光纖傳感器在測(cè)量技術(shù)中的應(yīng)用

摘要：本文主要介紹由光纖傳感器與基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成本的油庫(kù)油罐液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，由此分析出光纖傳感器在測(cè)量技術(shù)中的應(yīng)用以及光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報(bào)警器佳結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與使用。

1、前言-光纖傳感器與測(cè)量技術(shù)是儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向

由于光纖傳感器及技術(shù)具有較其它傳感器無(wú)法比擬的特點(diǎn)，所以近幾年來(lái)，光纖傳感器與測(cè)量技術(shù)發(fā)展成為儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向，而新型光纖傳感器不外乎有以下特點(diǎn)：

*光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能，傳光損耗很小，目前損耗能達(dá)到≤0。2dB/km的水平。

*光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)行超高速測(cè)量，靈敏度和線性度好。

*光纖傳感器體積很小，重量輕，能在惡劣環(huán)境下進(jìn)行非接觸式、非破壞性以及遠(yuǎn)距離測(cè)量。

還具有靈敏度高、可靠性好、原材料硅資源韋富、抗電磁干擾，抗腐蝕、耐高壓、電絕緣性能好、可繞曲、防爆、頻帶寬、損耗低等特點(diǎn)。同時(shí)，它還便于與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)智能化和遠(yuǎn)距離監(jiān)控。對(duì)傳統(tǒng)的傳感器起到擴(kuò)展提高的作用，不少情況下能夠完成前者很難完成甚至不能完成的仟?jiǎng)?wù)。

正是由于光纖傳感器具有許多獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可以解決許多傳統(tǒng)傳感器無(wú)法解決的問(wèn)題，故自從它問(wèn)世以來(lái)，就被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、交通、電力、機(jī)械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各個(gè)領(lǐng)域。值此，將討論光纖傳感器在石油化工領(lǐng)域應(yīng)用，即油庫(kù)油罐液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)方案(見(jiàn)圖0所示)。正因該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用了光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報(bào)警器。為此先對(duì)此有關(guān)的光纖傳感器技術(shù)作一介紹。

2、光纖傳感器組成與類型

光纖傳感器一般是由光源、接口、光導(dǎo)纖維、光調(diào)制機(jī)構(gòu)、光電探測(cè)器和信號(hào)處理系統(tǒng)等部分組成。來(lái)自光源的光線，通過(guò)接口進(jìn)入光纖，然后將檢測(cè)的參數(shù)調(diào)制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微處理器進(jìn)行信息處理。概括光纖傳感器一般由三部分組成，除光纖之外，還必須有光源和光探測(cè)器兩個(gè)重要部件，見(jiàn)圖1所示。

光纖傳感器一般分為兩大類：一類是傳光型，也稱非功能型光纖傳感器；另一類是傳感型，或稱為功能型光纖傳感器。前者多數(shù)使用多模光纖，以傳輸更多的光量；而傳感型光纖傳感器，是利用被測(cè)對(duì)象調(diào)制或改變光纖的特性，所以只能用單模光纖。

3、測(cè)量用的光纖傳感技術(shù)

3。1光纖溫度傳感器-傳光型光纖溫度傳感器

位圖2(a)為半導(dǎo)體吸光型(傳光型)光纖溫度傳感器示意圖。將一根切斷的光導(dǎo)纖維裝在細(xì)鋼管內(nèi)，光纖兩端面間夾有一塊半導(dǎo)體感溫薄片(如GaAs或InP)，這種半導(dǎo)體感溫薄片透射光強(qiáng)隨被測(cè)溫度而變化。因此，當(dāng)光纖一端輸入一恒定光強(qiáng)的光時(shí)，由于半導(dǎo)體感溫薄片透射能力隨溫度變化，光纖另一端接收元件所接受的光強(qiáng)也隨被測(cè)溫度而改變。于是通過(guò)測(cè)量光探測(cè)器輸出的電量，便能遙測(cè)到感溫探頭2(b)處的溫度。

探頭中，半導(dǎo)體材料的透過(guò)率與溫度的特性曲線如圖2(c)所示，當(dāng)溫度升高時(shí)，其透過(guò)率曲線向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)。顯然，半導(dǎo)體材料的吸收率與其禁帶寬度Eg有關(guān)，禁帶寬度又隨溫度而變化，多數(shù)半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg隨溫度丁的升高幾乎線性地減小，對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體的透過(guò)率特性曲線邊沿的波長(zhǎng)λg隨溫度升高向長(zhǎng)波方向位移。當(dāng)一個(gè)輻射光譜與λg相一致的光源發(fā)出的光，通過(guò)此半導(dǎo)體時(shí)，其透射光的強(qiáng)度隨溫度丁的升高而減少。那何為傳光型光纖傳感器？

傳光型光纖傳感器中的光纖僅作為傳輸光的介質(zhì)，只起傳輸光波的作用，對(duì)外界信息的“感覺(jué)”功能是依靠其它物質(zhì)的敏感元件來(lái)完成的，因此必須在光纖端面或中間加裝其它敏感元件才能構(gòu)成傳感器。這樣，傳感器中的光纖中間是中斷的、不連續(xù)的，中斷部分要接上其它介質(zhì)的敏感元件，如圖1所示。

調(diào)制器是敏感元件，置于入射光纖和接收光纖之間，在被測(cè)對(duì)象的作用下，使敏感元件的光路遮斷或使敏感元件的光穿透率發(fā)生變化，這樣，光探測(cè)器所接收的光量便成為被測(cè)對(duì)象調(diào)制后的信號(hào)，經(jīng)放大、解凋后，就可得到被測(cè)對(duì)象。

3。2光纖液位傳感器

基于全內(nèi)反射原理，可以設(shè)計(jì)成光纖液位傳感器。光纖液位傳感器由以下三部分組成：

*接觸液體后光反射量的檢測(cè)器件即光敏感元件；

*傳輸光信號(hào)的雙芯光纖；

*發(fā)光、受光和信號(hào)處理的接收裝置。

圖3(a)所示為光纖液位傳感器的基本結(jié)構(gòu)。這種傳感器的敏感元件和傳輸信號(hào)的光纖均由玻璃纖維構(gòu)成，故有絕緣性能好和抗電磁噪聲等優(yōu)點(diǎn)。

光纖液位傳感器的工作原理如圖3(b)所示。發(fā)光器件射出來(lái)的光通過(guò)傳輸光纖送到敏感元件，在敏感元件的球面上，有一部分透過(guò)，而其余的光被反射回來(lái)。當(dāng)敏感元件與液體相接觸時(shí)，與空氣接觸相比，球面部的光透射量增大，而反射量減少。因此，由反射光量即可知道敏感元件是否接觸液體。反射光量決定于敏感元件玻璃的折射率和被測(cè)定物質(zhì)的折射率。被測(cè)物質(zhì)的折射率越大，反射光量越小。來(lái)自敏感元件的反射光，通過(guò)傳輸光纖由受光器件的光電晶體管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后輸出。敏感元件的反射光量的變化，若以空氣的光量為基準(zhǔn)，在水中則為-6-—7dB，在油中為-25—30dB?？蓪?duì)反射光量差別很大的水和油等進(jìn)行物質(zhì)判別。

用微光檢測(cè)液位的光纖液位傳感器有如下特點(diǎn)：

*能用于易燃、易爆物等設(shè)施中；

*敏感元件的尺寸小，可用于檢測(cè)微量液體；

*從檢測(cè)液體開(kāi)始到檢測(cè)信號(hào)輸出為止的響應(yīng)時(shí)間短；

*敏感元件是玻璃的，故有抗化學(xué)腐蝕性；

*能檢測(cè)兩種(油、水等)液體界面：

*價(jià)格低廉。

在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意，光纖液面?zhèn)鞲衅鞑灰擞糜跈z測(cè)粘附在敏感元件玻璃表面的物質(zhì)。如何檢測(cè)液位？

在裝有液體的槽內(nèi)。將敏感元件安裝在液面下預(yù)定檢測(cè)的高度。當(dāng)液面低于這一高度時(shí)，從敏感元件產(chǎn)生的反射光量就增加，根據(jù)這時(shí)，發(fā)生的信號(hào)就能檢測(cè)出液面位置。若在不同高度安裝敏感元件，則可檢測(cè)液面的高度。

4、光纖傳感器與基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成的油庫(kù)油罐的液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。

4。1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。

圖0所示可知，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分別由中央控制式的中央監(jiān)控單元和現(xiàn)埸采集單元(或數(shù)據(jù)采集單元)組成?，F(xiàn)埸采集單元對(duì)油罐的液位、溫度信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，同時(shí)完成數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、存貯；中央監(jiān)控單元可以定期或不定期地從現(xiàn)埸采集單元獲取數(shù)據(jù)并完成圖像監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、打印及數(shù)據(jù)庫(kù)管理。而中央監(jiān)控單元和現(xiàn)埸采集單元之間通過(guò)CAN總線連接在一起，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，中央監(jiān)控單元處于主控位置，而現(xiàn)埸采集單元可以隨時(shí)響應(yīng)中央監(jiān)控單元的命令。其現(xiàn)埸采集單元由單片機(jī)8C552及采集、存儲(chǔ)、顯示、遙控和通信模塊組成，每個(gè)現(xiàn)埸采集單元可與光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報(bào)警器等16個(gè)設(shè)備相接。之所以應(yīng)用CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是內(nèi)由于CAN網(wǎng)絡(luò)具有的方便靈活、突出特性，抗干擾性、可靠性、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)。所有的光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報(bào)警器都可以通過(guò)一對(duì)雙絞線串接在一起，節(jié)省了空間、簡(jiǎn)化了布線。

4。2關(guān)于數(shù)據(jù)采集

4。21油罐液位信號(hào)的檢測(cè)采用光纖液位計(jì)。光纖液位計(jì)應(yīng)用于油田油庫(kù)處理，主要是依靠光纖本身的某些傳感功能和光傳輸信息的特征：

*可以實(shí)現(xiàn)非接觸槍測(cè)，對(duì)被測(cè)對(duì)象無(wú)干擾、無(wú)污染；

*實(shí)現(xiàn)非電檢測(cè)，本質(zhì)安全，防爆，解決了石油、石化等易燃易爆危險(xiǎn)場(chǎng)合多種參量的安全檢測(cè)和生產(chǎn)過(guò)程；

*具有高精度、高絕緣性，抗電磁干擾、抗雷電干擾。

4。22采用光纖溫度傳感器(或光纖光柵溫度傳感器更好，但成本高)，適用于各種惡劣環(huán)境的溫度測(cè)量，測(cè)量精度高，本身安全防爆，可靠性好、靈敏度高，是理想的一種溫度測(cè)量?jī)x。工作時(shí)，光源發(fā)出的連續(xù)寬帶光，經(jīng)傳輸光纜傳送量現(xiàn)場(chǎng)，感溫探頭內(nèi)測(cè)量光柵對(duì)該寬帶光有選擇性地反射附一窄帶光，經(jīng)同一傳輸光纜傳送到調(diào)制解調(diào)器，通過(guò)接收系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)，測(cè)定窄帶光的中心波長(zhǎng)，從而測(cè)定現(xiàn)場(chǎng)溫度。

4。23采用光纖液位報(bào)警器，該光纖液位報(bào)警器是根據(jù)光折射和反射原理，研制而成的定點(diǎn)液位檢測(cè)儀器，適用液位定點(diǎn)檢測(cè)和控制，耐高壓，抗污染、安全方便、使用壽命長(zhǎng)。

關(guān)于軟件，其操作系統(tǒng)可采用Windows糸列平臺(tái)；監(jiān)測(cè)軟件可用組態(tài)監(jiān)控軟件。

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、顯示、報(bào)警、打印等功能，為油庫(kù)罐區(qū)的現(xiàn)代化管理打下了基礎(chǔ)。系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話方便簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)構(gòu)成靈活易擴(kuò)展，系統(tǒng)可靠性高，應(yīng)該說(shuō)系統(tǒng)可靠性高，具有較好的推廣價(jià)值。

充分應(yīng)用CAN網(wǎng)絡(luò)和光纖傳感器的特點(diǎn)，可以將整個(gè)系統(tǒng)的擴(kuò)展-遠(yuǎn)程油庫(kù)油罐的液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

5、結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)楣饫w傳感器與測(cè)量技術(shù)是當(dāng)今儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向，其測(cè)量用的光纖傳感器有很多種類，有很多種工作方式。要仔細(xì)地考慮項(xiàng)目的具體的應(yīng)用要求，作好選擇。