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IP屬地：江西 上傳時(shí)間：2022-02-14 格式：DOC 頁(yè)數(shù)：9 大?。?69.50KB 積分：12 舉報(bào) 版權(quán)申訴

1、光纖液位傳感器綜述摘要 本文先說(shuō)明了液位傳感器適用的場(chǎng)合及其優(yōu)缺點(diǎn)，然后介紹了觀測(cè)孔式、浮子式、壓力式、液位反射式和折射率改變式五種光纖液位傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理，最后舉例說(shuō)明光纖液位傳感器的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。關(guān)鍵詞 光纖 液位 傳感器1.引言從字面上講, 傳感器可比作感知自然界物理現(xiàn)象的人的感覺(jué)器官。從工程技術(shù)上講, 傳感器是指檢測(cè)被測(cè)物體所帶有的信息的儀器。傳感器技術(shù)是利用各種功能材料實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)的一門(mén)應(yīng)用技術(shù), 它是檢測(cè)原理、材料科學(xué)、工藝加工三個(gè)要素的最佳結(jié)合。在發(fā)達(dá)國(guó)家, 傳感器技術(shù)被列為核心技術(shù)之一。液位傳感器是指檢測(cè)液體高度信息的儀器, 它在工業(yè)和日常生活中有著重要而廣泛的用途。在化工生

2、產(chǎn)中, 它可以用來(lái)計(jì)測(cè)輸送聚合物時(shí)的粉體平面、反應(yīng)缸的液位平面、石油化漿液位、化學(xué)儲(chǔ)藏罐內(nèi)的液體平面; 在冶金工業(yè)中, 可以用來(lái)計(jì)測(cè)制造鑄件的管道熔鐵平面和連續(xù)鑄造生產(chǎn)過(guò)程中的鋼包液位; 在日常生活中則可用來(lái)檢測(cè)大量的汽油、柴油存儲(chǔ)罐中的油位高度等等, 使它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中起到耳目的作用1。隨著近二十年來(lái)光纖通信技術(shù)的高速發(fā)展, 光纖光纜、激光光源、光電探測(cè)以及相關(guān)的技術(shù)、材料、加工工藝已經(jīng)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步. 由于光導(dǎo)纖維具有種種優(yōu)良的特性, 故人們將光纖這一新型材料用于傳感器, 發(fā)展了光纖傳感器技術(shù)。光纖傳感器技術(shù)自始至今一直在飛速發(fā)展, 各種新思路、新結(jié)構(gòu)、新工藝的光纖傳感器如雨后春

3、筍、不勝枚舉; 在此我們僅討論其中的一類(lèi)：液位傳感器。2. 光纖液位傳感器的使用要求2A. 高精度和高可靠性。很多應(yīng)用場(chǎng)合要求測(cè)量液位極值用子報(bào)警或危險(xiǎn)指示, 所以其精度和可靠性必須極高。B .轉(zhuǎn)換性能優(yōu)良, 線(xiàn)性特征范圍寬,檢測(cè)信號(hào)的信噪比高, 重復(fù)性好, 時(shí)間老化特性?xún)?yōu)良。C .工作溫度范圍一般為-0 一+125 。D. 尺寸小、重量輕、容易安裝, 性能價(jià)格比好。E .在污染、潮濕、有泡沫等不利環(huán)境下均能工作。與被測(cè)物體匹配好, 對(duì)被測(cè)體環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng), 不破壞被測(cè)體的狀態(tài), 檢測(cè)信號(hào)不受被測(cè)體環(huán)境的干擾。3.光纖液位傳感器的優(yōu)點(diǎn)光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比是用光而不是用電來(lái)作為傳遞敏感信息

4、的媒質(zhì),用光纖而不是用電纜來(lái)作為傳輸媒質(zhì)。它以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ), 將被敏感的狀態(tài)以光信號(hào)形式取出; 利用小型而簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件如LD、LED、PIN、APD 等很容易進(jìn)行光/電、電/光轉(zhuǎn)換, 易于與高速發(fā)展的電子裝置匹配3。與其它傳感器相比,光纖傳感器有以下優(yōu)點(diǎn):A.靈敏度高、頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大: 由于傳輸?shù)男畔⑤d體是光, 所以所有已研制成功的光纖傳感器分辨率大部分優(yōu)于目前其它同類(lèi)傳感器.光信號(hào)載頻高, 其頻帶寬。光器件已較為成熟, 能做成很大的動(dòng)態(tài)范圍4；B.光纖由石英材料做成, 有很好的電絕緣性能光纖傳感器不受電磁輻射的影響, 適用于電噪聲環(huán)境( 如輸電線(xiàn)、電氣鐵路和電氣機(jī)械中), 能避免產(chǎn)

5、生火花, 適用于油罐和易爆炸氣體( 如煤礦和石化工業(yè))。它耐高壓、耐腐蝕、在易燃易爆環(huán)境下安全可靠；C.體積小、重量輕、安裝簡(jiǎn)單、造價(jià)低；D. 光纖加特殊護(hù)層后能在高低溫下工作；E. 光纖不僅是敏感元件, 而且是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線(xiàn), 因此不必考慮測(cè)量?jī)x和被測(cè)物體的相對(duì)位置, 特別適合于電子式等傳感器不太適用的地方。可以與光纖遙測(cè)技術(shù)相配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量與控制5；F.光纖是無(wú)源器件, 對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響。其自身獨(dú)立性好, 可以適用于各種使用環(huán)境；G.光纖傳感器組成的光纖傳感器系統(tǒng)便于與中心計(jì)算機(jī)連接, 可實(shí)現(xiàn)多功能、智能化的要求6。4.光纖液位傳感器光纖液位傳感器可分為兩類(lèi)。第一類(lèi)是開(kāi)關(guān)式

6、，用于高低液位檢測(cè)和液體泄漏檢測(cè)。第二類(lèi)是模擬式，可用于實(shí)際液位高度測(cè)量。光纖在第一類(lèi)場(chǎng)合具有較多的應(yīng)用。液位是過(guò)程控制的主要參數(shù)之一，在石化工業(yè)與化學(xué)工業(yè)中，液位傳感器具有廣泛的應(yīng)用。由于許多過(guò)程控制場(chǎng)合都具有易爆性，所以光纖液位傳感器在這些場(chǎng)合倍受青睞。在軍事應(yīng)用中，許多場(chǎng)合要求檢測(cè)液體泄漏與液位高度，光纖傳感器能較好地滿(mǎn)足其要求。另外，抗電磁干擾與無(wú)線(xiàn)電干擾是光纖液位傳感器在上述各種領(lǐng)域中獲得應(yīng)用的主要原因之一。采用光與液位相互作用原理的光纖傳感器在相對(duì)干凈與透明的液體中工作較好。臟的和不透明的液體，如:原油和染料能污染光路，使傳感器無(wú)法檢測(cè)，固體粉末也是這樣。對(duì)這類(lèi)液位的測(cè)量最好采用與

7、壓力相關(guān)的檢測(cè)方法。在光纖液位傳感器中常采用的方法有以下幾種7.8l、觀測(cè)孔式;2、浮子式; 3、壓力式; 4、液位反射式; 5、折射率改變式。4.1 觀測(cè)孔式液位傳感器在鍋爐中通常使用雙顏色測(cè)量計(jì)觀測(cè)水位9。在該類(lèi)測(cè)量計(jì)中使用了一個(gè)梭鏡和光源，當(dāng)蒸氣進(jìn)入測(cè)量計(jì)時(shí)，從觀察孔上可以看到紅光，當(dāng)水進(jìn)入測(cè)量計(jì)時(shí)，使紅光產(chǎn)生折射，只有綠光傳輸?shù)竭_(dá)觀測(cè)孔。這種裝置示于圖10-1。檢測(cè)裝置通常放在鍋爐的一邊，這不利于集中監(jiān)測(cè)。當(dāng)在測(cè)量計(jì)上裝置了大芯、大數(shù)值孔徑光纖以后，紅光、綠光信號(hào)(分別代表水與蒸氣)可傳送到集中監(jiān)測(cè)室，如圖10-2所示。為了減少環(huán)境光的影響，光纖與觀測(cè)計(jì)的接口常置于一個(gè)罩里。此時(shí)，傳感

8、器被動(dòng)工作，沒(méi)有移動(dòng)部件和帶電器件，唯一用電器件只是光源?，F(xiàn)行安全規(guī)程常常要求使用這種方式。因?yàn)楸粋鬏數(shù)墓獗仨氉銐驈?qiáng)才能看得見(jiàn)，所以光纖傳愉的距離必須在100米之內(nèi)。4.2 浮子式液位傳感器 浮子式液位傳感器采用一個(gè)浮子跟蹤液位，簡(jiǎn)單的浮子結(jié)構(gòu)示于圖10-4。圖中(a)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成與反射式光纖傳感器結(jié)合使用，當(dāng)聯(lián)接在浮子上的反射日標(biāo)通過(guò)探頭時(shí)，產(chǎn)生光反射，傳感器輸出信號(hào)。圖中(b)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用傳輸式光纖傳感器與浮子結(jié)合使用，工作原理與圖10-4(a)類(lèi)似，所不同的是光纖傳輸代替了光反射10。這種類(lèi)型光纖傳感器通常僅用于監(jiān)測(cè)液位高低兩種狀態(tài)，然而，如果采用二進(jìn)制編碼板阻擋光線(xiàn)傳輸，并且采用多組傳輸

9、光纖，則可以用數(shù)學(xué)方式直接檢測(cè)液位的高度，圖10-5中示出了這種結(jié)構(gòu)。采用8位編碼，對(duì)液位測(cè)量的分辨率可達(dá)1/256。使用反射式光纖傳感器能以模擬方式測(cè)量液位的實(shí)際高度，圖10-6給出了這種傳感器的實(shí)際結(jié)構(gòu)。反射探頭加上透鏡后模擬信號(hào)的測(cè)量范圍擴(kuò)展到5英寸，因此，如果不采用其它機(jī)械結(jié)構(gòu)的話(huà)，這種傳感器的最大測(cè)量范圍是5英寸。4.3 壓力式液位傳感器 采用液體靜壓力探頭也可以測(cè)量液位，壓力由液位產(chǎn)生，液位高度H與壓力P之間的關(guān)系方程式由下式給出: H=P/SG，式中SG是液體的重力，P是水的密度。例如:30英尺水的液位(SG=1)壓強(qiáng)等于13.0磅/平方英寸，30英尺石油液位(SG=0. 65)

10、壓強(qiáng)等于8.44磅/平方英寸。光纖探頭與壓力膜構(gòu)成的壓力傳感器用于該種液位測(cè)量中，傳感器結(jié)構(gòu)原理示于圖10-7水箱液位從20英尺到60英尺，壓力范圍從0-26磅/平方英寸，6英寸分辨率對(duì)應(yīng)的傳感器準(zhǔn)確度為0.26磅/平方英寸，即1%。使用波紋面的壓力膜，靈敏度與線(xiàn)性度可進(jìn)一步得到改善11。當(dāng)壓力罐密封加壓時(shí)，液位測(cè)量變得復(fù)雜一些。此時(shí)，液位測(cè)量系統(tǒng)需要兩個(gè)壓力傳感器，一個(gè)安裝在雄上部測(cè)量密封壓力P1，另一個(gè)安裝在罐低部測(cè)量液體靜壓力和密封壓力之和P1+P2，如圖10-8個(gè)壓力傳感器測(cè)量的差值P2，對(duì)應(yīng)著液位的高度。這種原理存在的問(wèn)題是，如果密封罐壓力較高時(shí)，壓力測(cè)量的較小誤差可導(dǎo)致液位測(cè)量的較

11、大誤差。4.4液位反射式液位傳感器液位反射技術(shù)利用光線(xiàn)在液體表面反射測(cè)量液位12。對(duì)于一個(gè)入射光束，當(dāng)其接觸到液位時(shí)，反射光的位置是液位的函數(shù)，如圖10-9所示。使用光纖能夠把電子器件，如光源、光電二極管等置于遠(yuǎn)離測(cè)量的區(qū)域。在測(cè)量范圍很大或要得到很高靈敏度時(shí)，這種方法將導(dǎo)致成本增加，這是因?yàn)橐褂酶嗟墓饫w和器件。然而，對(duì)于腐蝕性液體與高溫液體的液位，不可能采用接觸測(cè)量時(shí)，這種方法具有獨(dú)到的優(yōu)點(diǎn)。例如:這種方法可以在貯罐中測(cè)量溶化玻璃的液位。如果光源采用脈沖調(diào)制，最好采用紅外線(xiàn)，這樣從溶化玻璃反射的調(diào)制脈沖信號(hào)被檢測(cè)，周?chē)h(huán)境光不產(chǎn)生影響。溶化的玻璃具有較高粘度與光滑平面，表面反射率較高。4

12、.5 折射率改變式液位傳感器這種技術(shù)由光傳輸?shù)嚼忡R端面并產(chǎn)生反射后而使傳感器工作。棱鏡探頭通常是石英制成，折射率為1. 46。在空氣介質(zhì)中時(shí)，棱鏡作用好比光纖芯，空氣好比外包層。棱鏡端面加工的形狀可促使入射光線(xiàn)產(chǎn)生反射，反射光由光電器件檢測(cè)。當(dāng)不存在液體時(shí)，在棱鏡探頭端面產(chǎn)生全部?jī)?nèi)部反射。當(dāng)存在著液體時(shí)，光線(xiàn)不能產(chǎn)生全部?jī)?nèi)部反射，一部分光經(jīng)過(guò)折射后進(jìn)入液體。兩種情況下，接收光強(qiáng)產(chǎn)生差異，從而達(dá)到檢測(cè)液位效果，該探頭結(jié)構(gòu)如圖10-10所示13。圖10-11中給出了傳感器結(jié)構(gòu)，除了棱鏡探頭以外，采用了傳輸與接收兩根光纖。當(dāng)采用低損光纖時(shí)，該傳感器可用于遠(yuǎn)程控制14。該類(lèi)傳感器屬于“點(diǎn)”傳感器，用于

13、高低液位檢測(cè)非常理想，也可用于泄漏檢測(cè)，因?yàn)閮H需很少一點(diǎn)液體就能使傳感器輸出狀態(tài)切換。當(dāng)檢測(cè)不同液位高度時(shí)，必須采用多個(gè)不同長(zhǎng)度的傳感器。采用折射率改變的原理，也可以將光纖去除外包層，彎成U”字形狀探頭，浸入液體后可檢測(cè)液位的高度15。因?yàn)椤癠”形探頭浸入液體后，將導(dǎo)致光折射率變化.損失了一部分光，從而使輸出光強(qiáng)減弱，該探頭結(jié)鉤如圖10-12所示。上述的傳感器都屬于數(shù)字應(yīng)用，即:檢測(cè)液位的有或無(wú)。然而，由于改變折射率原理在本質(zhì)上是模擬的，所以傳感器輸出也是液體折射率的函數(shù)。該類(lèi)傳感器也可以用來(lái)區(qū)分液體。5. 光纖液位傳感器的具體應(yīng)用5.1 UQG-光纖液位傳感器UQG-型光纖液位計(jì)16，它采用

14、了隔離式模塊化結(jié)構(gòu)，適用于一般常壓儲(chǔ)罐和壓力儲(chǔ)罐。壓力式儲(chǔ)罐的介質(zhì)壓力，是采用導(dǎo)桿隔離的，其液位信號(hào)是通過(guò)套在導(dǎo)桿上的浮球送出，浮球上安裝有磁性物體經(jīng)磁偶合，傳遞給導(dǎo)桿內(nèi)的偶合頭，再經(jīng)鋼絲繩傳遞給光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)液位的檢測(cè)。有些儲(chǔ)罐介質(zhì)溫度很低，導(dǎo)桿內(nèi)的空氣易產(chǎn)生冷凝沉積，偶合頭容易結(jié)凍，不能有效的跟蹤液位的變化，為此，UQG-型光纖液位計(jì)設(shè)計(jì)成隔離式密封結(jié)構(gòu)，隔絕了空氣交換。采用防水罩保護(hù)傳感器，光纜采用FC式直插接頭，使光柵檢測(cè)系統(tǒng)可以不受被測(cè)介質(zhì)霧化氣氛的污染，保護(hù)了光纖檢測(cè)傳感器。UQG-型光纖液位計(jì)根據(jù)巡視、檢修、液位設(shè)置、斷電封罐的需要，還備有現(xiàn)場(chǎng)指針式油位位置顯示表，油罐可以在長(zhǎng)

15、期無(wú)電封的情況下，指示油罐內(nèi)的液位，還可以為儀表校準(zhǔn)液位值提供直接數(shù)據(jù)，免去人工檢尺的麻煩。UQG-型光纖液位計(jì)是根據(jù)力平衡原理測(cè)量?jī)?chǔ)罐液位的儀表。它由浮球、光纖傳感器、力平衡傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、光電變換器、光纜及智能式數(shù)顯表等所組成。其工作原理簡(jiǎn)述如下：在力平衡機(jī)構(gòu)的作用下，浮球把感測(cè)到的液位的變化量，通過(guò)鋼絲繩傳遞給測(cè)量裝置內(nèi)的磁偶合器，在磁偶合器的作用下使隔離的光纖傳感器感受到位移的變化量，并通過(guò)光纖送出光信號(hào)給光電變換器變換成電信號(hào)給智能式數(shù)顯示液位，智能式數(shù)顯表可以根據(jù)用戶(hù)的要求實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，實(shí)現(xiàn)液位的檢測(cè)與控制。UQG-型光纖液位計(jì)由于具有體積小、重量輕、模塊化、與被測(cè)介質(zhì)隔離、現(xiàn)場(chǎng)顯示、數(shù)

16、據(jù)記憶等特點(diǎn)，所以安裝、維修都很方便，深受用戶(hù)歡迎。 5.2 GXY-B型光纖傳感液位報(bào)警器GXY-B型光纖傳感液位報(bào)警器運(yùn)用光折射原理，采用紅外光為檢測(cè)光源，以光纖作為敏感單元及信號(hào)傳輸載體，可在0.1mm液位變化條件下，觸發(fā)信號(hào)輸出，具有極高的靈敏度。光纖將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸?shù)饺萜魍膺M(jìn)行光電轉(zhuǎn)換及信號(hào)處理后輸出顯示、控制、報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)17。檢測(cè)傳感部分采用無(wú)電檢測(cè)技術(shù)，具有“本質(zhì)安全型”防爆特性。在易燃易爆、強(qiáng)腐蝕、高溫、高壓等危險(xiǎn)和惡劣環(huán)境中使用，具有精度高、安全可靠、性能穩(wěn)定、抗干擾、耐腐蝕、使用壽命長(zhǎng)、安裝簡(jiǎn)便、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適合各類(lèi)潔凈低粘度液體液位的測(cè)控及報(bào)警溢罐和/或空罐現(xiàn)象；

17、可廣泛用于化工、石油化工、化纖、化肥、食品、醫(yī)藥、運(yùn)輸及軍工等行業(yè)生產(chǎn)、儲(chǔ)存及運(yùn)輸過(guò)程中多種液體貯罐、貯槽及各種反應(yīng)釜的水、油、化學(xué)試劑及酸、堿和腐蝕液等液體關(guān)鍵點(diǎn)分立液位的高精度測(cè)控及液位高位和/或低位報(bào)警控制,是目前世界上先進(jìn)的界面測(cè)控報(bào)警儀表之一。6. 結(jié)語(yǔ)總的看來(lái), 各類(lèi)光纖液位傳液位感器的結(jié)構(gòu)和制作過(guò)程簡(jiǎn)單, 并且沒(méi)有使用復(fù)雜的光學(xué)器件, 一般都采用通過(guò)測(cè)量光功率的變化來(lái)間接提取液位信息。由于在光纖測(cè)量技術(shù)中, 光功率的測(cè)量技術(shù)發(fā)展得最完善, 其原理簡(jiǎn)單、器件造價(jià)最低, 因而光纖液位傳感器價(jià)格準(zhǔn)致兼。性能穩(wěn)定。光纖液位傳感器也有不完善之處; 目前世界上還沒(méi)有一個(gè)精度高、測(cè)量范圍廣、造

18、價(jià)低、長(zhǎng)期使用重復(fù)性好的光纖液位傳感器。它不能探測(cè)污濁液體以及會(huì)粘附在探頭表面的粘稠物質(zhì), 在這一方面還有待于進(jìn)一步的發(fā)展18。參考文獻(xiàn)1 黃燕平，裴 麗，簡(jiǎn)水生，光纖液位傳感器綜述，光通信技術(shù)，Vol.19 No.2，1994.2 黃燕平，裴 麗，簡(jiǎn)水生，光纖液位傳感器綜述，光通信技術(shù)，Vol.19 No.2，1994.3 根本俊雄著.張克立譯.光纖在側(cè)量上的應(yīng)用.應(yīng)用物理.1980.4 chappel.R.E, and ilallash.R.T，F(xiàn)iber Optics Used for Reliable Drum Water level Indication. Engineering C

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