基于傾斜光纖光柵的液位傳感特性研究

孫宇丹，張曉雨，劉 強，劉懿瑩，劉 超，李 騫，劉擎鈺，牟海維

(1.東北石油大學電子科學學院，黑龍江大慶 163318；2.大慶師范學院機電工程學院，黑龍江大慶 163712；3.東北石油大學黑龍江省高校校企共建測試計量技術(shù)與儀器儀表研發(fā)中心，黑龍江大慶 163318)

0 引言

液位測量方法從早期的人工檢尺法[1]到現(xiàn)在的HTG法[2]、壓差式檢測法[3-4]、電容法[5-6]、超聲波檢測法[7-8]等，不斷發(fā)展變化。在液位測量中，人工檢尺法、HTG法、超聲波檢測法測量精度較低，具有較大的測量誤差。壓差式檢測法具有成本低、量程大、維護方便的優(yōu)點，但對測量溶液要求較高。電容法測量液位時綜合指標較好，但信號處理相對困難。相比于傳統(tǒng)的液位傳感器，光纖光柵液位傳感器具有體積小、質(zhì)量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾等優(yōu)勢，可廣泛應用于化學、食品、自動化工業(yè)生產(chǎn)及具有潛在危險的環(huán)境中。其中傾斜光纖布拉格光柵(TFBG)為短周期光纖光柵中的一種，其光柵平面與光纖軸有一定的傾斜角，極大的增強了包層模的耦合強度，對外界環(huán)境高度敏感[9]。并且在液位測量中可保持光纖結(jié)構(gòu)及機械強度的完整性，對溫度有較低的交叉敏感性。因此，科研人員開始嘗試將TFBG用于液位測量，T.Osuch采用TFBG對石蠟油溶液進行測量[10]，利用纖芯模波長的漂移量與包層模透射譜幅值的變化量實現(xiàn)溫度與液位的同時測量。為提高液位測量量程，蔣奇采用TFBG串聯(lián)的方法實現(xiàn)對油位的監(jiān)測[11]。

然而，上述實驗僅測量了單一溶液，并未給出待測介質(zhì)折射率對液位測量結(jié)果的影響。為進一步分析溶液折射率對TFBG液位測量的影響，本文首先采用OptiGrating軟件仿真了傾斜光纖光柵透射譜隨外界折射率的變化規(guī)律，并搭建傾斜光纖光柵液位測量實驗裝置，針對5種不同折射率的甘油溶液進行液位測量。實驗結(jié)果表明，隨著溶液液位的升高，傾斜光纖光柵包層模透射譜幅值逐漸減小，導致包層模歸一化面積減小，可利用包層模歸一化面積實現(xiàn)液位測量。同時，在溶液折射率為1.408～1.436的范圍內(nèi)，隨著溶液折射率的升高，液位測量靈敏度增加。因此，在應用過程中需針對待測溶液的折射率對液位測量靈敏度進行標定。

1 基本原理

TFBG的結(jié)構(gòu)如圖1所示，光柵面傾角為θ，沿光纖軸向的柵格周期為Λ。對于小角度傾斜光纖光柵，前向傳輸?shù)娜肷涔獬糠譂M足布拉格條件耦合成后向傳輸?shù)睦w芯模外，還耦合成后向傳輸?shù)陌鼘幽?。其布拉格波長λB和第i階包層模諧振波長λi的表達式為[12]：

(1)

(2)

式中：ncore、ni分別為纖芯和第i階包層模的有效折射率；Λ為沿纖芯方向柵格的周期。

圖1 TFBG結(jié)構(gòu)圖

由式(1)和式(2)可知，當TFBG的外界環(huán)境折射率發(fā)生變化時，纖芯內(nèi)傳輸?shù)睦w芯模不受外界折射率的影響，故布拉格諧振峰中心波長不會發(fā)生變化，而在光纖包層傳輸?shù)陌鼘幽Ｓ行д凵渎蕁i將發(fā)生改變，導致包層模諧振峰波長發(fā)生漂移。

同時當外界環(huán)境溫度T發(fā)生變化時，由于熱膨脹效應及熱光效應，TFBG的光柵周期Λ、纖芯及包層的有效折射率ncore、ni均發(fā)生變化，其布拉格波長變化量ΔλB和第i階包層模諧振波長變化量Δλi隨溫度變化的表達式為：

ΔλB=λB(α+β)ΔT

(3)

Δλi=λi(Ai+β)ΔT

(4)

式中：α為纖芯材料的熱光系數(shù)；β為纖芯材料的熱膨脹系數(shù)；Ai為第i階包層模的熱光系數(shù)。

當外界環(huán)境溫度發(fā)生變化時，TFBG透射譜各諧振峰中心波長均會發(fā)生偏移，包層模諧振峰中心波長的偏移量與階數(shù)有關(guān)，因此，可利用TFBG的布拉格波長實現(xiàn)溫度測量。

采用OptiGrating軟件仿真了待測介質(zhì)折射率對TFBG透射譜的影響。當TFBG的傾斜角θ=3.5°，纖芯半徑為4.1 μm，包層半徑為62.5 μm，纖芯折射率為1.468 1，包層折射率為1.463 0，中心波長為1.560 μm，溫度為25 ℃，介質(zhì)折射率分別為1.408、1.414、1.422、1.429、1.436、1.444時，仿真結(jié)果如圖2(a)所示。由圖2(a)可知，當待測介質(zhì)折射率發(fā)生變化時，纖芯模不受外界折射率的影響，其中心波長無變化。而包層模的幅度和波長均受介質(zhì)折射率的影響，圖2(b)以TFBG透射譜的包層模LP(0,4)、LP(0,7)、LP(0,10)和LP(0,13)為例給出其峰值隨折射率的變化曲線，從圖2(b)可以看出，隨著介質(zhì)折射率的增加，各階包層模諧振峰的透射譜幅值不斷減小，并且高階包層模的透射譜幅值變化更顯著。待測介質(zhì)折射率對包層模透射譜峰值具有顯著的影響，因此采用TFBG測量液位時必須考慮待測介質(zhì)折射率對液位測量結(jié)果的影響。

(a)TFBG透射譜與外界折射率變化關(guān)系

(b)包層模透射譜幅值與外界折射率的變化關(guān)系圖2 TFBG透射譜的仿真結(jié)果

圖3 包層模峰值波長漂移量與溫度的變化關(guān)系

采用上述TFBG參數(shù)仿真了外界介質(zhì)折射率為1.33時，溫度對TFBG透射譜的影響，結(jié)果表明溫度變化不會影響透射譜的峰值，僅使各階包層模諧振峰產(chǎn)生紅移，圖3給出TFBG的纖芯模LP(0,1)及包層模LP(0,4)、LP(0,7)、LP(0,10)、LP(0,13)諧振峰值波長隨溫度的變化曲線，由此可見，可采用纖芯模諧振峰的波長實現(xiàn)溫度測量。

2 實驗測試

實驗采用甘油作為待測介質(zhì)，首先配置了質(zhì)量分數(shù)為60%～80%的甘油溶液，并采用阿貝折射儀測試了不同濃度甘油溶液的折射率，測量結(jié)果如表1所示?？梢姡邼舛鹊母视腿芤赫凵渎寿N近光纖包層折射率，根據(jù)TFBG的基本理論，當外界環(huán)境折射率大于等于包層折射率時，各階包層模將全部成為輻射模消失，無法實現(xiàn)液位測量。因此，實驗僅配置了折射率為1.408～1.436的甘油溶液。

表1 不同濃度甘油溶液的折射率

實驗裝置如圖4所示，采用ASE寬譜光源，經(jīng)過長度為12 mm的TFBG，采用分辨率為0.02 nm的光譜分析儀AQ6370D測試其透射光譜。將TFBG垂直置于被測的溶液中，利用量程為1 mL的注射器向容器中注射液體，通過每次滴入的溶液體積計算液面上升高度。初始液面處于A點位置，隨后采用微量注射器每次向容器內(nèi)注入0.4 mL溶液，從而保證每次液位升高量保持一致。當液位高度到達B點時，測量結(jié)束。圖5給出濃度為80%的甘油溶液在不同液位時的TFBG透射譜，實驗結(jié)果表明隨著液位的升高，布拉格諧振峰中心波長未發(fā)生變化，透射譜各階包層模諧振峰的透射譜幅值逐漸減小，且當液位繼續(xù)升高時，高階模逐漸消失。這是因為對于小角度的傾斜光纖光柵，在外界折射率接近光纖包層折射率時，前向傳導的纖芯模式除耦合為后向傳導的纖芯模、包層模外，高階包層模式將被耦合成輻射模式泄漏到環(huán)境中，因此包層模式諧振峰從短波長到長波長依次消失。

圖4 液位測試裝置圖

圖5 質(zhì)量分數(shù)為80%甘油溶液的液位測量結(jié)果

為提高液位測量靈敏度，采用包層模歸一化面積表征液位變化，得到液位與包層模歸一化面積關(guān)系，如圖6所示，隨著液位的升高，包層模歸一化面積逐漸減小。隨后，測量了質(zhì)量分數(shù)為60%～75%的甘油溶液，發(fā)現(xiàn)隨著待測介質(zhì)折射率的增加，液位測量靈敏度越高，這是由于溶液濃度越高，越接近包層折射率，包層模耦合成輻射模式泄漏到環(huán)境中的能量越多，導致歸一化面積的變化幅度越大。因此，在利用TFBG透射譜測量液位時，必須考慮待測介質(zhì)折射率對測量結(jié)果的影響。

圖6 TFBG透射譜包層模歸一化面積與液位的關(guān)系

最后，利用水浴法測量了3.5°TFBG的溫度特性，測量結(jié)果如圖7所示。從圖中可以看出隨著溫度的增加，布拉格諧振峰中心波長向長波方向移動，其線性擬合斜率為9.7 pm/℃。因此，當利用傾斜光纖光柵進行液位與溫度同時測量時，可采用TFBG布拉格中心波長監(jiān)測外界溫度，利用TFBG透射譜的歸一化面積監(jiān)測液位，實現(xiàn)溫度和液位的同時測量。

圖7 不同溫度下TFBG布拉格波長漂移量

3 結(jié)論

本文研究了TFBG的液位傳感特性，利用OptiGrating軟件仿真了TFBG透射譜隨外界介質(zhì)折射率的變化規(guī)律，仿真結(jié)果表明，當介質(zhì)折射率變化時，TFBG透射譜的包層模發(fā)生紅移且幅值逐漸減小。隨后采用3.5°TFBG進行實驗，測試了濃度為60%～80%的5種甘油溶液，建立了包層模歸一化面積與液位的關(guān)系，實驗結(jié)果表明溶液折射率越接近包層折射率，液位測量靈敏度越高。同時，利用水浴法測試了TFBG的溫度特性，仿真與實驗證實可利用TFBG實現(xiàn)溫度與液位的同時測量。