王雁茹，周雨萌，趙春柳，時(shí)菲菲

(中國計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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基于FBG軸向拉力的液位測量傳感器

王雁茹，周雨萌，趙春柳，時(shí)菲菲

(中國計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州 310018)

【摘要】根據(jù)光纖布喇格光柵(fiber Bragg grating, FBG)的傳感原理，提出了一種基于波紋管結(jié)構(gòu)的FBG液位傳感器，利用補(bǔ)償FBG (FBG1)與液位FBG(FBG2)具有相同的溫度靈敏度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，將FBG2固定在波紋管內(nèi)，液壓產(chǎn)生的張力可以使波紋管的自由端產(chǎn)生位移，從而使固定在里面的FBG2產(chǎn)生軸向應(yīng)變進(jìn)而影響布喇格中心波長的改變.通過布喇格中心波長的改變來監(jiān)測液位的變化，在40～340 mm的液位變化范圍內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究.結(jié)果表明，光纖布喇格光柵中心反射波長漂移對液位呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，線性擬合度大于0.998，靈敏度為15.7 pm/cm，理論測量范圍可達(dá)到3 m.說明通過改變波紋管的波紋數(shù)目和其他參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對傳感器測量范圍和靈敏度的調(diào)整，以滿足各種應(yīng)用場合.

【關(guān)鍵詞】液位傳感器；光纖布喇格光柵；波紋管；溫度補(bǔ)償

液位傳感器是一種檢測容器內(nèi)液體高度信息的儀器，在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，尤其在石油化工、冶金、核電等行業(yè)的生產(chǎn)過程中經(jīng)常需要檢測儲(chǔ)油罐或儲(chǔ)液罐內(nèi)的液位. 一些基于電子式、超聲波、機(jī)械浮子式[1-4]的液位傳感器已被提出，由于所測量液體種類繁多，物理化學(xué)性質(zhì)各不相同，這些大都屬于電類的傳感器在強(qiáng)酸強(qiáng)堿、腐蝕性、甚至是強(qiáng)放射性環(huán)境中使用時(shí)存在很大安全隱患. 而光纖由于其本身的絕緣性，被廣泛地應(yīng)用于液位傳感器的研究，其中光纖布喇格光柵(FBG)是近年來發(fā)展最為迅速的一種光無源傳感器件，被應(yīng)用于許多傳感領(lǐng)域[5]. 目前多種基于不同結(jié)構(gòu)的光纖液位傳感器被研究[6-7]，Yun等人提出了一種基于側(cè)面拋磨FBG的液位傳感器[8]，可測量的液位高度變化為24 mm. Guo等人提出了一種基于懸梁臂結(jié)構(gòu)的光纖布喇格光柵液位傳感器[9]，測量范圍為500 mm，但是傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜.為擴(kuò)大測量范圍并使傳感器結(jié)構(gòu)簡單，本文提出了一種基于波紋管結(jié)構(gòu)的光纖布喇格光柵液位傳感器，將FBG固定在波紋管內(nèi)，液壓產(chǎn)生的張力可以使波紋管的自由端產(chǎn)生位移，從而使固定在里面的FBG產(chǎn)生軸向應(yīng)變進(jìn)而影響布喇格中心波長的改變. 通過布喇格中心波長的改變來監(jiān)測液位的變化，傳感器的靈敏度達(dá)15.7 pm/cm，線性度達(dá)0.998，理論測量范圍可達(dá)3 m. 能實(shí)現(xiàn)對液位的實(shí)時(shí)、連續(xù)測量并具有較好的重復(fù)性，可以推廣應(yīng)用于油罐液位檢測等工程領(lǐng)域.

1傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

1.1FBG傳感原理

當(dāng)一束寬光譜進(jìn)入FBG時(shí)，根據(jù)耦合模理論[10]，滿足布喇格條件波長將發(fā)生反射，反射光中心波長λB滿足方程

λB=2neff·Λ.

(1)

式中：neff為光纖纖芯對自由空間中心波長的折射率；Λ為光柵的周期. 溫度和應(yīng)變都能引起光柵周期和纖芯折射率的變化，當(dāng)應(yīng)變?chǔ)藕蜏囟圈同時(shí)作用在FBG上時(shí)，有[11]

ΔλB/λB=(1-pe)ε+αΛ+αnΔT.

(2)

式中：pe表示FBG材料的有效彈光系數(shù)；ε表示軸向所受應(yīng)力；αΛ和αn分別表示FBG材料的熱膨脹系數(shù)和熱光系數(shù).

1.2傳感器結(jié)構(gòu)與原理

傳感頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1(a)，整個(gè)傳感頭由硬質(zhì)外殼封裝，波紋管底部密封，上部與外殼頂部連接固定，且連接處有開口，液體能通過進(jìn)液孔流入波紋管內(nèi).另外，外殼與外界有導(dǎo)氣管相連，測量時(shí)可保持外殼內(nèi)氣壓始終與外界大氣壓保持一致. Y形耦合器兩分支各有一根FBG，F(xiàn)BG2上下端分別與外殼頂部和波紋管底部連接固定，F(xiàn)BG1則置于外殼內(nèi)，其所在環(huán)境溫度和靈敏度均與FBG2保持一致，用于溫度補(bǔ)償. 測量時(shí)，需將整個(gè)傳感器固定在容器底部，兩根FBG通過光纖引出并輸入到解調(diào)設(shè)備中. 當(dāng)整個(gè)傳感器浸入液體中時(shí)，液體通過進(jìn)液孔流入波紋管中，波紋管側(cè)面所受液體壓力相互抵消，整體受到的液體的壓力影響波紋管的拉伸從而使FBG2受到軸向拉力.將波紋管底蓋中心作為受力點(diǎn)進(jìn)行受力分析如圖1(b)，波紋管在豎直方向上受到豎直向下的液體壓力FP和波紋管及FBG自重G，以及豎直向上的大氣壓力FA、FBG及波紋管的彈力F，從而產(chǎn)生豎直方向上的應(yīng)變，帶動(dòng)FBG2產(chǎn)生軸向應(yīng)力，使得布拉格波長發(fā)生漂移，故而可以通過檢測中心波長的變化來檢測液體的高度.

圖1　傳感頭示意圖 Figure 1　Schematic diagram of sensor head

當(dāng)溫度和液位同時(shí)改變時(shí)，F(xiàn)BG2中心反射波長的改變量Δλ2為

Δλ2=ΔλL+ΔλT.

(3)

式中：ΔλL和ΔλT分別表示由液位變化和溫度變化所引起的中心波長的改變量. 而FBG1不受液位變化的影響，其中心波長的改變量Δλ1為

Δλ1=ΔλT.

(4)

溫度和液位同時(shí)變化時(shí)，因FBG1和FBG2具有相同的溫度靈敏度，所以它們由溫度變化所引起的布喇格中心波長的漂移量相同，消除溫度的影響，F(xiàn)BG2由液位變化所引起的布喇格中心波長的變化為

ΔλL=Δλ2-Δλ1.

(5)

消除溫度影響后，由應(yīng)力引起的布喇格反射中心波長的變化有

ΔλB/λB(1-pe)ε.

(6)

溫度一定時(shí)，波紋管自由端的移動(dòng)量與液壓的關(guān)系式為

(7)

式中：Cc是與波紋管幾何參數(shù)有關(guān)的修正系數(shù)；n是波紋管波紋數(shù)目；P=ρgh，其中ρ是液體密度，g是重力加速度，h是液面高度；Aeq=π(R1+R2)2/4波紋管管殼的等效面積，R1、R2分別為波紋管的內(nèi)徑與外徑；μ、E分別為材料的彈性模量和泊松比；r為波紋管的壁厚.

光纖的軸向應(yīng)變等于軸向改變量且與其長度D之比為

ε=Δx/D.

(8)

式(7)和(8)聯(lián)立可得

ΔλB/λB=η·h.

(9)

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如圖2，由寬帶光源(broad band sourse, BBS)發(fā)

出的光，經(jīng)過1端口進(jìn)入光環(huán)行器，從2端口輸出的光經(jīng)Y形耦合器分成兩路，一路入射到FBG1，另一路入射到FBG2，發(fā)生反射后再經(jīng)過Y形耦合器到達(dá)2端口，然后從3端口傳到光譜儀(optical spectrum analyzer, OSA, YOKOGAWA735301)中，由此檢測FBG1和FBG2反射中心波長的漂移量，液位采用量程為100 cm、精確度為1 mm的鋼直尺進(jìn)行監(jiān)測，整個(gè)傳感器頭的高度為4 cm.

圖2　實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Figure 2　Schematic diagram of experimental apparatus

實(shí)驗(yàn)所用FBG1和FBG2，室溫下空載時(shí)的反射譜如圖3，布喇格中心反射波長分別為1 534.89 nm 和1 546.83 nm.

圖3　FBG1和 FBG2的反射譜 Figure 3　Reflection spectra of FBG1 and FBG2

圖4　溫度改變時(shí)，F(xiàn)BG的反射譜和溫度靈敏度Figure 4　Reflection spectra and the relationships between the peak wavelength and temperature of the FBGs immersed in water with temperature changes

液位固定為40 mm時(shí)， FBG1和FBG2在液體溫度為20～100 ℃時(shí)的反射譜如圖4(a)，可知，在溫度升高時(shí)，F(xiàn)BG1和FBG2的中心反射波長同時(shí)向長波方向移動(dòng)，波形基本保持不變. FBG1和FBG2中心波長隨溫度的變化曲線圖4(b)，可知FBG1由溫度T所引起的中心反射波長的變化量λB1T為

λB1T=0.012 37·T+1 534.78.

(10)

FBG2由溫度所引起的中心反射波長的改變量λB1T為

λB2T=0.012 37·T+1 546.49.

(11)

由式(10)和(11)可知，F(xiàn)BG1和FBG2具有相同的溫度靈敏度，滿足實(shí)驗(yàn)要求.

圖5　液位改變時(shí)，F(xiàn)BG2的反射譜和布喇格中心波長與液位的關(guān)系曲線 Figure 5　 Reflection spectra of FBG2 with liquid-level changes and the relationship between the peak wavelength and liquid-level

當(dāng)溫度和液位同時(shí)改變時(shí)，根據(jù)上文理論分析，根據(jù)式(3)(4)(5)消除溫度影響后，液位每改變2 cm時(shí)FBG2的反射譜如圖5(a).由圖可以看出，當(dāng)液位上升時(shí)，中心波長向長波方向移動(dòng)，當(dāng)液位改變量為300 mm時(shí)，中心波長漂移量大約為0.5 nm. 理論上，F(xiàn)BG中心反射波長在應(yīng)力影響下的波長漂移量可達(dá)5 nm，所以該傳感器的液位測量范圍可達(dá)3 m. FBG2中心反射波長隨液位變化關(guān)系如圖5(b)，關(guān)系式為

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長的改變量；h為液面高度.可知，液位傳感器的靈敏度為15.7 pm/cm，線性度在0.998以上. 由式(6)知，可通過增加波紋管波紋數(shù)目、減小波紋管壁厚等措施來提高靈敏度.

3結(jié)論

基于波紋管結(jié)構(gòu)的FBG液位傳感器，用補(bǔ)償FBG與液位FBG具有相同的溫度靈敏度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，將FBG固定在波紋管內(nèi)，液壓產(chǎn)生的張力可以使波紋管的自由端產(chǎn)生位移，從而使固定在里面的FBG產(chǎn)生軸向應(yīng)變進(jìn)而影響布喇格中心波長的改變. 由此將液位與FBG反射波長聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)了用FBG對液位進(jìn)行測量的目的. 傳感器的靈敏度達(dá)到了15.7 pm/cm，線性度達(dá)到了0.998，理論測量范圍可達(dá)3 m. 能實(shí)現(xiàn)對液位的實(shí)時(shí)、連續(xù)測量并具有較好的重復(fù)性，可以推廣應(yīng)用于油罐液位檢測等工程領(lǐng)域.

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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

【文章編號(hào)】1004-1540(2015)01-0023-05

DOI:10.3969/j.issn.1004-1540.2016.01.004

【收稿日期】2015-09-29《中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

【基金項(xiàng)目】浙江省國際科技合作專項(xiàng)基金資助項(xiàng)目(No. 2013C24018).

【作者簡介】王雁茹(1991-)，女，山東省聊城人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù).E-mail:1048016884@qq.com

【中圖分類號(hào)】TN253

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

通信聯(lián)系人：趙春柳，女，教授.E-mail: clzhao@cjlu.edu.cn