全光纖馬赫-曾德干涉型高精度油罐液位傳感器*

常建華，楊鎮博，王婷婷

(南京信息工程大學江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，南京信息工程大學，南京210044)

高精度液位測量在石油化工、交通儲運等行業具有重要意義和價值，如油罐液位測量，油水分離器的油水界面監控等。目前大多數油罐液位還采用傳統的浮子法檢測，靠人工或電學法紀錄液位，誤差大、工作效率低，不適應于易燃易爆的場合應用。光纖傳感器憑借其本質安全、結構簡單、體積小、靈敏度高、便于形成網絡等優點得到廣泛應用。光纖液位傳感器分光強調制型［1-4］和相位調制型［5-9］兩種。光強調制型結構簡單、易于解調，但存在受所測液體的物理化學性質限制、量程小、精度不高、可靠性不夠等缺點。相位調制型具有更高的精度，這類傳感器主要有非本征光纖法布里-珀羅腔式［5］，其靈敏度取決于膜的厚度與尺寸;基于光纖光柵式［6-7］和基于多模干涉式［8-9］，后兩者使用腐蝕后的光纖光柵或拉錐后的光纖不僅降低了光纖本身的機械強度，而且還存在溫度串擾。

本文主要報道了一種基于光衰減器的全光纖馬赫-曾德干涉型油罐液位傳感器，油罐液位變化會引起透射譜干涉條紋對比度的變化，通過快速傅立葉變換分析濾除零頻分量的透射譜可油液液位進行高精度的測量。這種傳感器和已有的液位傳感器相比溫度交叉敏感度低，有更好的機械強度。并且結構簡單，易于制作，成本低。

1 傳感器結構與原理

光衰減器被廣泛應用于光通信系統，如波長平衡、接收功率控制和波分復用系統中的功率平衡等。常用的光衰減器的結構就是將兩根單模光纖纖芯偏置幾微米熔接。如圖1所示，全光纖馬赫-曾德干涉儀由三根單模光纖、兩個纖芯偏置幾個微米熔接點構成，其中傳感光纖為去掉涂覆層的裸纖，長度幾十毫米。熔接點相當于光纖耦合器，起到分光與合光的作用，相當于傳統赫-曾德干涉儀的兩個分束器。輸入光纖中的光在熔接點1被分成兩路，一路在傳感光纖的纖芯中傳輸(實線箭頭表示)，另一路以包層模在傳感光纖包層中傳播(虛線箭頭表示)。一般來說包層模不能傳輸很長距離，因為在包層-外界界面能量會衰減，但如果在第一個纖芯偏置熔接點后幾厘米處引入另一個纖芯偏置，包層模就會重新在纖芯偏置熔接點2耦合到輸出光纖纖芯。由于傳感光纖中包層模和纖芯模的相位差，發生模間干涉構成全光纖馬赫-曾德干涉儀。

圖1 全光纖馬赫-曾德干涉型液位傳感器結構示意圖

馬赫-曾德干涉條紋與傳感光纖包層模的傳播路徑以及光損耗有關。已有研究表明，全光纖馬赫-曾德干涉儀可用于測量小于包層折射率的液體折射率。當外界折射率小于包層折射率時，滿足包層模在包層-環境界面全反射條件，包層模能量不會衰減，但包層的等效折射率會由于環境折射率的改變而改變，從而使不受外界環境的影響纖芯模和包層模的相位差發生改變，通過測量干涉條紋偏移測量環境折射率［10］。當外界折射率大于包層折射率(如油液)，一部分包層模能量在包層-環境界面發生泄漏，耦合到輸出光纖纖芯的包層模能量衰減，而纖芯模依然不受外界環境的影響，從而干涉條紋的對比度會發生變化。傳感光纖中，能量衰減隨油液液位的升高而增加，干涉條紋對比度也隨之下降。

2 傳感器制作與實驗

用光纖熔接機(古河FITEL S176)5 dB衰減模式熔接，獲得5.2 dB衰減的熔接點1，金相顯微照片如圖2所示。在距離熔接點40 mm處用光纖熔接機的纖芯偏置模式熔接，不同方向不同偏置距離得到的透射光譜不同，如圖3所示。可以看到當熔接點2沒有纖芯偏置時幾乎沒有發生干涉，損耗為5.2 dB;而當x軸偏置7.5 μm，y軸偏置6 μm 時，得到的干涉條紋對比度最大。

圖2 纖芯錯位熔接后熔接點的金相顯微照片

圖3 馬赫-曾德干涉譜(傳感光纖40 mm)

液位測量實驗裝置如圖1所示:其中監測系統使用光纖傳感分析儀(OSA，Si720，Micron Optics Inc，USA)，其相干長度和譜寬分別為～2.4 m和1 pm，波長分辨率和精度分別為0.25 pm和1 pm。傳感分析儀輸出波長1 510 nm～1 590 nm的掃描激光光進入輸入光纖，經過熔接點1分成纖芯模和包層模進入傳感光纖，傳輸一段距離后在熔接點2耦合發生馬赫-曾德干涉，透射的干涉光通過輸出光纖回到傳感分析儀顯示出干涉光譜。實驗中測量用的油液用阿貝折射率儀測得折射率為1.47。

當傳感光纖長90 mm時，五種不同油液位高度的測量干涉光譜見圖4。圖中所示分別是傳感光纖浸入油中0.25 mm、15 mm、25 mm、35 mm 以及45 mm時測得的傳感器傳輸光譜?？梢钥闯觯缮鏃l紋對比度隨著液位的升高明顯降低，到45 mm時干涉條紋幾乎消失，對比度最大變化約為8 dB，而干涉譜相位變化相對不明顯。因此根據干涉條紋對比度的變化可以解調出液位高度。

圖4 不同液位時的馬赫-曾德干涉譜(傳感光纖90 mm)

但是由于存在多模干涉，圖4中不同波峰處的液位-條紋對比度變化靈敏度均不同，并且相位也有少許的變化，這就給直接解調帶來了麻煩和誤差。為了更準確的反應液位的高度，我們采用快速傅立葉變化(FFT)將濾除零頻分量的空域信號變換至頻域信號，波長范圍從1 510 nm到1 590 nm，圖5所示為變換結果，縱坐標幅度無量綱。從圖5可以看出，峰處的幅度隨著液位的升高顯著降低，45 mm時幅度接近0。

圖5 不同液位時濾除零頻分量的M-Z干涉譜FFT變換結果(傳感光纖90 mm)

圖6所示為峰處幅度和油液液位的關系圖。由圖6可以看出，隨著液位上升峰處幅度線性減小，圖中的點是測量數值，線性擬和度98.5%，靈敏度311 mm-1，分辨率達到 3 μm。

圖6 峰處幅度與液位關系圖(傳感光纖90 mm)

最后，我們研究了液位傳感器的溫度特性。如圖7所示，我們將裸露在空氣中的傳感器放在溫控箱中，溫度從25℃升高到95℃的變化只使干涉譜紅移了2.8 nm，而其對比度幾乎無變化，去除零頻經FFT變換后峰的位置沒有改變，幅度隨機波動±20，對應的液位波動僅為0.14%?？梢哉J為該液位傳感器對溫度不敏感。

圖7 油罐液位傳感器在不同溫度下的透射譜

3 結論

本文提出了一種基于全光纖馬赫-曾德干涉儀的對溫度不敏感的高精度油罐液位傳感系統。采用FFT變換，在頻域上對傳感器去除零頻后的透射譜進行分析，解調出油罐液位。當傳感光纖長度為90 mm時，在油液液位測量線性區域靈敏度為311 mm-1，分辨率達到3 μm。實驗表明該油罐液位傳感系統測量精度高且溫度串擾小。

［1］馮流螢，劉培勛.光纖液位傳感器［J］.電子器件，1994，17(4):30-33.

［2］Nath P，Datta P，Sarma K C.All Fiber-Optic Sensor for Liquid Level Measurement［J］.Microw and Opt Tech Lett，2008，50(7):1982-1984.

［3］Musayev E，Karlik S E.A Novel Liquid Level Detection Method and Its Implementation［J］.Sens Actuat A，2003，109(1):21-24.

［4］Vázquez C，Gonzalo A B，Vargas S，et al.Multi-Sensor System Using Plastic Optical Fibers for Intrinsically Safe Level Measurements［J］，Sens Actuat A，2004，116(1):22-32.

［5］呂濤，劉德森，劉志麟，等.基于非本征Fabry-Perot腔高精度光纖液位傳感器研究［J］.光子學報，2007，36(4):690-693.

［6］伊林，楊冬曉，陳松濤.光纖光柵液位傳感技術研究［J］.傳感技術學報，2005，18(3):669-671.

［7］Obaton A F，Laffont G，Wang C，et al.Tilted Fibre Bragg Gratings and Phase Sensitive-Optical Low Coherence Interferometry for Refractometry and Liquid Level Sensing［J］.Sensors and Actuators A，2013，189:451-458.

［8］Antonio-Lopez J E，May-Arrioja D A，LiKamWa P.Fiber-Optic Liquid Level Sensor［J］.IEEE Photon Technol Lett，2011，23(23):1826-1828.

［9］Chen T，Chen R，Lu P，et al.Tapered Fibre Mach-Zehnder Interferometer for Simultaneous Measurement of Liquid Level and Temperature［J］.Electronics Letters，2011，47(19):1093-1095.

［10］Jha R，Villatoro J，Badenes G，et al.Refractometry Based on a Photonic Crystal Fiber Interferometer［J］.Opt Lett，2009，34(5):617-619.