光纤传感器在测量技术中的应用

作者:吴 康

摘要：本文主要介绍由光纤传感器与基于CAN总线网络组成本的油库油罐液位、温度信号实时监测系统的设计方案，由此分析出光纤传感器在测量技术中的应用以及光纤液位传感器、光纤温度传感器及光纤液位报警器佳结构特点与使用。

关键词：光源、光导纤维、调制机构  光电探测器   CAN总线网络

1、 前言-光纤传感器与测量技术是仪器仪表领域新的发展方向

由于光纤传感器及技术具有较其它传感器无法比拟的特点，所以近几年来，光纤传感器与测量技术发展成为仪器仪表领域新的发展方向，而新型光纤传感器不外乎有以下特点：

* 光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗很小，目前损耗能达到≤0.2 dB/km的水平。

* 光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。

* 光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。

还具有灵敏度高、可靠性好、原材料硅资源韦富、抗电磁干扰，抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可绕曲、防爆、频带宽、损耗低等特点。同时，它还便于与计算机相连，实现智能化和远距离监控。对传统的传感器起到扩展提高的作用，不少情况下能够完成前者很难完成甚至不能完成的仟务。

正是由于光纤传感器具有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解决的问题，  故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。值此，将讨论光纤传感器在石油化工领域应用，即油库油罐液位、温度信号实时监测系统中的设计方案(见图0所示)。正因该监测系统应用了光纤液位传感器、光纤温度传感器及光纤液位报警器.为此先对此有关的光纤传感器技术作一介绍。

2、光纤传感器组成与类型

光纤传感器一般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构、光电探测器和信号处理系统等部分组成。来自光源的光线，通过接口进入光纤，然后将检测的参数调制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微处理器进行信息处理。概括光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和光探测器两个重要部件，见图1所示。

光纤传感器一般分为两大类：一类是传光型，也称非功能型光纤传感器；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器。前者多数使用多模光纤，以传输更多的光量；而传感型光纤传感器，是利用被测对象调制或改变光纤的特性，所以只能用单模光纤。

3、测量用的光纤传感技术

3.1光纤温度传感器-传光型光纤温度传感器

位图2(a)为半导体吸光型(传光型)光纤温度传感器示意图。将一根切断的光导纤维装在细钢管内，光纤两端面间夹有一块半导体感温薄片(如GaAs或InP)，这种半导体感温薄片透射光强随被测温度而变化。因此，当光纤一端输入一恒定光强的光时，由于半导体感温薄片透射能力随温度变化，光纤另一端接收元件所接受的光强也随被测温度而改变。于是通过测量光探测器输出的电量，便能遥测到感温探头2(b)处的温度。

探头中，半导体材料的透过率与温度的特性曲线如图2(c)所示，当温度升高时，其透过率曲线向长波长方向移动。显然，半导体材料的吸收率与其禁带宽度Eg有关，禁带宽度又随温度而变化，多数半导体材料的禁带宽度Eg随温度丁的升高几乎线性地减小，对应于半导体的透过率特性曲线边沿的波长λg随温度升高向长波方向位移。当一个辐射光谱与λg相一致的光源发出的光，通过此半导体时，其透射光的强度随温度丁的升高而减少。那何为传光型光纤传感器？

传光型光纤传感器中的光纤仅作为传输光的介质，只起传输光波的作用，对外界信息的“感觉”功能是依靠其它物质的敏感元件来完成的，因此必须在光纤端面或中间加装其它敏感元件才能构成传感器。这样，传感器中的光纤中间是中断的、不连续的，中断部分要接上其它介质的敏感元件，如图1所示。

调制器是敏感元件，置于入射光纤和接收光纤之间，在被测对象的作用下，使敏感元件的光路遮断或使敏感元件的光穿透率发生变化，这样，光探测器所接收的光量便成为被测对象调制后的信号，经放大、解凋后，就可得到被测对象。

3.2光纤液位传感器

基于全内反射原理，可以设计成光纤液位传感器。光纤液位传感器由以下三部分组成：

*接触液体后光反射量的检测器件即光敏感元件；

*传输光信号的双芯光纤；

*发光、受光和信号处理的接收装置。

图3(a)所示为光纤液位传感器的基本结构。这种传感器的敏感元件和传输信号的光纤均由玻璃纤维构成，故有绝缘性能好和抗电磁噪声等优点。

光纤液位传感器的工作原理如图3(b)所示。发光器件射出来的光通过传输光纤送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透过，而其余的光被反射回来。当敏感元件与液体相接触时，与空气接触相比，球面部的光透射量增大，而反射量减少。因此，由反射光量即可知道敏感元件是否接触液体。反射光量决定于敏感元件玻璃的折射率和被测定物质的折射率。被测物质的折射率越大，反射光量越小。来自敏感元件的反射光，通过传输光纤由受光器件的光电晶体管进行光电转换后输出。敏感元件的反射光量的变化，若以空气的光量为基准，在水中则为-6-—7dB，在油中为-25—30dB。可对反射光量差别很大的水和油等进行物质判别。

用微光检测液位的光纤液位传感器有如下特点：

*能用于易燃、易爆物等设施中；

*敏感元件的尺寸小，可用于检测微量液体；

*从检测液体开始到检测信号输出为止的响应时间短；

*敏感元件是玻璃的，故有抗化学腐蚀性；

*能检测两种(油、水等)液体界面：

*价格低廉。

在实际应用中应注意，光纤液面传感器不宜用于检测粘附在敏感元件玻璃表面的物质。如何检测液位？

在装有液体的槽内。将敏感元件安装在液面下预定检测的高度。当液面低于这一高度时，从敏感元件产生的反射光量就增加，根据这时，发生的信号就能检测出液面位置。若在不同高度安装敏感元件，则可检测液面的高度。

4、光纤传感器与基于CAN总线网络组成的油库油罐的液位、温度信号实时监测系统设计方案。

4.1监测系统组成。

图0所示可知，监测系统分别由中央控制式的中央监控单元和现埸采集单元(或数据采集单元)组成。现埸采集单元对油罐的液位、温度信号进行数据的实时采集，同时完成数据统计、存贮；中央监控单元可以定期或不定期地从现埸采集单元获取数据并完成图像监测、数据统计、报表、打印及数据库管理。而中央监控单元和现埸采集单元之间通过CAN总线连接在一起，在这个网络中，中央监控单元处于主控位置，而现埸采集单元可以随时响应中央监控单元的命令。其现埸采集单元由单片机8C552及采集、存储、显示、遥控和通信模块组成，每个现埸采集单元可与光纤液位传感器、光纤温度传感器及光纤液位报警器等16个设备相接。之所以应用CAN总线网络结构是内由于CAN网络具有的方便灵活、突出特性，抗干扰性、可靠性、实时性等特点。所有的光纤液位传感器、光纤温度传感器及光纤液位报警器都可以通过一对双绞线串接在一起，节省了空间、简化了布线。

4.2关于数据采集

4.21油罐液位信号的检测采用光纤液位计。光纤液位计应用于油田油库处理，主要是依靠光纤本身的某些传感功能和光传输信息的特征：

*可以实现非接触枪测，对被测对象无干扰、无污染；

*实现非电检测，本质安全，防爆，解决了石油、石化等易燃易爆危险场合多种参量的安全检测和生产过程；

*具有高精度、高绝缘性，抗电磁干扰、抗雷电干扰。

4.22采用光纤温度传感器(或光纤光栅温度传感器更好，但成本高)，适用于各种恶劣环境的温度测量，测量精度高，本身安全防爆，可靠性好、灵敏度高，是理想的一种温度测量仪。工作时，光源发出的连续宽带光，经传输光缆传送量现场，感温探头内测量光栅对该宽带光有选择性地反射附一窄带光，经同一传输光缆传送到调制解调器，通过接收系统进行解调，测定窄带光的中心波长，从而测定现场温度。

4.23采用光纤液位报警器，该光纤液位报警器是根据光折射和反射原理，研制而成的定点液位检测仪器，适用液位定点检测和控制，耐高压，抗污染、安全方便、使用寿命长。

关于软件，其操作系统可采用Windows糸列平台；监测软件可用组态监控软件。

该监测系统实现自动监测、显示、报警、打印等功能，为油库罐区的现代化管理打下了基础。系统人机对话方便简洁，系统构成灵活易扩展，系统可靠性高，应该说系统可靠性高，具有较好的推广价值。

充分应用CAN网络和光纤传感器的特点，可以将整个系统的扩展-远程油库油罐的液位、温度信号实时监测系统。

5、结束语

因为光纤传感器与测量技术是当今仪器仪表领域新的发展方向，其测量用的光纤传感器有很多种类，有很多种工作方式。要仔细地考虑项目的具体的应用要求，作好选择。

参考文献

1.Control Solutions International China  2004.03

2.何道青 编著 <<传感器与传感器技术>> 科学出版社 2004年8月1日出版.

3.李科杰编著 <<新编传感器技术手册>> 国防工业出版社 2002年7月1日出版.