孫宇丹，張曉雨，劉 強(qiáng)，劉懿瑩，劉 超，李 騫，劉擎鈺，牟海維

(1.東北石油大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，黑龍江大慶 163318；2.大慶師范學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江大慶 163712；3.東北石油大學(xué)黑龍江省高校校企共建測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器儀表研發(fā)中心，黑龍江大慶 163318)

0 引言

液位測(cè)量方法從早期的人工檢尺法[1]到現(xiàn)在的HTG法[2]、壓差式檢測(cè)法[3-4]、電容法[5-6]、超聲波檢測(cè)法[7-8]等，不斷發(fā)展變化。在液位測(cè)量中，人工檢尺法、HTG法、超聲波檢測(cè)法測(cè)量精度較低，具有較大的測(cè)量誤差。壓差式檢測(cè)法具有成本低、量程大、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)測(cè)量溶液要求較高。電容法測(cè)量液位時(shí)綜合指標(biāo)較好，但信號(hào)處理相對(duì)困難。相比于傳統(tǒng)的液位傳感器，光纖光柵液位傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于化學(xué)、食品、自動(dòng)化工業(yè)生產(chǎn)及具有潛在危險(xiǎn)的環(huán)境中。其中傾斜光纖布拉格光柵(TFBG)為短周期光纖光柵中的一種，其光柵平面與光纖軸有一定的傾斜角，極大的增強(qiáng)了包層模的耦合強(qiáng)度，對(duì)外界環(huán)境高度敏感[9]。并且在液位測(cè)量中可保持光纖結(jié)構(gòu)及機(jī)械強(qiáng)度的完整性，對(duì)溫度有較低的交叉敏感性。因此，科研人員開始嘗試將TFBG用于液位測(cè)量，T.Osuch采用TFBG對(duì)石蠟油溶液進(jìn)行測(cè)量[10]，利用纖芯模波長(zhǎng)的漂移量與包層模透射譜幅值的變化量實(shí)現(xiàn)溫度與液位的同時(shí)測(cè)量。為提高液位測(cè)量量程，蔣奇采用TFBG串聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)油位的監(jiān)測(cè)[11]。

然而，上述實(shí)驗(yàn)僅測(cè)量了單一溶液，并未給出待測(cè)介質(zhì)折射率對(duì)液位測(cè)量結(jié)果的影響。為進(jìn)一步分析溶液折射率對(duì)TFBG液位測(cè)量的影響，本文首先采用OptiGrating軟件仿真了傾斜光纖光柵透射譜隨外界折射率的變化規(guī)律，并搭建傾斜光纖光柵液位測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置，針對(duì)5種不同折射率的甘油溶液進(jìn)行液位測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溶液液位的升高，傾斜光纖光柵包層模透射譜幅值逐漸減小，導(dǎo)致包層模歸一化面積減小，可利用包層模歸一化面積實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量。同時(shí)，在溶液折射率為1.408～1.436的范圍內(nèi)，隨著溶液折射率的升高，液位測(cè)量靈敏度增加。因此，在應(yīng)用過(guò)程中需針對(duì)待測(cè)溶液的折射率對(duì)液位測(cè)量靈敏度進(jìn)行標(biāo)定。

1 基本原理

TFBG的結(jié)構(gòu)如圖1所示，光柵面傾角為θ，沿光纖軸向的柵格周期為Λ。對(duì)于小角度傾斜光纖光柵，前向傳輸?shù)娜肷涔獬糠譂M足布拉格條件耦合成后向傳輸?shù)睦w芯模外，還耦合成后向傳輸?shù)陌鼘幽?。其布拉格波長(zhǎng)λB和第i階包層模諧振波長(zhǎng)λi的表達(dá)式為[12]：

(1)

(2)

式中：ncore、ni分別為纖芯和第i階包層模的有效折射率；Λ為沿纖芯方向柵格的周期。

圖1 TFBG結(jié)構(gòu)圖

由式(1)和式(2)可知，當(dāng)TFBG的外界環(huán)境折射率發(fā)生變化時(shí)，纖芯內(nèi)傳輸?shù)睦w芯模不受外界折射率的影響，故布拉格諧振峰中心波長(zhǎng)不會(huì)發(fā)生變化，而在光纖包層傳輸?shù)陌鼘幽Ｓ行д凵渎蕁i將發(fā)生改變，導(dǎo)致包層模諧振峰波長(zhǎng)發(fā)生漂移。

同時(shí)當(dāng)外界環(huán)境溫度T發(fā)生變化時(shí)，由于熱膨脹效應(yīng)及熱光效應(yīng)，TFBG的光柵周期Λ、纖芯及包層的有效折射率ncore、ni均發(fā)生變化，其布拉格波長(zhǎng)變化量ΔλB和第i階包層模諧振波長(zhǎng)變化量Δλi隨溫度變化的表達(dá)式為：

ΔλB=λB(α+β)ΔT

(3)

Δλi=λi(Ai+β)ΔT

(4)

式中：α為纖芯材料的熱光系數(shù)；β為纖芯材料的熱膨脹系數(shù)；Ai為第i階包層模的熱光系數(shù)。

當(dāng)外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，TFBG透射譜各諧振峰中心波長(zhǎng)均會(huì)發(fā)生偏移，包層模諧振峰中心波長(zhǎng)的偏移量與階數(shù)有關(guān)，因此，可利用TFBG的布拉格波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

采用OptiGrating軟件仿真了待測(cè)介質(zhì)折射率對(duì)TFBG透射譜的影響。當(dāng)TFBG的傾斜角θ=3.5°，纖芯半徑為4.1 μm，包層半徑為62.5 μm，纖芯折射率為1.468 1，包層折射率為1.463 0，中心波長(zhǎng)為1.560 μm，溫度為25 ℃，介質(zhì)折射率分別為1.408、1.414、1.422、1.429、1.436、1.444時(shí)，仿真結(jié)果如圖2(a)所示。由圖2(a)可知，當(dāng)待測(cè)介質(zhì)折射率發(fā)生變化時(shí)，纖芯模不受外界折射率的影響，其中心波長(zhǎng)無(wú)變化。而包層模的幅度和波長(zhǎng)均受介質(zhì)折射率的影響，圖2(b)以TFBG透射譜的包層模LP(0,4)、LP(0,7)、LP(0,10)和LP(0,13)為例給出其峰值隨折射率的變化曲線，從圖2(b)可以看出，隨著介質(zhì)折射率的增加，各階包層模諧振峰的透射譜幅值不斷減小，并且高階包層模的透射譜幅值變化更顯著。待測(cè)介質(zhì)折射率對(duì)包層模透射譜峰值具有顯著的影響，因此采用TFBG測(cè)量液位時(shí)必須考慮待測(cè)介質(zhì)折射率對(duì)液位測(cè)量結(jié)果的影響。

(a)TFBG透射譜與外界折射率變化關(guān)系

(b)包層模透射譜幅值與外界折射率的變化關(guān)系圖2 TFBG透射譜的仿真結(jié)果

圖3 包層模峰值波長(zhǎng)漂移量與溫度的變化關(guān)系

采用上述TFBG參數(shù)仿真了外界介質(zhì)折射率為1.33時(shí)，溫度對(duì)TFBG透射譜的影響，結(jié)果表明溫度變化不會(huì)影響透射譜的峰值，僅使各階包層模諧振峰產(chǎn)生紅移，圖3給出TFBG的纖芯模LP(0,1)及包層模LP(0,4)、LP(0,7)、LP(0,10)、LP(0,13)諧振峰值波長(zhǎng)隨溫度的變化曲線，由此可見，可采用纖芯模諧振峰的波長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量。

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)采用甘油作為待測(cè)介質(zhì)，首先配置了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～80%的甘油溶液，并采用阿貝折射儀測(cè)試了不同濃度甘油溶液的折射率，測(cè)量結(jié)果如表1所示?？梢?，高濃度的甘油溶液折射率貼近光纖包層折射率，根據(jù)TFBG的基本理論，當(dāng)外界環(huán)境折射率大于等于包層折射率時(shí)，各階包層模將全部成為輻射模消失，無(wú)法實(shí)現(xiàn)液位測(cè)量。因此，實(shí)驗(yàn)僅配置了折射率為1.408～1.436的甘油溶液。

表1 不同濃度甘油溶液的折射率

實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示，采用ASE寬譜光源，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)度為12 mm的TFBG，采用分辨率為0.02 nm的光譜分析儀AQ6370D測(cè)試其透射光譜。將TFBG垂直置于被測(cè)的溶液中，利用量程為1 mL的注射器向容器中注射液體，通過(guò)每次滴入的溶液體積計(jì)算液面上升高度。初始液面處于A點(diǎn)位置，隨后采用微量注射器每次向容器內(nèi)注入0.4 mL溶液，從而保證每次液位升高量保持一致。當(dāng)液位高度到達(dá)B點(diǎn)時(shí)，測(cè)量結(jié)束。圖5給出濃度為80%的甘油溶液在不同液位時(shí)的TFBG透射譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明隨著液位的升高，布拉格諧振峰中心波長(zhǎng)未發(fā)生變化，透射譜各階包層模諧振峰的透射譜幅值逐漸減小，且當(dāng)液位繼續(xù)升高時(shí)，高階模逐漸消失。這是因?yàn)閷?duì)于小角度的傾斜光纖光柵，在外界折射率接近光纖包層折射率時(shí)，前向傳導(dǎo)的纖芯模式除耦合為后向傳導(dǎo)的纖芯模、包層模外，高階包層模式將被耦合成輻射模式泄漏到環(huán)境中，因此包層模式諧振峰從短波長(zhǎng)到長(zhǎng)波長(zhǎng)依次消失。

圖4 液位測(cè)試裝置圖

圖5 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%甘油溶液的液位測(cè)量結(jié)果

為提高液位測(cè)量靈敏度，采用包層模歸一化面積表征液位變化，得到液位與包層模歸一化面積關(guān)系，如圖6所示，隨著液位的升高，包層模歸一化面積逐漸減小。隨后，測(cè)量了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%～75%的甘油溶液，發(fā)現(xiàn)隨著待測(cè)介質(zhì)折射率的增加，液位測(cè)量靈敏度越高，這是由于溶液濃度越高，越接近包層折射率，包層模耦合成輻射模式泄漏到環(huán)境中的能量越多，導(dǎo)致歸一化面積的變化幅度越大。因此，在利用TFBG透射譜測(cè)量液位時(shí)，必須考慮待測(cè)介質(zhì)折射率對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

圖6 TFBG透射譜包層模歸一化面積與液位的關(guān)系

最后，利用水浴法測(cè)量了3.5°TFBG的溫度特性，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出隨著溫度的增加，布拉格諧振峰中心波長(zhǎng)向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，其線性擬合斜率為9.7 pm/℃。因此，當(dāng)利用傾斜光纖光柵進(jìn)行液位與溫度同時(shí)測(cè)量時(shí)，可采用TFBG布拉格中心波長(zhǎng)監(jiān)測(cè)外界溫度，利用TFBG透射譜的歸一化面積監(jiān)測(cè)液位，實(shí)現(xiàn)溫度和液位的同時(shí)測(cè)量。

圖7 不同溫度下TFBG布拉格波長(zhǎng)漂移量

3 結(jié)論

本文研究了TFBG的液位傳感特性，利用OptiGrating軟件仿真了TFBG透射譜隨外界介質(zhì)折射率的變化規(guī)律，仿真結(jié)果表明，當(dāng)介質(zhì)折射率變化時(shí)，TFBG透射譜的包層模發(fā)生紅移且幅值逐漸減小。隨后采用3.5°TFBG進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)試了濃度為60%～80%的5種甘油溶液，建立了包層模歸一化面積與液位的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明溶液折射率越接近包層折射率，液位測(cè)量靈敏度越高。同時(shí)，利用水浴法測(cè)試了TFBG的溫度特性，仿真與實(shí)驗(yàn)證實(shí)可利用TFBG實(shí)現(xiàn)溫度與液位的同時(shí)測(cè)量。