全光纤马赫-曾德干涉型高精度油罐液位传感器*

常建华，杨镇博，王婷婷

(南京信息工程大学江苏省气象探测与信息处理重点实验室，南京信息工程大学，南京210044)

高精度液位测量在石油化工、交通储运等行业具有重要意义和价值，如油罐液位测量，油水分离器的油水界面监控等。目前大多数油罐液位还采用传统的浮子法检测，靠人工或电学法纪录液位，误差大、工作效率低，不适应于易燃易爆的场合应用。光纤传感器凭借其本质安全、结构简单、体积小、灵敏度高、便于形成网络等优点得到广泛应用。光纤液位传感器分光强调制型［1-4］和相位调制型［5-9］两种。光强调制型结构简单、易于解调，但存在受所测液体的物理化学性质限制、量程小、精度不高、可靠性不够等缺点。相位调制型具有更高的精度，这类传感器主要有非本征光纤法布里-珀罗腔式［5］，其灵敏度取决于膜的厚度与尺寸;基于光纤光栅式［6-7］和基于多模干涉式［8-9］，后两者使用腐蚀后的光纤光栅或拉锥后的光纤不仅降低了光纤本身的机械强度，而且还存在温度串扰。

本文主要报道了一种基于光衰减器的全光纤马赫-曾德干涉型油罐液位传感器，油罐液位变化会引起透射谱干涉条纹对比度的变化，通过快速傅立叶变换分析滤除零频分量的透射谱可油液液位进行高精度的测量。这种传感器和已有的液位传感器相比温度交叉敏感度低，有更好的机械强度。并且结构简单，易于制作，成本低。

1 传感器结构与原理

光衰减器被广泛应用于光通信系统，如波长平衡、接收功率控制和波分复用系统中的功率平衡等。常用的光衰减器的结构就是将两根单模光纤纤芯偏置几微米熔接。如图1所示，全光纤马赫-曾德干涉仪由三根单模光纤、两个纤芯偏置几个微米熔接点构成，其中传感光纤为去掉涂覆层的裸纤，长度几十毫米。熔接点相当于光纤耦合器，起到分光与合光的作用，相当于传统赫-曾德干涉仪的两个分束器。输入光纤中的光在熔接点1被分成两路，一路在传感光纤的纤芯中传输(实线箭头表示)，另一路以包层模在传感光纤包层中传播(虚线箭头表示)。一般来说包层模不能传输很长距离，因为在包层-外界界面能量会衰减，但如果在第一个纤芯偏置熔接点后几厘米处引入另一个纤芯偏置，包层模就会重新在纤芯偏置熔接点2耦合到输出光纤纤芯。由于传感光纤中包层模和纤芯模的相位差，发生模间干涉构成全光纤马赫-曾德干涉仪。

图1 全光纤马赫-曾德干涉型液位传感器结构示意图

马赫-曾德干涉条纹与传感光纤包层模的传播路径以及光损耗有关。已有研究表明，全光纤马赫-曾德干涉仪可用于测量小于包层折射率的液体折射率。当外界折射率小于包层折射率时，满足包层模在包层-环境界面全反射条件，包层模能量不会衰减，但包层的等效折射率会由于环境折射率的改变而改变，从而使不受外界环境的影响纤芯模和包层模的相位差发生改变，通过测量干涉条纹偏移测量环境折射率［10］。当外界折射率大于包层折射率(如油液)，一部分包层模能量在包层-环境界面发生泄漏，耦合到输出光纤纤芯的包层模能量衰减，而纤芯模依然不受外界环境的影响，从而干涉条纹的对比度会发生变化。传感光纤中，能量衰减随油液液位的升高而增加，干涉条纹对比度也随之下降。

2 传感器制作与实验

用光纤熔接机(古河FITEL S176)5 dB衰减模式熔接，获得5.2 dB衰减的熔接点1，金相显微照片如图2所示。在距离熔接点40 mm处用光纤熔接机的纤芯偏置模式熔接，不同方向不同偏置距离得到的透射光谱不同，如图3所示。可以看到当熔接点2没有纤芯偏置时几乎没有发生干涉，损耗为5.2 dB;而当x轴偏置7.5 μm，y轴偏置6 μm 时，得到的干涉条纹对比度最大。

图2 纤芯错位熔接后熔接点的金相显微照片

图3 马赫-曾德干涉谱(传感光纤40 mm)

液位测量实验装置如图1所示:其中监测系统使用光纤传感分析仪(OSA，Si720，Micron Optics Inc，USA)，其相干长度和谱宽分别为～2.4 m和1 pm，波长分辨率和精度分别为0.25 pm和1 pm。传感分析仪输出波长1 510 nm～1 590 nm的扫描激光光进入输入光纤，经过熔接点1分成纤芯模和包层模进入传感光纤，传输一段距离后在熔接点2耦合发生马赫-曾德干涉，透射的干涉光通过输出光纤回到传感分析仪显示出干涉光谱。实验中测量用的油液用阿贝折射率仪测得折射率为1.47。

当传感光纤长90 mm时，五种不同油液位高度的测量干涉光谱见图4。图中所示分别是传感光纤浸入油中0.25 mm、15 mm、25 mm、35 mm 以及45 mm时测得的传感器传输光谱。可以看出，干涉条纹对比度随着液位的升高明显降低，到45 mm时干涉条纹几乎消失，对比度最大变化约为8 dB，而干涉谱相位变化相对不明显。因此根据干涉条纹对比度的变化可以解调出液位高度。

图4 不同液位时的马赫-曾德干涉谱(传感光纤90 mm)

但是由于存在多模干涉，图4中不同波峰处的液位-条纹对比度变化灵敏度均不同，并且相位也有少许的变化，这就给直接解调带来了麻烦和误差。为了更准确的反应液位的高度，我们采用快速傅立叶变化(FFT)将滤除零频分量的空域信号变换至频域信号，波长范围从1 510 nm到1 590 nm，图5所示为变换结果，纵坐标幅度无量纲。从图5可以看出，峰处的幅度随着液位的升高显著降低，45 mm时幅度接近0。

图5 不同液位时滤除零频分量的M-Z干涉谱FFT变换结果(传感光纤90 mm)

图6所示为峰处幅度和油液液位的关系图。由图6可以看出，随着液位上升峰处幅度线性减小，图中的点是测量数值，线性拟和度98.5%，灵敏度311 mm-1，分辨率达到 3 μm。

图6 峰处幅度与液位关系图(传感光纤90 mm)

最后，我们研究了液位传感器的温度特性。如图7所示，我们将裸露在空气中的传感器放在温控箱中，温度从25℃升高到95℃的变化只使干涉谱红移了2.8 nm，而其对比度几乎无变化，去除零频经FFT变换后峰的位置没有改变，幅度随机波动±20，对应的液位波动仅为0.14%。可以认为该液位传感器对温度不敏感。

图7 油罐液位传感器在不同温度下的透射谱

3 结论

本文提出了一种基于全光纤马赫-曾德干涉仪的对温度不敏感的高精度油罐液位传感系统。采用FFT变换，在频域上对传感器去除零频后的透射谱进行分析，解调出油罐液位。当传感光纤长度为90 mm时，在油液液位测量线性区域灵敏度为311 mm-1，分辨率达到3 μm。实验表明该油罐液位传感系统测量精度高且温度串扰小。

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