光纖傳感器在測量技術(shù)中的應用(光纖液位傳感器原理)

摘要：本文主要介紹由光纖傳感器與基于 CAN總線網(wǎng)絡組成本的油庫油罐液位、溫度信號實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案，由此分析出光纖傳感器在測量技術(shù)中的應用以及光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器佳結(jié)構(gòu)特點與使用。

1、 前言 -光纖傳感器與測量技術(shù)是儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向

由于光纖傳感器及技術(shù)具有較其它傳感器無法比擬的特點，所以近幾年來，光纖傳感器與測量技術(shù)發(fā)展成為儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向，而新型光纖傳感器不外乎有以下特點：

* 光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗很小，目前損耗能達到≤0.2 dB/km的水平。

* 光纖傳感器頻帶寬，可進行超高速測量，靈敏度和線性度好。

* 光纖傳感器體積很小，重量輕，能在惡劣環(huán)境下進行非接觸式、非破壞性以及遠距離測量。

還具有靈敏度高、可靠性好、原材料硅資源韋富、抗電磁干擾，抗腐蝕、耐高壓、電絕緣性能好、可繞曲、防爆、頻帶寬、損耗低等特點。同時，它還便于與計算機相連，實現(xiàn)智能化和遠距離監(jiān)控。對傳統(tǒng)的傳感器起到擴展提高的作用，不少情況下能夠完成前者很難完成甚至不能完成的仟務。

正是由于光纖傳感器具有許多獨特優(yōu)勢，可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無法解決的問題， 故自從它問世以來，就被廣泛應用于醫(yī)療、交通、電力、機械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各個領(lǐng)域。值此，將討論光纖傳感器在石油化工領(lǐng)域應用，即油庫油罐液位、溫度信號實時監(jiān)測系統(tǒng)中的設計方案(見圖0所示)。正因該監(jiān)測系統(tǒng)應用了光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器.為此先對此有關(guān)的光纖傳感器技術(shù)作一介紹。

2、光纖傳感器組成與類型

光纖傳感器一般是由光源、接口、光導纖維、光調(diào)制機構(gòu)、光電探測器和信號處理系統(tǒng)等部分組成。來自光源的光線，通過接口進入光纖，然后將檢測的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微處理器進行信息處理。概括光纖傳感器一般由三部分組成，除光纖之外，還必須有光源和光探測器兩個重要部件，見圖 1所示 。

光纖傳感器一般分為兩大類：一類是傳光型，也稱非功能型光纖傳感器；另一類是傳感型，或稱為功能型光纖傳感器。前者多數(shù)使用多模光纖，以傳輸更多的光量；而傳感型光纖傳感器，是利用被測對象調(diào)制或改變光纖的特性，所以只能用單模光纖。

3、測量用的光纖傳感技術(shù)

3.1光纖溫度傳感器-傳光型光纖溫度傳感器

位圖 2(a) 為半導體吸光型 (傳光型)光纖溫度傳感器示意圖。將一根切斷的光導纖維裝在細鋼管內(nèi)，光纖兩端面間夾有一塊半導體感溫薄片(如GaAs或InP)，這種半導體感溫薄片透射光強隨被測溫度而變化。因此，當光纖一端輸入一恒定光強的光時，由于半導體感溫薄片透射能力隨溫度變化，光纖另一端接收元件所接受的光強也隨被測溫度而改變。于是通過測量光探測器輸出的電量，便能遙測到感溫探頭2(b)處的溫度。

探頭中，半導體材料的透過率與溫度的特性曲線如圖 2(c)所示，當溫度升高時，其透過率曲線向長波長方向移動。顯然，半導體材料的吸收率與其禁帶寬度Eg有關(guān)，禁帶寬度又隨溫度而變化，多數(shù)半導體材料的禁帶寬度Eg隨溫度丁的升高幾乎線性地減小，對應于半導體的透過率特性曲線邊沿的波長λg隨溫度升高向長波方向位移。當一個輻射光譜與λg相一致的光源發(fā)出的光，通過此半導體時，其透射光的強度隨溫度丁的升高而減少。那何為傳光型光纖傳感器？

傳光型光纖傳感器中的光纖僅作為傳輸光的介質(zhì)，只起傳輸光波的作用，對外界信息的“感覺”功能是依靠其它物質(zhì)的敏感元件來完成的，因此必須在光纖端面或中間加裝其它敏感元件才能構(gòu)成傳感器。這樣，傳感器中的光纖中間是中斷的、不連續(xù)的，中斷部分要接上其它介質(zhì)的敏感元件，如圖 1所示。

調(diào)制器是敏感元件，置于入射光纖和接收光纖之間，在被測對象的作用下，使敏感元件的光路遮斷或使敏感元件的光穿透率發(fā)生變化，這樣，光探測器所接收的光量便成為被測對象調(diào)制后的信號，經(jīng)放大、解凋后，就可得到被測對象。

3.2光纖液位傳感器

基于全內(nèi)反射原理，可以設計成光纖液位傳感器。光纖液位傳感器由以下三部分組成：

*接觸液體后光反射量的檢測器件即光敏感元件；

*傳輸光信號的雙芯光纖；

*發(fā)光、受光和信號處理的接收裝置。

圖 3(a)所示為光纖液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)。這種傳感器的敏感元件和傳輸信號的光纖均由玻璃纖維構(gòu)成，故有絕緣性能好和抗電磁噪聲等優(yōu)點。

光纖液位傳感器的工作原理如圖 3(b)所示。發(fā)光器件射出來的光通過傳輸光纖送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透過，而其余的光被反射回來。當敏感元件與液體相接觸時，與空氣接觸相比，球面部的光透射量增大，而反射量減少。因此，由反射光量即可知道敏感元件是否接觸液體。反射光量決定于敏感元件玻璃的折射率和被測定物質(zhì)的折射率。被測物質(zhì)的折射率越大，反射光量越小。來自敏感元件的反射光，通過傳輸光纖由受光器件的光電晶體管進行光電轉(zhuǎn)換后輸出。敏感元件的反射光量的變化，若以空氣的光量為基準，在水中則為-6-—7dB，在油中為-25—30dB。可對反射光量差別很大的水和油等進行物質(zhì)判別。

用微光檢測液位的光纖液位傳感器有如下特點：

*能用于易燃、易爆物等設施中；

*敏感元件的尺寸小，可用于檢測微量液體；

*從檢測液體開始到檢測信號輸出為止的響應時間短；

*敏感元件是玻璃的，故有抗化學腐蝕性；

*能檢測兩種(油、水等)液體界面：

*價格低廉。

在實際應用中應注意，光纖液面?zhèn)鞲衅鞑灰擞糜跈z測粘附在敏感元件玻璃表面的物質(zhì)。如何檢測液位？

在裝有液體的槽內(nèi)。將敏感元件安裝在液面下預定檢測的高度。當液面低于這一高度時，從敏感元件產(chǎn)生的反射光量就增加，根據(jù)這時，發(fā)生的信號就能檢測出液面位置。若在不同高度安裝敏感元件，則可檢測液面的高度。

4、光纖傳感器與基于CAN總線網(wǎng)絡組成的油庫油罐的液位、溫度信號實時監(jiān)測系統(tǒng)設計方案。

4.1監(jiān)測系統(tǒng)組成。

圖 0所示可知，監(jiān)測系統(tǒng)分別由中央控制式的中央監(jiān)控單元和現(xiàn)埸采集單元(或數(shù)據(jù)采集單元)組成。現(xiàn)埸采集單元對油罐的液位、溫度信號進行數(shù)據(jù)的實時采集，同時完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計、存貯；中央監(jiān)控單元可以定期或不定期地從現(xiàn)埸采集單元獲取數(shù)據(jù)并完成圖像監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、報表、打印及數(shù)據(jù)庫管理。而中央監(jiān)控單元和現(xiàn)埸采集單元之間通過CAN總線連接在一起，在這個網(wǎng)絡中，中央監(jiān)控單元處于主控位置，而現(xiàn)埸采集單元可以隨時響應中央監(jiān)控單元的命令。其現(xiàn)埸采集單元由單片機8C552及采集、存儲、顯示、遙控和通信模塊組成，每個現(xiàn)埸采集單元可與光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器等16個設備相接。之所以應用CAN總線網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是內(nèi)由于CAN網(wǎng)絡具有的方便靈活、突出特性，抗干擾性、可靠性、實時性等特點。所有的光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器都可以通過一對雙絞線串接在一起，節(jié)省了空間、簡化了布線。

4.2關(guān)于數(shù)據(jù)采集

4.21油罐液位信號的檢測采用光纖液位計。光纖液位計應用于油田油庫處理，主要是依靠光纖本身的某些傳感功能和光傳輸信息的特征：

*可以實現(xiàn)非接觸槍測，對被測對象無干擾、無污染；

*實現(xiàn)非電檢測，本質(zhì)安全，防爆，解決了石油、石化等易燃易爆危險場合多種參量的安全檢測和生產(chǎn)過程；

*具有高精度、高絕緣性，抗電磁干擾、抗雷電干擾。

4.22采用光纖溫度傳感器(或光纖光柵溫度傳感器更好，但成本高)，適用于各種惡劣環(huán)境的溫度測量，測量精度高，本身安全防爆，可靠性好、靈敏度高，是理想的一種溫度測量儀。工作時，光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光，經(jīng)傳輸光纜傳送量現(xiàn)場，感溫探頭內(nèi)測量光柵對該寬帶光有選擇性地反射附一窄帶光，經(jīng)同一傳輸光纜傳送到調(diào)制解調(diào)器，通過接收系統(tǒng)進行解調(diào)，測定窄帶光的中心波長，從而測定現(xiàn)場溫度。

4.23采用光纖液位報警器，該光纖液位報警器是根據(jù)光折射和反射原理，研制而成的定點液位檢測儀器，適用液位定點檢測和控制，耐高壓，抗污染、安全方便、使用壽命長。

關(guān)于軟件，其操作系統(tǒng)可采用 Windows糸列平臺；監(jiān)測軟件可用組態(tài)監(jiān)控軟件。

該監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)自動監(jiān)測、顯示、報警、打印等功能，為油庫罐區(qū)的現(xiàn)代化管理打下了基礎(chǔ)。系統(tǒng)人機對話方便簡潔，系統(tǒng)構(gòu)成靈活易擴展，系統(tǒng)可靠性高，應該說系統(tǒng)可靠性高，具有較好的推廣價值。

充分應用 CAN網(wǎng)絡和光纖傳感器的特點，可以將整個系統(tǒng)的擴展-遠程油庫油罐的液位、溫度信號實時監(jiān)測系統(tǒng)。

5、結(jié)束語

因為光纖傳感器與測量技術(shù)是當今儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向，其測量用的光纖傳感器有很多種類，有很多種工作方式。要仔細地考慮項目的具體的應用要求，作好選擇。

參考文獻

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2.何道青 編著 <<傳感器與傳感器技術(shù)>> 科學出版社 2004年8月1日出版.

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