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光纤液位传感器综述

摘要本文先说明了液位传感器适用的场合及其优缺点，然后介绍了观测孔式、浮子式、压力式、液位反射式和折射率改变式五种光纤液位传感器的结构及工作原理，最后举例说明光纤液位传感器的现实应用。

关键词光纤液位传感器

1.引言

从字面上讲,传感器可比作感知自然界物理现象的人的感觉器官。

从工程技术上讲,传感器是指检测被测物体所带有的信息的仪器。

传感器技术是利用各种功能材料实现信息检测的一门应用技术,它是检测原理、材料科学、工艺加工三个要素的最佳结合。

在发达国家,传感器技术被列为核心技术之一。

液位传感器是指检测液体高度信息的仪器,它在工业和日常生活中有着重要而广泛的用途。

在化工生产中,它可以用来计测输送聚合物时的粉体平面、反应缸的液位平面、石油化浆液位、化学储藏罐内的液体平面;在冶金工业中,可以用来计测制造铸件的管道熔铁平面和连续铸造生产过程中的钢包液位;在日常生活中则可用来检测大量的汽油、柴油存储罐中的油位高度等等,使它在工业生产和日常生活中起到耳目的作用[1]。

随着近二十年来光纤通信技术的高速发展,光纤光缆、激光光源、光电探测以及相关的技术、材料、加工工艺已经取得了长足的进步.由于光导纤维具有种种优良的特性,故人们将光纤这一新型材料用于传感器,发展了光纤传感器技术。

光纤传感器技术自始至今一直在飞速发展,各种新思路、新结构、新工艺的光纤传感器如雨后春笋、不胜枚举;在此我们仅讨论其中的一类：

液位传感器。

2.光纤液位传感器的使用要求[2]

A.高精度和高可靠性。

很多应用场合要求测量液位极值用子报警或危险指示,所以其精度和可靠性必须极高。

B.转换性能优良,线性特征范围宽,检测信号的信噪比高,重复性好,时间老化特性优良。

C.工作温度范围一般为-0℃一+125℃。

D.尺寸小、重量轻、容易安装,性能价格比好。

E.在污染、潮湿、有泡沫等不利环境下均能工作。

与被测物体匹配好,对被测体环境适应能力强,不破坏被测体的状态,检测信号不受被测体环境的干扰。

3.光纤液位传感器的优点

光纤传感器与传统传感器相比是用光而不是用电来作为传递敏感信息的媒质,用光纤而不是用电缆来作为传输媒质。

它以光学技术为基础,将被敏感的状态以光信号形式取出;利用小型而简单的半导体器件如LD、LED、PIN、APD等很容易进行光/电、电/光转换,易于与高速发展的电子装置匹配[3]。

与其它传感器相比,光纤传感器有以下优点:

A.灵敏度高、频带宽、动态范围大:

由于传输的信息载体是光,所以所有已研制成功的光纤传感器分辨率大部分优于目前其它同类传感器.光信号载频高,其频带宽。

光器件已较为成熟,能做成很大的动态范围[4]；

B.光纤由石英材料做成,有很好的电绝缘性能光纤传感器不受电磁辐射的影响,适用于电噪声环境（如输电线、电气铁路和电气机械中）,能避免产生火花,适用于油罐和易爆炸气体（如煤矿和石化工业）。

它耐高压、耐腐蚀、在易燃易爆环境下安全可靠；

C.体积小、重量轻、安装简单、造价低；

D.光纤加特殊护层后能在高低温下工作；

E.光纤不仅是敏感元件,而且是一种优良的低损耗传输线,因此不必考虑测量仪和被测物体的相对位置,特别适合于电子式等传感器不太适用的地方。

可以与光纤遥测技术相配合实现远距离测量与控制[5]；

F.光纤是无源器件,对被测对象不产生影响。

其自身独立性好,可以适用于各种使用环境；

G.光纤传感器组成的光纤传感器系统便于与中心计算机连接,可实现多功能、智能化的要求[6]。

4.光纤液位传感器

光纤液位传感器可分为两类。

第一类是开关式，用于高低液位检测和液体泄漏检测。

第二类是模拟式，可用于实际液位高度测量。

光纤在第一类场合具有较多的应用。

液位是过程控制的主要参数之一，在石化工业与化学工业中，液位传感器具有广泛的应用。

由于许多过程控制场合都具有易爆性，所以光纤液位传感器在这些场合倍受青睐。

在军事应用中，许多场合要求检测液体泄漏与液位高度，光纤传感器能较好地满足其要求。

另外，抗电磁干扰与无线电干扰是光纤液位传感器在上述各种领域中获得应用的主要原因之一。

采用光与液位相互作用原理的光纤传感器在相对干净与透明的液体中工作较好。

脏的和不透明的液体，如:

原油和染料能污染光路，使传感器无法检测，固体粉末也是这样。

对这类液位的测量最好采用与压力相关的检测方法。

在光纤液位传感器中常采用的方法有以下几种[7.8]

l、观测孔式;

2、浮子式;

3、压力式;

4、液位反射式;

5、折射率改变式。

4.1观测孔式液位传感器

在锅炉中通常使用双颜色测量计观测水位[9]。

在该类测量计中使用了一个梭镜和光源，当蒸气进入测量计时，从观察孔上可以看到红光，当水进入测量计时，使红光产生折射，只有绿光传输到达观测孔。

这种装置示于图10-1。

检测装置通常放在锅炉的一边，这不利于集中监测。

当在测量计上装置了大芯、大数值孔径光纤以后，红光、绿光信号（分别代表水与蒸气）可传送到集中监测室，如图10-2所示。

为了减少环境光的影响，光纤与观测计的接口常置于一个罩里。

此时，传感器被动工作，没有移动部件和带电器件，唯一用电器件只是光源。

现行安全规程常常要求使用这种方式。

因为被传输的光必须足够强才能看得见，所以光纤传愉的距离必须在100米之内。

4.2浮子式液位传感器

浮子式液位传感器采用一个浮子跟踪液位，简单的浮子结构示于图10-4。

图中（a）结构设计成与反射式光纤传感器结合使用，当联接在浮子上的反射日标通过探头时，产生光反射，传感器输出信号。

图中（b）结构设计采用传输式光纤传感器与浮子结合使用，工作原理与图10-4（a）类似，所不同的是光纤传输代替了光反射[10]。

这种类型光纤传感器通常仅用于监测液位高低两种状态，然而，如果采用二进制编码板阻挡光线传输，并且采用多组传输光纤，则可以用数学方式直接检测液位的高度，图10-5中示出了这种结构。

采用8位编码，对液位测量的分辨率可达1/256。

使用反射式光纤传感器能以模拟方式测量液位的实际高度，图10-6给出了这种传感器的实际结构。

反射探头加上透镜后模拟信号的测量范围扩展到5英寸，因此，如果不采用其它机械结构的话，这种传感器的最大测量范围是5英寸。

4.3压力式液位传感器

采用液体静压力探头也可以测量液位，压力由液位产生，液位高度H与压力P之间的关系方程式由下式给出:

H=P/ρSG，式中SG是液体的重力，P是水的密度。

例如:

30英尺水的液位（SG=1）压强等于13.0磅/平方英寸，30英尺石油液位（SG=0.65）压强等于8.44磅/平方英寸。

光纤探头与压力膜构成的压力传感器用于该种液位测量中，传感器结构原理示于图10-7水箱液位从20英尺到60英尺，压力范围从0-26磅/平方英寸，6英寸分辨率对应的传感器准确度为±0.26磅/平方英寸，即±1%。

使用波纹面的压力膜，灵敏度与线性度可进一步得到改善[11]。

当压力罐密封加压时，液位测量变得复杂一些。

此时，液位测量系统需要两个压力传感器，一个安装在雄上部测量密封压力P1，另一个安装在罐低部测量液体静压力和密封压力之和P1+P2，如图10-8个压力传感器测量的差值P2，对应着液位的高度。

这种原理存在的问题是，如果密封罐压力较高时，压力测量的较小误差可导致液位测量的较大误差。

4.4液位反射式液位传感器

液位反射技术利用光线在液体表面反射测量液位[12]。

对于一个入射光束，当其接触到液位时，反射光的位置是液位的函数，如图10-9所示。

使用光纤能够把电子器件，如光源、光电二极管等置于远离测量的区域。

在测量范围很大或要得到很高灵敏度时，这种方法将导致成本增加，这是因为要使用更多的光纤和器件。

然而，对于腐蚀性液体与高温液体的液位，不可能采用接触测量时，这种方法具有独到的优点。

例如:

这种方法可以在贮罐中测量溶化玻璃的液位。

如果光源采用脉冲调制，最好采用红外线，这样从溶化玻璃反射的调制脉冲信号被检测，周围环境光不产生影响。

溶化的玻璃具有较高粘度与光滑平面，表面反射率较高。

4.5折射率改变式液位传感器

这种技术由光传输到棱镜端面并产生反射后而使传感器工作。

棱镜探头通常是石英制成，折射率为1.46。

在空气介质中时，棱镜作用好比光纤芯，空气好比外包层。

棱镜端面加工的形状可促使入射光线产生反射，反射光由光电器件检测。

当不存在液体时，在棱镜探头端面产生全部内部反射。

当存在着液体时，光线不能产生全部内部反射，一部分光经过折射后进入液体。

两种情况下，接收光强产生差异，从而达到检测液位效果，该探头结构如图10-10所示[13]。

图10-11中给出了传感器结构，除了棱镜探头以外，采用了传输与接收两根光纤。

当采用低损光纤时，该传感器可用于远程控制[14]。

该类传感器属于“点”传感器，用于高低液位检测非常理想，也可用于泄漏检测，因为仅需很少一点液体就能使传感器输出状态切换。

当检测不同液位高度时，必须采用多个不同长度的传感器。

采用折射率改变的原理，也可以将光纤去除外包层，弯成‘'U”字形状探头，浸入液体后可检测液位的高度[15]。

因为“U”形探头浸入液体后，将导致光折射率变化.损失了一部分光，从而使输出光强减弱，该探头结钩如图10-12所示。

上述的传感器都属于数字应用，即:

检测液位的有或无。

然而，由于改变折射率原理在本质上是模拟的，所以传感器输出也是液体折射率的函数。

该类传感器也可以用来区分液体。

5.光纤液位传感器的具体应用

5.1UQG-Ⅱ光纤液位传感器

UQG-Ⅱ型光纤液位计[16]，它采用了隔离式模块化结构，适用于一般常压储罐和压力储罐。

压力式储罐的介质压力，是采用导杆隔离的，其液位信号是通过套在导杆上的浮球送出，浮球上安装有磁性物体经磁偶合，传递给导杆内的偶合头，再经钢丝绳传递给光纤传感器，实现液位的检测。

有些储罐介质温度很低，导杆内的空气易产生冷凝沉积，偶合头容易结冻，不能有效的跟踪液位的变化，为此，UQG-Ⅱ型光纤液位计设计成隔离式密封结构，隔绝了空气交换。

采用防水罩保护传感器，光缆采用FC式直插接头，使光栅检测系统可以不受被测介质雾化气氛的污染，保护了光纤检测传感器。

UQG-Ⅱ型光纤液位计根据巡视、检修、液位设置、断电封罐的需要，还备有现场指针式油位位置显示表，油罐可以在长期无电封的情况下，指示油罐内的液位，还可以为仪表校准液位值提供直接数据，免去人工检尺的麻烦。

UQG-Ⅱ型光纤液位计是根据力平衡原理测量储罐液位的仪表。

它由浮球、光纤传感器、力平衡传动机构、光电变换器、光缆及智能式数显表等所组成。

其工作原理简述如下：

在力平衡机构的作用下，浮球把感测到的液位的变化量，通过钢丝绳传递给测量装置内的磁偶合器，在磁偶合器的作用下使隔离的光纤传感器感受到位移的变化量，并通过光纤送出光信号给光电变换器变换成电信号给智能式数显示液位，智能式数显表可以根据用户的要求实现声光报警，实现液位的检测与控制。

UQG-Ⅱ型光纤液位计由于具有体积小、重量轻、模块化、与被测介质隔离、现场显示、数据记忆等特点，所以安装、维修都很方便，深受用户欢迎。

5.2GXY-Ⅲ-B型光纤传感液位报警器

GXY-Ⅲ-B型光纤传感液位报警器运用光折射原理，采用红外光为检测光源，以光纤作为敏感单元及信号传输载体，可在≤0.1mm液位变化条件下，触发信号输出，具有极高的灵敏度。

光纤将检测到的信号传输到容器外进行光电转换及信号处理后输出显示、控制、报警标准信号[17]。

检测传感部分采用无电检测技术，具有“本质安全型”防爆特性。

在易燃易爆、强腐蚀、高温、高压等危险和恶劣环境中使用，具有精度高、安全可靠、性能稳定、抗干扰、耐腐蚀、使用寿命长、安装简便、维护简单等优点，适合各类洁净低粘度液体液位的测控及报警溢罐和/或空罐现象；可广泛用于化工、石油化工、化纤、化肥、食品、医药、运输及军工等行业生产、储存及运输过程中多种液体贮罐、贮槽及各种反应釜的水、油、化学试剂及酸、碱和腐蚀液等液体关键点分立液位的高精度测控及液位高位和/或低位报警控制,是目前世界上先进的界面测控报警仪表之一。

6.结语

总的看来,各类光纤液位传液位感器的结构和制作过程简单,并且没有使用复杂的光学器件,一般都采用通过测量光功率的变化来间接提取液位信息。

由于在光纤测量技术中,光功率的测量技术发展得最完善,其原理简单、器件造价最低,因而光纤液位传感器价格准致兼。

性能稳定。

光纤液位传感器也有不完善之处;目前世界上还没有一个精度高、测量范围广、造价低、长期使用重复性好的光纤液位传感器。

它不能探测污浊液体以及会粘附在探头表面的粘稠物质,在这一方面还有待于进一步的发展[18]。

参考文献

[1]黄燕平，裴丽，简水生，光纤液位传感器综述，光通信技术，Vol.19No.2，1994.

[2]黄燕平，裴丽，简水生，光纤液位传感器综述，光通信技术，Vol.19No.2，1994.

[3]根本俊雄著.张克立译.光纤在侧量上的应用.应用物理.1980.

[4]chappel.R.E,andilallash.R.T，FiberOpticsUsedforReliableDrumWaterlevelIndication.EngineeringConference一TAPPIProceedingsPP313-317.1983.

[5]罗世升.光导纤维反射式光电检出方式.铁道学报.1985.7

（2）.

[6]诸偎肇著.陈宗奎译.光导纤维与计洲和控制，1980.

[7]Cho,C.H，MeasurementandcontrolofLiquidIevel,ISA,ResearchTrianglePark.1982.

[8]Gillum,D.R，lndustrilalLevelMeasurement,ISA.ResearchTrianglePark.1984.

[9]根本俊雄著.张克立译.光纤在侧量上的应用.应用物理.1980.

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[15]罗世升.U型光纤液位传感器的试脸研究.中国铁道科学.1988.9

（2）

[16]艾文杰.发送铁路轻油罐车装载情况抽样结果的总结.中国石化总公司，1990.

[17]UZG型铜带浮子液位计&罐群自动检测系统:

北京自动化仪表四厂

[18]B.Culahaw.OpticalFiberSensingandSignalProcessing.成都电讯工程学院出版社.1986.