蒙宁佳 - 基于光纤光栅原理实现液位的测量（最终版）

基于光纤光栅原理实现液位的测量

蒙宁佳

（北京化工大学信息科学与技术学院，信实0901,200941218）

目录

摘要 ............................................................................................................................................ 2 一．绪论 ..................................................................................................................................... 2 （一）研究的目的和意义 ...................................................................................................... 2 （二）光纤光栅的介绍 .......................................................................................................... 2 （三）液位测量方法的简介和比较 ....................................................................................... 2 二．光纤Bragg光栅传感技术 .................................................................................................. 3 （一）光纤Bragg光栅传感基本原理 ................................................................................... 3 （二）实验装置 ..................................................................................................................... 4 （三）对实验装置进行测量的分析 ........................................................................................... 5 三．总结 ..................................................................................................................................... 6 四．参考文献 ................................................................................................................................... 6

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摘要

根据Bragg光栅方程，了解到光纤Bragg光栅( FBG) 压力传感机理，随着外界应力的变化，光纤光栅的Bragg中心发射波长将发生相应的移动。利用此特性，提出并实现了一种精密的用光纤光栅作为敏感元件测量液面高度的方法,最后分析了系统中的关键环节。

关键词：光纤光栅；光纤Bragg光栅；液位测量

一．绪论

目前，测量液面高度的方法有直接使用刻度尺测量，利用液面高度变化导致的浮力或者液面压力等参量变化间接测量。然而这些方法的灵敏度都不高，一般得到的液面高度的精度不高于1mm。迫切需要寻找一种更加精确的高精度的测量液面高度的方法。

(一) 研究的目的和意义

众所周知，在石油化工领域中，需要进行液位测量的场合很多，其中主要有各种储油罐的液位测量以及石油化工装置中各个容器的液位测量Ⅲ，液位是确定石油工业生产工艺和安全极其重要的参数。由于在石油工业中被测液体成分和物理化学性质复杂、再加上工作现场的条件有时十分恶劣，只有相对较少的一些液位传感器可以应用。尤其是当液面有波动和存在气泡，或液面高度随时间改变的动态测量，或被测介质具有粘滞性、导电性，或需要考虑容器的密封性以及介质是否含有腐蚀物、毒性和易爆性等情况，选择合适的液位测量技术就显得尤为重要。

(二) 光纤光栅的介绍

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg Grating)，简称光纤光栅(FBG)，是最近几年发展最为迅速的光无源器件之一。它是一种良好的敏感元件，对温度和应力变化十分敏感。同时它具有光纤的本征属性，如质轻、径细、柔韧、化学稳定、耐高温、抗电磁干扰等。因此通过设计各种机敏结构，光纤光栅可以作为传感元件应用在特殊环境，如粘稠流体储油罐中，实现对储油罐液位的精密测量。因此，在对温度、应力、应变及其相关物理量，例如液位的检测时，使用光纤光栅是一种很好的选择，在光纤传感领域具有广阔的应用前景。

(三) 液位测量方法的简介和比较

目前，国内外工业生产中实际应用的液位测量方法很多，下面简单介绍一下最常用的几种方法。

1．浮子液位传感器

测量原理是利用传动装置把与液位同高度的浮子高度信息转换成脉冲或者连续信号，转换器是一些机械舌簧、磁铁、或光电设备。这种液位传感器可以进行连续测量，缺点是积聚在传动机械臂上的污物会限制浮子运动，从而产生故障。

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2．压力式液位传感器

它是利用液面高度变化时容器底部或侧面某点上的压力也随之而变化的原理来设计的。在测量开放的容器时，大多采用直接测量底部某点压力来测量。这类液位传感器的精度受到压力表精度的限制，同时还要求被测液体的密度是已知的，同时密度应保持恒定不变。

3．超声波液位传感器

超声波液位传感器常用于明渠液位以及开口容器内液位。由超声换能器发射的超声脉冲经空气在被测介质上反射，再返回接收换能器，测量该超声脉冲往返时间，就能得到超声换能器辐射面到被测液面的距离。根据换能器安装高度，就能得出液位高度。但超声波传播速度受环境因素影响，其测量信号的可靠性较差，误差较大，校正补偿复杂。

另外，其它类型的一些液位传感器，例如，热学式液位传感器、同位素／放射性液位传感器、电阻式液位传感器、电感式液位传感器、磁翻转液位传感器、磁致伸缩液位传感器、它们各有优缺点，在不同的领域也得到了应用。

二．光纤Bragg光栅传感技术

(一) 光纤Bragg光栅传感基本原理

光纤Bragg光栅是利用光纤材料的光敏性(外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率永久性变化)在纤芯内形成空间相位光栅，其作用实质上是在纤芯内形成一个窄带的滤光器。当光栅周围的温度、应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周期或纤芯折射率发生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂移，通过监测Bragg波长漂移情况，即可获得待测物理量的变化情况。

光栅的Bragg波长漂移由下式决定，

??B?2?neff???

式中：??B为Bragg波长的漂移；neff为纤芯的有效折射率；?为光栅栅距或调制周期。由于应力应变引起光栅Bragg波长变化??B为：

??B??B(1?Pe)???k???

式中Pe为光纤的弹光系数；k?为应变?引起的波长变化的灵敏度系数。温度变化也会引起光纤折射率的变化，同时热膨胀还会引起光栅栅距的变化。温度变化?T引起Bragg波长的移动??B，可表示为：

??B??B(???)??T?KT?T

式中?为FBG的热膨胀系数：?为FGB的热光系数，KT为温度T引起的波长变化的灵敏度系数。由上述特性表明，Bragg波长随应变和温度的位移可近似表示为：

2??B?2neff?{1?neff/2?[P12?v(P11?P12)]???(???)??T}

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式中：P11、P12为光弹性系数；v为泊松比。

因此，通过测量Bragg波长漂移即可测出外界应力和温度的变化。不过，由上式所给出的Bragg波长位移忽略了应变和温度的交叉影响。

通过光纤Bragg光栅时，满足Bragg光栅波长条件(?B?2neff?)的光将被反射回来，这样入射光栅光波就分成两部分：透射光波和反射光波，如图1所示，这就是光纤光栅的传感原理。

(二) 实验装置

实验装置如图2 所示，光纤光栅的一端固定在光栅固定杆上，另一端粘到一个重物上，而光栅固定杆固定在一个倒扣在水中的水罐上，水罐中有一定体积的空气。水罐的下面开口，使水与罐中空气相接触，而水罐的其它地方要密封，不能透气。而光纤从水罐的上方穿出，连接到环行器，环行器的另两端分别接有EDFA( 掺铒光纤放大器) 和光谱仪，分别作为宽带光源和观察仪器。在进行液位测量时，需要将整套的实验装置缓慢地沉入水底，然后再调整水面高度，并用光谱仪观察光纤光栅反射波长的变化情况。需要注意的是，在调整液位高度的过程中,装置不能露出水面，必须完全置于水中。当水面达到水罐顶部时，水罐所受到的浮力最大，从而光栅所受到的应力也就最大，随着液位的上升，水罐所受浮力将不断减小，光栅所受的应力也不断变小，根据这一原理，即可达到液位测量的目的。

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