反射式光纤位移传感器

专家：高天国 领域：传感器 行业：未设置 日期：11-05-22 09:35 点击数：3608

    关键词：反射式光纤位移传感器；光纤探头；照明用光纤；受光用光纤；光探测器

    1 引言

    光纤传感技术最近几年发展迅速。光纤传感器具有独特的抗电磁干扰、优良的防爆安全性、易于实现遥测遥控远距离测量、损耗低、线径细、重量轻、可挠性好、无感应、节省资源等许多优点。应用在易燃易爆的油库油罐检测系统，可以从根本上避免电信号测量方法可能带来的安全隐患。目前，国内外已有多种光纤传感技术被开发应用，各种各样的光纤传感器相继问世，应用前景广阔。

    本文提出的液位测量方案是将反射式光纤位移传感器与电子技术相结合，利用液位高度变化与膜片上产生压力变化的函数关系，用该传感器拾取信号，经光电转换、计算机数据处理得到液位高度数据。

    2 光纤探头的结构及工作原理

    以光信号为信息载体的光纤传感器，在使用中由于受光功率的不稳定变化、光纤耦合功率变化、光联接器的联接损耗变化、光纤传输变化、光探测器不稳定变化等因素的影响而引起测量误差，使测量精度降低。因此，本文采用了下述结构使光纤探头拾取的信号得到了很好处理。

    光纤探头中光纤的排列方式如图1所示，光纤探头主要由四根大芯径200/250µm的多膜光纤组成。

                         

    当启动光源LED1，照明用光纤LD1工作、LD2不工作时，受光用光纤PD1、PD2分别收到不同的光强信号，由于LD1与PD1较近，与PD2较远，所以PD1光强信号较强，PD2较弱。经光纤传输，光探测器1、2可同时获得由PD1和PD2传输过来两个光强的信号，它们分别为：

    X1=P1K1I21M2 (1)

    Y1=P1K1I11M1 (2)

    反之，当启动光源LED2，照明用光纤LD2工作、LD1不工作，同样光探测器1、2又可同时获得由PD1和PD2传输过来两个光强信号，它们分别为：

     X2=P2K2I22M2 (3)

     Y2=P2K2I12M1 (4)

    式(1)、(2)、(3)、(4)中，P1、P2表示光源LED1、LED2发射光功率；K1、K2表示传输光路中光纤及联接器透射率；M1、M2表示光纤与探测器的耦合率；Iij 表示光探测器i接收光源LEDj的光电流。

    可得传递函数：

                                                                    (5)

     S表示与液位高度h成比例的传递函数，即h=f(s)。式(5)中，把P1、P2、K1、K2、M1、M2的影响全部清掉，从而避免了这些因素变化而产生的测量误差，使整个系统得到了自动补偿，提高了系统稳定性和测量精度。

                     

     其中受光用光纤的光强变化曲线如图2所示，曲线A表示与光源较近的受光用光纤的光强曲线，作为补偿信号。曲线B表示与光源较远的受光用光纤的光强曲线，作为测量信号。测量区为Ⅱ区。

    3 液位测量原理
    利用反射式光纤位移传感器检测液面高度信号，液位的测量原理见图3所示。
   
    将光纤位移传感器放置在被检测的液体中，被检测液面高度h的变化，会引起压力P的变化，h正比于P，压力P作用于膜片上，膜片带动反射镜产生位移，使光纤探头与反射镜之间距离△X发生变化。启 动光源LED1，光通过照明用光纤LD1射向反射镜，经反射镜反射，将反射光由两路受光用光纤PD1与PD2收集，分别送往光探测器1与2，可获得两路光强信号。光探测器1与2接收的光强信号随△X而发生变化，从而定量地反映了液面高度h与光强变化的函数关系。光强信号经过光探测器的光电转换，获得两路电信号分别送往仪表运算放大器X与Y进行放大，经模拟开关输出两路与光强信号成正比的电压信号X1与Y1。同样，启动光源LED2，最终也可获得两路电压信号X2与Y2。将四路电压信号分别送往计算机进行数据处理，最终可获得被检测液面高度h数值。

    4 结语

    本文所介绍的新型反射式光纤位移传感器，主要用于油库油罐等易燃易爆危险液体液位的安全测量。它是将电子技术与光纤传感技术有机结合的产物，真正实现高本质防爆，安全可靠，具有极大的应用潜力和使用价值。
利用反射式光纤位移传感器检测液位，在0～3m油罐测量中,精度可达1％左右，光源采用半导体激光器或LED，光探测器采用灵敏度较高的光电二极管，光纤为200/250µm大芯径多膜光纤，膜片工作行程0～0.5mm。但由于受光电器件、光纤及光纤探头加工等因素的影响，在实际应用中，尚存在一些问题有待解决。

    将易燃易爆危险液体的油罐液位测量系统，与温度测量系统构成光纤油罐群检测网络，可进一步提高罐群管理的自动化水平。 
 
    参考文献：

    [1] 李鹏生. 新技术在几何量计量中的应用[M]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社, 1989.

    作者简介：高天国（1963－），男，毕业于哈尔滨工业大学精密仪器系，主要从事新产品开发与设计工作。