李 虎，郭子龍，楊文婷，張軍英

(西安工業(yè)大學(xué) 光電工程學(xué)院，西安 710021)

引 言

液位是很重要的測(cè)量參量，在生活中的很多方面都需要進(jìn)行液位的測(cè)量。如對(duì)飛機(jī)、汽車(chē)、輪船的油位測(cè)量，可以大大實(shí)現(xiàn)油量的節(jié)省，對(duì)節(jié)約能源起到了重大幫助[1]。常見(jiàn)的液位測(cè)量方法有機(jī)械浮子式液位傳感、電容式液位傳感[2]、液壓式液位傳感、超聲波式液位傳感[3]、磁致伸縮式液位傳感等[4]。傳統(tǒng)的電子、機(jī)械類(lèi)液位測(cè)量?jī)x，存在著各自不同的問(wèn)題，例如易受到外界環(huán)境的干擾造成損壞，導(dǎo)致成本提高等一系列問(wèn)題，因此不適用于一些惡劣環(huán)境[5]。

常見(jiàn)的光纖式液位測(cè)量方法有功率泄露式、模式干涉型[6]、液面反射型等[7]。普遍使用的方法是模式干涉型，即在外界因素干擾的情況下會(huì)改變不同縱向傳播系數(shù)的高階模式折射率，使得傳輸光的透射譜波長(zhǎng)發(fā)生變化，通過(guò)傳輸光透射譜的波長(zhǎng)漂移與外界液位的關(guān)系來(lái)解算出外界液位信息[8]。在光纖液位測(cè)量的發(fā)展歷史中[9]，經(jīng)過(guò)科研人員的不斷努力，光纖液位測(cè)量發(fā)展迅猛，現(xiàn)已有各式各樣的光纖液位傳感器。例如阿威羅大學(xué)的一種基于多模干涉和光纖光柵的液位測(cè)量傳感器[10];WANG等人的快軸方向纖芯錯(cuò)位熔接的液位測(cè)量傳感器[11];武漢理工大學(xué)的高雙折射環(huán)境的光纖液位傳感器[12];重慶理工大學(xué)的無(wú)芯光纖強(qiáng)度調(diào)制型液位傳感器[13];西安石油大學(xué)的在線(xiàn)型光纖邁克爾遜干涉儀[14];北京交通大學(xué)的高折射率液位傳感器[15];吉林大學(xué)的全光纖干涉式水位傳感系統(tǒng)[16]。

本文中所設(shè)計(jì)的是一種基于空芯光纖多模干涉效應(yīng)的液位傳感器，該傳感器所使用的結(jié)構(gòu)為單模光纖-空芯光纖-單模光纖。主要通過(guò)探究外界液位變化所引起的光源在空芯光纖中多模干涉所產(chǎn)生的干涉譜的變化的關(guān)系，然后通過(guò)干涉譜的變化來(lái)確定液位的變化。

1 光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)與制作

該光纖液位傳感器由兩端兩根單模光纖和中間一根空芯光纖熔接而成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of fiber optic liquid level sensor structure

圖1中兩端的單模光纖所使用的是美國(guó)康寧公司的單模光纖，型號(hào)為G652D，纖芯為9μm，該單模光纖除去涂覆層后的外徑為125μm。傳感器結(jié)構(gòu)中間部分的空芯光纖使用的是Polymicro Technologies公司的TSP005150純石英空芯光纖，內(nèi)徑為5μm，除去涂覆層后外徑D=125μm，它是一種典型的模式干涉型傳感器，當(dāng)光源發(fā)出的光從單模光纖傳輸?shù)娇招竟饫w時(shí),會(huì)因?yàn)閱文９饫w與空芯光纖的纖芯直徑不同發(fā)生模式失配效應(yīng),在空芯光纖中激發(fā)一系列的高階模式，不同的高階模式相互之間發(fā)生模式干涉。

制造傳感器時(shí),首先剝?nèi)啥说膬筛鶈文９饫w的端部部分涂覆層，然后使用光纖切割刀切割端面，使得端面切割平整。對(duì)空芯光纖的涂覆層使用火焰快速燒過(guò)，去除涂覆層后,使用切割刀將空芯光纖端面切割平整，然后通過(guò)光纖熔接機(jī)將兩根單模光纖切割過(guò)的端面分別熔接在空芯光纖的兩端。將一根單模光纖未切割過(guò)的一端連接在寬光譜光源上，另一根單模光纖未切割過(guò)的一端接在光譜儀上邊。通過(guò)光譜移動(dòng)和液位的線(xiàn)性關(guān)系來(lái)解算出液位的變化。

2 光纖液位傳感器測(cè)量原理

寬光譜光源發(fā)出的光在單模光纖與空芯光纖的連接處會(huì)因?yàn)閱文９饫w與空芯光纖的纖芯直徑不同而發(fā)生模式失配效應(yīng)，從而產(chǎn)生不同高階模式的傳輸光，這些高階模式依據(jù)各自不同縱向傳播常數(shù)在傳感器中段的空芯光纖中繼續(xù)傳播，并且這些不同縱向傳播常數(shù)的高階模式在空芯光纖中會(huì)發(fā)生模間干涉。根據(jù)多模干涉理論可知，透射譜中的自映像峰值波長(zhǎng)可以表達(dá)為[17]：

(1)

式中,n為空芯光纖的有效折射率，P為自映像系數(shù)，DHF為空芯光纖有效模場(chǎng)直徑，L為空芯光纖長(zhǎng)度。由表達(dá)式可知,自映像峰值波長(zhǎng)λ0與空芯光纖的長(zhǎng)度L、有效折射率n、有效模場(chǎng)直徑DHF有關(guān)。當(dāng)空芯光纖長(zhǎng)度L不變，外界環(huán)境溫度、折射率等發(fā)生變化時(shí)，均會(huì)改變空芯光纖的有效折射率n，從而造成自映像峰值波長(zhǎng)發(fā)生變化[18]。所以當(dāng)空芯光纖的部分被浸沒(méi)在液體中時(shí)，峰值波長(zhǎng)由露在空氣中的部分和浸沒(méi)在液體中的部分決定[19]，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 Optical fiber liquid level sensor structure diagram

表達(dá)式為：

(P=0,1,2,…)

(2)

式中，n1為空芯光纖暴露在空氣中的有效折射率，DHF,1為空芯光纖暴露在空氣中的有效模場(chǎng)直徑，L1為空芯光纖暴露在空氣中的長(zhǎng)度，n2為空芯光纖浸沒(méi)在液體中的有效折射率，DHF,2為空芯光纖浸沒(méi)在液體中的有效模場(chǎng)直徑，L2為空芯光纖浸沒(méi)在液體中的長(zhǎng)度。式中L=L1+L2,所以表達(dá)式可以簡(jiǎn)化為：

(P=0,1,2,…)

(3)

當(dāng)液體介質(zhì)均勻，折射率保持穩(wěn)定時(shí)，即空芯光纖浸沒(méi)在液體中的有效折射率n2與空芯光纖浸沒(méi)在液體中的有效模場(chǎng)直徑DHF,2保持不變，干涉譜的自映像峰值波長(zhǎng)λ0與空芯光纖浸沒(méi)在液體中的長(zhǎng)度L2成正比關(guān)系。

3 實(shí)驗(yàn)搭建與測(cè)量分析

為了研究單模光纖-空芯光纖-單模光纖結(jié)構(gòu)的傳感器干涉譜隨著液位變化的移動(dòng)，設(shè)計(jì)了如圖3所示的實(shí)驗(yàn)。整個(gè)系統(tǒng)由寬光譜光源、單模光纖-空芯光纖-單模光纖的傳感器結(jié)構(gòu)、光譜儀組成。實(shí)驗(yàn)中所用的寬光譜光源為超輻射發(fā)光二極管(super luminescent diode，SLD)，該寬光譜光源的輸出波長(zhǎng)范圍為1440nm～1660nm,帶寬為90nm。由寬光譜光源SLD在600mA電流的驅(qū)動(dòng)下發(fā)出的中心波長(zhǎng)為1568nm光進(jìn)入單模光纖-空芯光纖-單模光纖的傳感器結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)光譜儀來(lái)記錄出干涉譜的位移。在單模光纖-空芯光纖-單模光纖的傳感器結(jié)構(gòu)中，空芯光纖的長(zhǎng)度為55mm，即該傳感器的可測(cè)量范圍為0mm～55mm。實(shí)驗(yàn)中使用的待測(cè)液體為n=1.33的蒸餾水和n=1.35、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10的NaCl溶液。所使用的光譜儀為日本Antitsu公司的MS9740A型號(hào)。

Fig.3 Experimental diagram of liquid level sensor

在實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后向容器中加入蒸餾水,使得蒸餾水浸沒(méi)傳感器結(jié)構(gòu)的空芯光纖部分，此過(guò)程中每5mm向容器中加一次蒸餾水測(cè)量，一共測(cè)得12組數(shù)據(jù)點(diǎn)位，圖4是在被測(cè)液體選取為蒸餾水時(shí),蒸餾水的液面高度每上升5mm用光譜儀記錄一次干涉光譜曲線(xiàn)。圖4中記錄的是液面高度從0mm增加到55mm時(shí)，每5mm記錄一次的干涉光譜曲線(xiàn)總圖及其局部放大圖。從圖4可知,除了自映像峰外還有多個(gè)諧振峰，隨著液位高度的升高整個(gè)干涉光譜曲線(xiàn)向波長(zhǎng)增大的方向移動(dòng)，并且峰值以及形狀變化微小，這表明:在液位上升過(guò)程中，單模光纖-空芯光纖-單模光纖傳感器結(jié)構(gòu)的干涉譜發(fā)生了波長(zhǎng)漂移，透射功率變化幾乎忽略不計(jì)。

Fig.4 Spectrogram of spectrometer measurement spectrum with distilled water level variation spectrum

在圖4的多個(gè)干涉譜中以自映像峰值波長(zhǎng)作為研究對(duì)象,選取液位在0mm～55mm中液位每增加5mm時(shí)對(duì)應(yīng)液位下的自映像峰值波長(zhǎng)，繪制其自映像峰值波長(zhǎng)隨液位變化的關(guān)系,如圖5所示。由圖5可知，自映像峰值波長(zhǎng)隨液位的增加勻速向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移，液位每上升5mm自映像峰值波長(zhǎng)向波長(zhǎng)增大方向漂移1nm左右，在液位上升過(guò)程中共向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移10nm左右，其線(xiàn)性度R2=0.9957，蒸餾水液位測(cè)量靈敏度為0.180nm/mm。

Fig.5 Peak wavelength of the self-image varies with the level of distilled water

選取測(cè)量液體為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10的NaCl溶液，依照上述測(cè)量方法對(duì)單模光纖-空芯光纖-單模光纖的傳感器結(jié)構(gòu)從0mm～55mm的高度逐漸加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10的NaCl溶液,然后通過(guò)光譜儀每5mm記錄一次干涉光譜曲線(xiàn)圖和數(shù)據(jù),共計(jì)12組。圖6所示為光譜儀在液面高度從0mm～55mm每5mm記錄一次對(duì)應(yīng)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10的NaCl溶液液位下的干涉光譜曲線(xiàn)圖樣以及其局部放大圖。圖中，橫坐標(biāo)為波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為光功率。

Fig.6 Spectrogram of the measured spectrum of the spectrometer with the change of the level of NaCl solution with mass fraction of 0.10

在圖6的多個(gè)干涉譜中以自映像峰值波長(zhǎng)作為研究對(duì)象,選取液位在0mm～55mm中液位每增加5mm時(shí)對(duì)應(yīng)液位下干涉譜的自映像峰值波長(zhǎng)，繪制其自映像峰值波長(zhǎng)隨液位變化的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知,自映像峰值波長(zhǎng)在液位上升過(guò)程中共向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向漂移12.4nm，其線(xiàn)性度R2=0.998，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10的NaCl溶液液位測(cè)量靈敏度為0.224nm/mm。

Fig.7 Peak wavelength of the self-image varies with the level of NaCl solution with mass fraction of 0.10

由(3)式可知，單模光纖-空芯光纖-單模光纖結(jié)構(gòu)的液位傳感器的靈敏度與空芯光纖的長(zhǎng)度以及液體的折射率有關(guān)，當(dāng)空芯光纖長(zhǎng)度固定時(shí)，浸沒(méi)不同折射率的液體，可以得到不同的液位靈敏度，通過(guò)觀察蒸餾水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10的NaCl溶液中透射光譜波長(zhǎng)漂移和液位變化關(guān)系來(lái)判斷液體折射率對(duì)單模光纖-空芯光纖-單模光纖結(jié)構(gòu)的液位傳感器靈敏度的影響。根據(jù)蒸餾水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.10的NaCl溶液所測(cè)的透射光譜波長(zhǎng)漂移和液位變化關(guān)系,如圖8所示。由圖8可知,浸沒(méi)不同折射率的液體時(shí)，均有較好的線(xiàn)性度。當(dāng)液體的折射率增大時(shí)，空芯光纖在液體中的有效折射率n2增大，且與空芯光纖在空氣中的有效折射率n1之差越大，液位測(cè)量靈敏度就越高[20]。所以當(dāng)空芯光纖長(zhǎng)度一定時(shí)，可以根據(jù)浸沒(méi)不同液體時(shí)透射光譜波長(zhǎng)漂移與液位高度關(guān)系的靈敏度曲線(xiàn)來(lái)判斷液體折射率的大小,即靈敏度越高，液體折射率越大;靈敏度越低，液體折射率越小。

Fig.8 Relationship curve between the wavelength shift of distilled water and NaCl solution with mass fraction of 0.10 and the liquid level

該傳感器在做實(shí)驗(yàn)時(shí)使用的測(cè)量液體為蒸餾水和自己配置的NaCl溶液，配置NaCl溶液時(shí)難免導(dǎo)致液體介質(zhì)不均勻，使得測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生偏差。在實(shí)驗(yàn)增加液體過(guò)程中杯子刻度最小單位為mm，而增加液體時(shí)是人眼觀察液面上升情況，會(huì)產(chǎn)生不可避免的毫米內(nèi)的液位高度差，使得測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生誤差，而且在增加液體時(shí)，會(huì)發(fā)生水面迸濺現(xiàn)象，使得液滴迸濺在未被水面浸沒(méi)的部分，產(chǎn)生測(cè)量誤差。數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)程中在微小的波長(zhǎng)段里會(huì)有峰值相同的峰，所以,在數(shù)據(jù)選用過(guò)程中,采取計(jì)算均值的方法減小誤差。

4 結(jié) 論

提出了一種液位傳感系統(tǒng),主要是基于空芯光纖中多模干涉效應(yīng)的液位傳感系統(tǒng)，并做了相應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究。首先介紹了光纖液位傳感器的應(yīng)用、分類(lèi)以及目前的繁多研究現(xiàn)狀。其次介紹了該光纖液位傳感器的主要結(jié)構(gòu)以及該光纖液位傳感器的制作過(guò)程。然后講解了該液位傳感器測(cè)量液位的原理。最后搭建了基于空芯光纖中多模干涉效應(yīng)的液位傳感實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)研究了該液位傳感器的干涉譜與液位變化的關(guān)系以及不同折射率液體對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并且分析了實(shí)驗(yàn)誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該光纖液位傳感器的液位測(cè)量范圍為0mm～55mm，液體折射率為1.33和1.35時(shí)，液位測(cè)量靈敏度分別為0.180nm/mm和0.224nm/mm。該傳感器具有良好的液位測(cè)量功能，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易搭建，可以應(yīng)用在一些測(cè)量微小液位變化的情況中。