載體是光, 所以所有已研制成功的光纖傳感器分辨率大部分優于目前其它同類傳感器.光信號載頻高, 其頻帶寬。光器件已較為成熟, 能做成很大的動態范圍4；B.光纖由石英材料做成, 有很好的電絕緣性能光纖傳感器不受電磁輻射的影響, 適用于電噪聲環境( 如輸電線、電氣鐵路和電氣機械中), 能避免產

5、生火花, 適用于油罐和易爆炸氣體( 如煤礦和石化工業)。它耐高壓、耐腐蝕、在易燃易爆環境下安全可靠；C.體積小、重量輕、安裝簡單、造價低；D. 光纖加特殊護層后能在高低溫下工作；E. 光纖不僅是敏感元件, 而且是一種優良的低損耗傳輸線, 因此不必考慮測量儀和被測物體的相對位置, 特別適合于電子式等傳感器不太適用的地方。可以與光纖遙測技術相配合實現遠距離測量與控制5；F.光纖是無源器件, 對被測對象不產生影響。其自身獨立性好, 可以適用于各種使用環境；G.光纖傳感器組成的光纖傳感器系統便于與中心計算機連接, 可實現多功能、智能化的要求6。4.光纖液位傳感器光纖液位傳感器可分為兩類。第一類是開關式

6、，用于高低液位檢測和液體泄漏檢測。第二類是模擬式，可用于實際液位高度測量。光纖在第一類場合具有較多的應用。液位是過程控制的主要參數之一，在石化工業與化學工業中，液位傳感器具有廣泛的應用。由于許多過程控制場合都具有易爆性，所以光纖液位傳感器在這些場合倍受青睞。在軍事應用中，許多場合要求檢測液體泄漏與液位高度，光纖傳感器能較好地滿足其要求。另外，抗電磁干擾與無線電干擾是光纖液位傳感器在上述各種領域中獲得應用的主要原因之一。采用光與液位相互作用原理的光纖傳感器在相對干凈與透明的液體中工作較好。臟的和不透明的液體，如:原油和染料能污染光路，使傳感器無法檢測，固體粉末也是這樣。對這類液位的測量最好采用與

7、壓力相關的檢測方法。在光纖液位傳感器中常采用的方法有以下幾種7.8l、觀測孔式;2、浮子式; 3、壓力式; 4、液位反射式; 5、折射率改變式。4.1 觀測孔式液位傳感器在鍋爐中通常使用雙顏色測量計觀測水位9。在該類測量計中使用了一個梭鏡和光源，當蒸氣進入測量計時，從觀察孔上可以看到紅光，當水進入測量計時，使紅光產生折射，只有綠光傳輸到達觀測孔。這種裝置示于圖10-1。檢測裝置通常放在鍋爐的一邊，這不利于集中監測。當在測量計上裝置了大芯、大數值孔徑光纖以后，紅光、綠光信號(分別代表水與蒸氣)可傳送到集中監測室，如圖10-2所示。為了減少環境光的影響，光纖與觀測計的接口常置于一個罩里。此時，傳感

8、器被動工作，沒有移動部件和帶電器件，唯一用電器件只是光源。現行安全規程常常要求使用這種方式。因為被傳輸的光必須足夠強才能看得見，所以光纖傳愉的距離必須在100米之內。4.2 浮子式液位傳感器 浮子式液位傳感器采用一個浮子跟蹤液位，簡單的浮子結構示于圖10-4。圖中(a)結構設計成與反射式光纖傳感器結合使用，當聯接在浮子上的反射日標通過探頭時，產生光反射，傳感器輸出信號。圖中(b)結構設計采用傳輸式光纖傳感器與浮子結合使用，工作原理與圖10-4(a)類似，所不同的是光纖傳輸代替了光反射10。這種類型光纖傳感器通常僅用于監測液位高低兩種狀態，然而，如果采用二進制編碼板阻擋光線傳輸，并且采用多組傳輸

9、光纖，則可以用數學方式直接檢測液位的高度，圖10-5中示出了這種結構。采用8位編碼，對液位測量的分辨率可達1/256。使用反射式光纖傳感器能以模擬方式測量液位的實際高度，圖10-6給出了這種傳感器的實際結構。反射探頭加上透鏡后模擬信號的測量范圍擴展到5英寸，因此，如果不采用其它機械結構的話，這種傳感器的最大測量范圍是5英寸。4.3 壓力式液位傳感器 采用液體靜壓力探頭也可以測量液位，壓力由液位產生，液位高度H與壓力P之間的關系方程式由下式給出: H=P/SG，式中SG是液體的重力，P是水的密度。例如:30英尺水的液位(SG=1)壓強等于13.0磅/平方英寸，30英尺石油液位(SG=0. 65)

10、壓強等于8.44磅/平方英寸。光纖探頭與壓力膜構成的壓力傳感器用于該種液位測量中，傳感器結構原理示于圖10-7水箱液位從20英尺到60英尺，壓力范圍從0-26磅/平方英寸，6英寸分辨率對應的傳感器準確度為±0.26磅/平方英寸，即±1%。使用波紋面的壓力膜，靈敏度與線性度可進一步得到改善11。當壓力罐密封加壓時，液位測量變得復雜一些。此時，液位測量系統需要兩個壓力傳感器，一個安裝在雄上部測量密封壓力P1，另一個安裝在罐低部測量液體靜壓力和密封壓力之和P1+P2，如圖10-8個壓力傳感器測量的差值P2，對應著液位的高度。這種原理存在的問題是，如果密封罐壓力較高時，壓力測量的較

11、小誤差可導致液位測量的較大誤差。4.4液位反射式液位傳感器液位反射技術利用光線在液體表面反射測量液位12。對于一個入射光束，當其接觸到液位時，反射光的位置是液位的函數，如圖10-9所示。使用光纖能夠把電子器件，如光源、光電二極管等置于遠離測量的區域。在測量范圍很大或要得到很高靈敏度時，這種方法將導致成本增加，這是因為要使用更多的光纖和器件。然而，對于腐蝕性液體與高溫液體的液位，不可能采用接觸測量時，這種方法具有獨到的優點。例如:這種方法可以在貯罐中測量溶化玻璃的液位。如果光源采用脈沖調制，最好采用紅外線，這樣從溶化玻璃反射的調制脈沖信號被檢測，周圍環境光不產生影響。溶化的玻璃具有較高粘度與光滑

12、平面，表面反射率較高。4.5 折射率改變式液位傳感器這種技術由光傳輸到棱鏡端面并產生反射后而使傳感器工作。棱鏡探頭通常是石英制成，折射率為1. 46。在空氣介質中時，棱鏡作用好比光纖芯，空氣好比外包層。棱鏡端面加工的形狀可促使入射光線產生反射，反射光由光電器件檢測。當不存在液體時，在棱鏡探頭端面產生全部內部反射。當存在著液體時，光線不能產生全部內部反射，一部分光經過折射后進入液體。兩種情況下，接收光強產生差異，從而達到檢測液位效果，該探頭結構如圖10-10所示13。圖10-11中給出了傳感器結構，除了棱鏡探頭以外，采用了傳輸與接收兩根光纖。當采用低損光纖時，該傳感器可用于遠程控制14。該類傳感

13、器屬于“點”傳感器，用于高低液位檢測非常理想，也可用于泄漏檢測，因為僅需很少一點液體就能使傳感器輸出狀態切換。當檢測不同液位高度時，必須采用多個不同長度的傳感器。采用折射率改變的原理，也可以將光纖去除外包層，彎成'U”字形狀探頭，浸入液體后可檢測液位的高度15。因為“U”形探頭浸入液體后，將導致光折射率變化.損失了一部分光，從而使輸出光強減弱，該探頭結鉤如圖10-12所示。上述的傳感器都屬于數字應用，即:檢測液位的有或無。然而，由于改變折射率原理在本質上是模擬的，所以傳感器輸出也是液體折射率的函數。該類傳感器也可以用來區分液體。5. 光纖液位傳感器的具體應用5.1 UQG-光纖液位傳感

14、器UQG-型光纖液位計16，它采用了隔離式模塊化結構，適用于一般常壓儲罐和壓力儲罐。壓力式儲罐的介質壓力，是采用導桿隔離的，其液位信號是通過套在導桿上的浮球送出，浮球上安裝有磁性物體經磁偶合，傳遞給導桿內的偶合頭，再經鋼絲繩傳遞給光纖傳感器，實現液位的檢測。有些儲罐介質溫度很低，導桿內的空氣易產生冷凝沉積，偶合頭容易結凍，不能有效的跟蹤液位的變化，為此，UQG-型光纖液位計設計成隔離式密封結構，隔絕了空氣交換。采用防水罩保護傳感器，光纜采用FC式直插接頭，使光柵檢測系統可以不受被測介質霧化氣氛的污染，保護了光纖檢測傳感器。UQG-型光纖液位計根據巡視、檢修、液位設置、斷電封罐的需要，還備有現場

15、指針式油位位置顯示表，油罐可以在長期無電封的情況下，指示油罐內的液位，還可以為儀表校準液位值提供直接數據，免去人工檢尺的麻煩。UQG-型光纖液位計是根據力平衡原理測量儲罐液位的儀表。它由浮球、光纖傳感器、力平衡傳動機構、光電變換器、光纜及智能式數顯表等所組成。其工作原理簡述如下：在力平衡機構的作用下，浮球把感測到的液位的變化量，通過鋼絲繩傳遞給測量裝置內的磁偶合器，在磁偶合器的作用下使隔離的光纖傳感器感受到位移的變化量，并通過光纖送出光信號給光電變換器變換成電信號給智能式數顯示液位，智能式數顯表可以根據用戶的要求實現聲光報警，實現液位的檢測與控制。UQG-型光纖液位計由于具有體積小、重量輕、模

16、塊化、與被測介質隔離、現場顯示、數據記憶等特點，所以安裝、維修都很方便，深受用戶歡迎。 5.2 GXY-B型光纖傳感液位報警器GXY-B型光纖傳感液位報警器運用光折射原理，采用紅外光為檢測光源，以光纖作為敏感單元及信號傳輸載體，可在0.1mm液位變化條件下，觸發信號輸出，具有極高的靈敏度。光纖將檢測到的信號傳輸到容器外進行光電轉換及信號處理后輸出顯示、控制、報警標準信號17。檢測傳感部分采用無電檢測技術，具有“本質安全型”防爆特性。在易燃易爆、強腐蝕、高溫、高壓等危險和惡劣環境中使用，具有精度高、安全可靠、性能穩定、抗干擾、耐腐蝕、使用壽命長、安裝簡便、維護簡單等優點，適合各類潔凈低粘度液體液

17、位的測控及報警溢罐和/或空罐現象；可廣泛用于化工、石油化工、化纖、化肥、食品、醫藥、運輸及軍工等行業生產、儲存及運輸過程中多種液體貯罐、貯槽及各種反應釜的水、油、化學試劑及酸、堿和腐蝕液等液體關鍵點分立液位的高精度測控及液位高位和/或低位報警控制,是目前世界上先進的界面測控報警儀表之一。6. 結語總的看來, 各類光纖液位傳液位感器的結構和制作過程簡單, 并且沒有使用復雜的光學器件, 一般都采用通過測量光功率的變化來間接提取液位信息。由于在光纖測量技術中, 光功率的測量技術發展得最完善, 其原理簡單、器件造價最低, 因而光纖液位傳感器價格準致兼。性能穩定。光纖液位傳感器也有不完善之處; 目前世界

18、上還沒有一個精度高、測量范圍廣、造價低、長期使用重復性好的光纖液位傳感器。它不能探測污濁液體以及會粘附在探頭表面的粘稠物質, 在這一方面還有待于進一步的發展18。參考文獻1 黃燕平，裴 麗，簡水生，光纖液位傳感器綜述，光通信技術，Vol.19 No.2，1994.2 黃燕平，裴 麗，簡水生，光纖液位傳感器綜述，光通信技術，Vol.19 No.2，1994.3 根本俊雄著.張克立譯.光纖在側量上的應用.應用物理.1980.4 chappel.R.E, and ilallash.R.T，Fiber Optics Used for Reliable Drum Water level Indicati

19、on. Engineering Conference一TAPPI Proceedings PP313-317. 1983.5 羅世升.光導纖維反射式光電檢出方式.鐵道學報.1985. 7 (2).6 諸偎肇著.陳宗奎譯.光導纖維與計洲和控制，1980.7 Cho,C.H，Measurement and control of Liquid Ievel, ISA, Research Triangle Park. 1982.8 Gillum, D.R，lndustrilal Level Measurement, ISA. ResearchTriangle Park. 1984.9 根本俊雄著.張克立譯.光纖在側量上的應用.應用物理.1980.10 John. Jr.，R. S. Fiber Optic Liquid Level a