侯钰龙， 刘文怡， 张会新， 苏　珊， 刘　佳， 赵利辉

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西 太原 030051; 2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 山西 太原 030051; 3.北京航空航天大学 惯性技术重点实验室， 北京 100191; 4.北京航空航天大学 精密光机电一体化教育部重点实验室，北京 100191)



综述与评论

光纤液位传感技术研究进展与趋势*

侯钰龙1,2， 刘文怡1,2， 张会新3,4， 苏珊1,2， 刘佳1,2， 赵利辉1,2

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 山西 太原 030051; 2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 山西 太原 030051; 3.北京航空航天大学 惯性技术重点实验室， 北京 100191; 4.北京航空航天大学 精密光机电一体化教育部重点实验室，北京 100191)

摘要:介绍了光纤液位传感器相较于普通液位传感器的特点和优势，梳理光纤液位传感技术发展脉络，简单介绍其分类。针对静态与动态应用场景下的光纤液位测量技术展开分析，列举了国内外有代表性的最新研究成果，并对未来发展趋势进行展望。

关键词：光纤传感器； 液位检测； 动态测试

0引言

液位传感技术主要用于液体原料或制品的存储和运输过程中的液位监测[1]，以及用于飞机燃油系统的液位测量等，在石油、化工、航天等领域内具有十分广泛的应用需求。但同时液位传感器的使用环境异常复杂，经常需要在强电磁干扰、易燃易爆、腐蚀性、低温等特殊环境下使用，对传感器的适应能力提出了诸多苛刻的要求。与其它相对成熟的液位传感技术相比，诸如电容式[2]、磁致伸缩式[3]、超声波式[4]等，光纤液位传感器设计最为灵活，种类多且各具特点，能够满足复杂多变甚至是恶劣环境下的液位测量需求。由于光纤传感器所体现出的免疫电磁干扰、抗腐蚀、质量轻、体积小、测量精度高等优势，吸引了该领域研究者更多的关注。

本文简单梳理光纤液位传感器的发展脉络，针对最新研究成果展开介绍，分析光纤液位传感技术发展所面临的难题，并对其发展趋势进行展望。

1光纤液位传感器的分类

按照传统分类方式，光纤液位传感器可以分为本征和非本征两类。非本征型是利用光纤作为信号传输介质，传感实际上是通过外加的调制装置来实现，如3EFL—Ⅰ系列光纤液位变送器[5]。这一类传感器设计主要出现于本世纪初期，常常需要浮筒，光码变送器及复杂的机械运动机构，虽然该类传感器可实现较大测量范围，但精度不高，实时性较差，系统复杂且体积庞大[6]。本征型是指利用光纤自身作为液位传感器，主要包括压强敏感型、受抑全内反射型、光时域反射(OTDR)型、长周期光纤光栅型等。

本文主要针对静态与动态液位测量技术分别展开介绍。

2光纤液位静态测量技术

目前，光纤液位传感器中最为成功的是压强敏感型光纤液位传感器。其利用应变片来感受来自液体的静压强，并通过光纤来测量作用在应变片上的压强值，从而得到液位值。根据应变片形变感应方式的不同可将压强敏感式光纤液位传感器分为光强反射式[7，8]、Fabry-Perot式[9]、微弯式[10]、双折射式[11]、光纤布拉格光栅(FBG)式[12]等。虽然很多场合均要求实现大动态范围内的高精度测量，但起初这些传感器通常无法兼顾测量范围与分辨率。随着MEMS技术、光刻工艺与精密加工技术的发展，Fabry-Perot式和布拉格光栅式液位传感器近年来获得了许多新的突破。

2.1基于隔膜的非本征Fabry-Perot干涉型液位传感器

2014年，广东海洋大学Wang Wenhua等人报道了大动态范围DEFPI(diaphragm-based extrinsic Fabry-Perot interfe-rometric)液位传感器，传感器结构如图1[13]所示。该传感器是通过CO2激光器加热熔接技术制作的全熔融石英(all fused-silica)结构的非本征型Fabry-Perot光纤干涉仪，可以实现5 m动态范围内的高精度液位测量，测量分辨率达到了0.7 mm。该传感器的测量范围大大超出了以往压力式液位传感器数10 cm的动态范围，且兼顾了测量的精确性。

图1　DEFPI液位传感器结构示意图Fig 1　Configuration of a DEFPI liquid level sensor

通常，温度交叉敏感是Fabry-Perot类传感器的关键性技术难题。该小组发现在制作过程中对Fabry-Perot腔进行密封处理，会导致在腔体内捕获空气，这些空气会随环境温度的改变而受热膨胀，引发隔膜内表面产生有害的压力，从而导致传感器具有很强的温度依赖性。为解决这个问题，该小组为Fabry-Perot腔体留了气孔，从而显著降低了由温度交叉敏感所引起的误差(0.002 5 kPa/℃，相应的液位误差为0.25 mm/℃)。

2.2FBG型液位传感器

由于Fabry-Perot式和FBG式液位传感器均属于波长调制型，光源往往需要昂贵的可调谐激光光源，传感信号检测则需要昂贵的解调设备，高昂的系统成本阻碍了该类型传感器的应用推广。同样在2014年，Dipankar Sengupta等人利用FBG实现1 m范围内的液位测量，传感器的敏感度达到1.8 pm/cm。如图2[14]所示,该传感器利用硅胶封装FBG，在感受液位压强的同时可以隔离外界环境温度的影响。

图2　FBG液体静压传感探头结构示意图Fig 2　Configuration of FBG hydrostatic pressure sensing probe

为了突破信号检测成本给实际应用带来的限制，该小组利用SMS边界滤波器将布拉格波长频移转换为相应的光强度变化，从而实现低成本的实时现场测量。可以看到，随着各种新技术手段的涌现，以往困扰光纤传感器应用的诸多困难，例如:交叉敏感、高昂的测量成本等问题正在逐步化解，也正因此,光纤类传感器在液位测量领域保持着旺盛的研发势头。如图3所示，截至2015年1月，通过Web of Science检索得到的非光纤类的液位传感器总数为40余篇，而光纤类液位传感器文献数则达到90余篇。

图3　光纤类与非光纤类液位传感器近20年SCI论文发表情况对比Fig 3　Comparison of SCI indexical papers on optical fiber andnon-optical fiber liquid level sensors in recent 20 years

但也要看到，无论Fabry-Perot类或FBG类液位传感器，其测量物理量均为液体的静压强，由于运动过程中将产生的加速度和额外压强导致此类传感器并不适用于液体装卸、运输，特别是飞行器上升、下降运动过程中的燃油液位的动态实时测量。飞机燃油液位测量中，尽管传统的电容式液位传感器存在精度低、质量庞大、系统复杂、带电测量存在安全隐患、易受电磁干扰等显著缺点，而这些缺点也恰恰是光纤类传感器可以弥补的，但是由于飞机燃油液位测量对动态性能的要求是现有的压强敏感型光纤液位测量技术仍未突破的原理性难题，因此，传统电容式液位测量技术仍然难以被取代。

3光纤液位动态测量技术

光纤动态液位传感一直是光纤传感领域内未被攻克的技术难题。1995年，由意大利Cassino大学工业工程学院的Betta G提出基于倏逝场光泄漏的光纤液位传感器[15]。该小组通过化学腐蚀的方法将一根塑料包层光纤的包层由12.5 μm减小到5 μm，实现了1 m范围内的连续液位动态测量，但液位测量精度仅为25 mm。由于该方法需要对包层厚度进行精确控制，增加了制造的难度，并且由于原有包层结构遭到破坏，使得该传感器的鲁棒性变差。2013年,美国北达科他州立大学和密苏里大学的Huang Ying和Chen Baokai等人[16]合作，利用长周期光纤光栅制作了连续液位传感器，实现了液位分辨率误差小于1 mm。该传感器虽然实现了连续液位测量和较高的精度，但量程只有3 cm，仍无法满足实际应用需求。2013年，华中科技大学的赵呈锐等人[17]，针对飞机燃油液位测量，提出了基于侧光光纤(side-emitting fiber)光泄露原理的动态液位测量系统。侧光光纤由于内部存在散射颗粒，使得光纤不断发生光辐射，通常被用作照明。该小组将侧光光纤螺旋弯曲后浸入被测液体中，发现侧光光纤的辐射量与周围环境的折射率有关，光纤的辐射损耗随浸入液位的增高而变大。利用该原理，该小组实现了1 m范围内的液位动态实时测量，但由于输出的非线性，导致测量误差超过1.77 %，仍然无法满足飞机燃油液位测量的精度要求(1 %)。

总之,在传感器的特性和参数上仍与成熟技术有较大差距，至今尚未见到参数足够理想，可以兼顾测量精度与量程的报道。

4结束语

综上所述，光纤液位传感技术在测量精度、量程等参数方面已满足市场化需求，在环境适应性等方面较传统技术体现出特有的优越性。高性能的光纤传感器通常属于波长调制，市场主流的解调设备价格仍旧昂贵。但可以预见，随着SMS边界滤波器的应用推广，波长信号的解调成本将大幅下降，从而使光纤传感器获得更为强劲的市场竞争优势。在静态液位测量方面，光纤传感器已经实现了十分优越的性能，但不可否认的是在动态液位测量方面，光纤传感技术尚难以取代传统测量手段。可以确信，随着新的光纤传感原理、技术和设计的不断涌现，最终光纤传感器一定能够在飞机燃油等动态液位测量环境下发挥积极作用。

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侯钰龙(1984-)，男，河北平乡人，博士研究生，主要从事光纤传感方面的研究。

Research progress and trends of optical fiber liquid level sensing technologies*

HOU Yu-long1,2， LIU Wen-yi1,2， ZHANG Hui-xin3,4, SU Shan1,2, LIU Jia1,2, ZHAO Li-hui1,2

(1.Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement,Ministry of Education, North University of China,Taiyuan 030051,China; 2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, Taiyuan 030051,China; 3.Science and Technology on Inertial Laboratory,Beihang University, Beijing 100191,China; 4.Key Laboratory of Precision Opto-mechatronics Technology, Ministry of Education,Beihang University,Beijing 100191,China)

Abstract:Comparing with normal liquid level sensors,characteristics and advantages of fiber liquid level sensor are introduced,technical of the technology and its classification are simply illuminated.The optical fiber liquid level measuring technologies for different applications of static and dynamic conditions are analyzed by up-to-date research works,and development trends in the fature are prospected.

Key words:optical fiber sensor; liquid level detection; dynamic test

作者简介:

中图分类号：TP 212.1

文献标识码：A

文章编号：1000—9787(2016)01—0001—03

*基金项目：国家自然科学基金资助项目(51275491，61275166)

收稿日期：2015—02—11

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)01—0001—03