光纖傳感器在測量技術(shù)中的應(yīng)用簡介
??????? 摘要：本文主要介紹由光纖傳感器與基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成本的油庫油罐液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，由此分析出光纖傳感器在測量技術(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法比擬的特點(diǎn)，所以近幾年來，光纖傳感器與測量技術(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≤0.2 dB/km的水平。
* 光纖傳感器頻帶寬，可進(jìn)行超高速測量，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)傳感器無法解決的問題，故自從它問世以來，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，即油庫油罐液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)方案(見圖0所示)。正因該監(jiān)測系統(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)、光電探測器和信號(hào)處理系統(tǒng)等部分組成。來自光源的光線，通過接口進(jìn)入光纖，然后將檢測的參數(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器兩個(gè)重要部件，見圖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)也隨被測溫度而改變。于是通過測量光探測器輸出的電量，便能遙測到感溫探頭2(b)處的溫度。
??????? 探頭中，半導(dǎo)體材料的透過率與溫度的特性曲線如圖2(c)所示，當(dāng)溫度升高時(shí)，其透過率曲線向長波長方向移動(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)體的透過率特性曲線邊沿的波長λg隨溫度升高向長波方向位移。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”功能是依靠其它物質(zhì)的敏感元件來完成的，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，光探測器所接收的光量便成為被測對(duì)象調(diào)制后的信號(hào)，經(jīng)放大、解凋后，就可得到被測對(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)光器件射出來的光通過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，而其余的光被反射回來。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定物質(zhì)的折射率。被測物質(zhì)的折射率越大，反射光量越小。來自敏感元件的反射光，通過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，可用于檢測微量液體；
*從檢測液體開始到檢測信號(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測粘附在敏感元件玻璃表面的物質(zhì)。如何檢測液位？
??????? 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)就能檢測出液面位置。若在不同高度安裝敏感元件，則可檢測液面的高度。
4、光纖傳感器與基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)組成的油庫油罐的液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。
4.1監(jiān)測系統(tǒng)組成。
??????? 圖0所示可知，監(jiān)測系統(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、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、打印及數(shù)據(jù)庫管理。而中央監(jiān)控單元和現(xiàn)埸采集單元之間通過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)警器都可以通過一對(duì)雙絞線串接在一起，節(jié)省了空間、簡化了布線。
4.2關(guān)于數(shù)據(jù)采集
4.21油罐液位信號(hào)的檢測采用光纖液位計(jì)。光纖液位計(jì)應(yīng)用于油田油庫處理，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，對(duì)被測對(duì)象無干擾、無污染；
*實(shí)現(xiàn)非電檢測，本質(zhì)安全，防爆，解決了石油、石化等易燃易爆危險(xiǎn)場合多種參量的安全檢測和生產(chǎn)過程；
*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)境的溫度測量，測量精度高，本身安全防爆，可靠性好、靈敏度高，是理想的一種溫度測量儀。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，感溫探頭內(nèi)測量光柵對(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，通過接收系統(tǒng)進(jìn)行解調(diào)，測定窄帶光的中心波長，從而測定現(xiàn)場溫度。
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)液位檢測儀器，適用液位定點(diǎn)檢測和控制，耐高壓，抗污染、安全方便、使用壽命長。
??????? 關(guān)于軟件，其操作系統(tǒng)可采用Windows糸列平臺(tái)；監(jiān)測軟件可用組態(tài)監(jiān)控軟件。
??????? 該監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測、顯示、報(bào)警、打印等功能，為油庫罐區(qū)的現(xiàn)代化管理打下了基礎(chǔ)。系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話方便簡潔，系統(tǒng)構(gòu)成靈活易擴(kuò)展，系統(tǒng)可靠性高，應(yīng)該說系統(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)程油庫油罐的液位、溫度信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。
5、結(jié)束語
??????? 因?yàn)楣饫w傳感器與測量技術(shù)是當(dāng)今儀器儀表領(lǐng)域新的發(fā)展方向，其測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。
參考文獻(xiàn)
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