一種智能光纖液位傳感器的研制

1連續(xù)式傳感器在過去的20年里，已經(jīng)出現(xiàn)了幾種類型的光學(xué)液位傳感器。這些傳感器主要分為兩類：開關(guān)傳感器和連續(xù)性傳感器。開關(guān)式傳感器主要用于液位報警、定點(diǎn)控制和多點(diǎn)分立液位測量;連續(xù)式傳感器則可用于連續(xù)測量一定范圍內(nèi)的液位值。早期的基于受抑全內(nèi)反射原理的傳感器多是由棱鏡、自聚焦透鏡或者特殊光纖構(gòu)成,光纖僅用于傳輸光信號,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,可靠性差。WangAnbo曾將兩根普通多模通信光纖端點(diǎn)熔接,在熔接點(diǎn)形成一特殊形狀,構(gòu)成傳感頭。該傳感頭結(jié)構(gòu)簡單、定點(diǎn)測量靈敏度高,可應(yīng)用于多種液體的定點(diǎn)控制、報警或多點(diǎn)測量。但由于傳感頭由兩根光纖熔接而成,受機(jī)械振動或者內(nèi)部應(yīng)力作用容易開裂損壞,可靠性不高。2光纖研磨法制備光纖尖光纖液位傳感元是一個圓錐形光纖探針,該探針可以采用電弧熱熔拉制或者機(jī)械研磨的方法來制作。用兩種不同制作方法得到的光纖尖的形狀如圖1所示。電弧拉制法的制作過程簡單,在光纖熔接機(jī)上通過放電加熱,將光纖熔融后快速拉斷,使光纖尖端面形成近似圓錐形,如圖1(a)。由于光纖尖反射信號的強(qiáng)度對光纖尖的形狀十分敏感,而光纖尖形狀控制的技術(shù)難度較大,制作出高反射率光纖尖的成功率不高。光纖研磨法制作的光纖尖的形狀可以精確控制,實驗中使用ULTRAPOL1200型光纖研磨機(jī),對62.5μm/125μm多模光纖進(jìn)行研磨。這種方法制作出的光纖尖為圓錐形,如圖1(b),頂角的大小可以準(zhǔn)確的設(shè)定。根據(jù)理論分析結(jié)果,光纖尖頂角取90°時可以得到最大的反射率。實驗表明:這種方法的優(yōu)點(diǎn)是傳感頭制作技術(shù)難度小、成功率高,光纖探針在空氣/汽油中的反射光調(diào)制深度可達(dá)21dB以上。3光纖傳感頭傳感及區(qū)域測量液位跟蹤系統(tǒng)系統(tǒng)主要由LD光源、PIN光電探測器、輸入/輸出光纖、2×1光纖耦合器、傳感頭、精密步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動以及單片機(jī)控制系統(tǒng)組成。圖2給出了傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)工作原理如下:LD光源發(fā)出的光耦合到2×1光纖耦合器,經(jīng)輸入/輸出光纖傳送到傳感頭,在傳感頭被部分反射,反射光經(jīng)同一光纖、耦合器傳至光電探測器。當(dāng)傳感頭處于空氣中時,在傳感頭和空氣的界面處大部分輸入光滿足全反射條件,被反射回光纖的芯層內(nèi);當(dāng)傳感頭處于折射率較高的液相介質(zhì)時,大部分輸入光因全反射條件被破壞而泄漏,因而反射光的強(qiáng)度非常靈敏地依賴于傳感頭周圍介質(zhì)的折射率。當(dāng)傳感頭垂直液面運(yùn)動,通過液面時就可以給出一個反射光強(qiáng)度突變信號,如果此時已知傳感頭的位置就可以確定液面的高度。由于光纖傳感頭感知液面位置的精度非常高(達(dá)到μm量級),將該傳感頭與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)合,可構(gòu)成能夠連續(xù)測量液位的高精度液面自動跟蹤系統(tǒng)。單片機(jī)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采集探測器的光電轉(zhuǎn)換信號,根據(jù)該信號的幅度,判斷傳感頭所處的介質(zhì)環(huán)境,控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動方向,從而帶動傳感頭跟蹤液面的變化,同時給出與步進(jìn)電機(jī)步數(shù)相對應(yīng)的液面高度,實現(xiàn)液位的連續(xù)測量。4系統(tǒng)的設(shè)計4.1傳感器及信號采集系統(tǒng)系統(tǒng)主要包括光源調(diào)制電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、液位顯示電路、存儲器擴(kuò)展電路、報警電路等。設(shè)計充分考慮了提高系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性。單片機(jī)微處理器選擇ATMEL公司的AT89C52型高性能、低電壓、低功耗的8位微處理器,具有8kB可重復(fù)編程的閃爍存儲器、256byte的內(nèi)部RAM、32個I/O線的3個16位定時/計數(shù)器。AT89C52是整個系統(tǒng)的核心,負(fù)責(zé)信號的采集、處理、顯示及控制步進(jìn)電機(jī)和接受用戶指令等。光源采用了TrueLight公司的TTR-1B23型垂直腔面發(fā)射半導(dǎo)體激光器(VCSEL),其特點(diǎn)是功耗低、輸出功率大、工作波長為850nm.該器件采用標(biāo)準(zhǔn)的ST型光纖接口,可直接與62.5/125μm多模光纖連接。PIN光電探測器檢測到的電信號,經(jīng)前置放大、帶通濾波、判決電路后輸出0~5V范圍內(nèi)變化的模擬電信號。模數(shù)轉(zhuǎn)換采用了德州儀器公司(TI)生產(chǎn)的TLC2543-12位開關(guān)電容型逐次逼近串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器,精度為1mV.采用美國Ramtron公司的鐵電存儲器FM24C04,存儲密度是4k(512×8)位,采用I2C總線協(xié)議,具有隨機(jī)存取存儲器(RAM)和非易失性存儲產(chǎn)品的特性,而且?guī)缀蹩梢詿o限次、跟隨總線速度寫入,因此在程序運(yùn)行過程中,可以連續(xù)不斷地更新需要保存的數(shù)據(jù),無需擔(dān)心發(fā)生突然掉電等意外情況。4.2系統(tǒng)主程序設(shè)計綜合考慮系統(tǒng)開發(fā)和維護(hù)以及程序的運(yùn)行效率,系統(tǒng)軟件采用單片機(jī)C語言和匯編語言混合編寫。系統(tǒng)程序主要由功能選擇模塊、步進(jìn)電機(jī)升降控制模塊、A/D采樣模塊、顯示模塊、存儲模塊、限值報警模塊等幾個模塊組成。圖3給出了系統(tǒng)主程序流程圖。液位測量算法采用了浮點(diǎn)運(yùn)算,可以精確地計算出傳感頭的位移。為了提高軟件自身的可靠性和抗干擾能力,軟件設(shè)計還采用了指令冗余、軟件陷阱等方法。5測量誤差的影響為了考察系統(tǒng)的重復(fù)性和長期測量精度,首先控制傳感頭做上下往復(fù)運(yùn)動,對特定的多個靜態(tài)液面進(jìn)行反復(fù)多次的定點(diǎn)檢測。實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明:系統(tǒng)定點(diǎn)測量絕對誤差≤0.1mm.由于所選定的靜止液面高度為任意高度,所以可以反映系統(tǒng)的重復(fù)性好于0.1mm.實際上由于系統(tǒng)標(biāo)定中采用的參照值的精度受標(biāo)定手段的限制,實際測量誤差要大于0.1mm.實驗中對一高度為3m的裝有柴油的立式油罐進(jìn)行了連續(xù)測量。為了減小系統(tǒng)誤差,對系統(tǒng)進(jìn)行了分段線性擬合。圖4給出擬合后,3次實際測量值與標(biāo)定值之間的比較。從圖4中可以看出系統(tǒng)的重復(fù)性非常好,在2m范圍內(nèi)測量測量值與標(biāo)定值之間的絕對誤差≤±0.4mm.系統(tǒng)分辨率理論上可以達(dá)到1.25μm(步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)角為0.36°,驅(qū)動絲桿螺距為1.25mm,光纖探針分辨率<1μm)。系統(tǒng)誤差的主要來源為(1)液滴滯后效應(yīng)的影響通過光纖尖從空氣進(jìn)入液體的過程中取得液位值,在一定程度上克服了液滴滯后效應(yīng)的影響,但是還不能完全避免液滴滯后效應(yīng)。(2)螺桿-滑塊機(jī)械機(jī)構(gòu)的定位誤差,如滑塊與螺桿表面的摩擦及滑塊在螺桿上運(yùn)動時發(fā)生的輕微的“扭動”現(xiàn)象。(3)標(biāo)定測量的標(biāo)尺及油罐高度受環(huán)境溫度影響可能帶來測量誤差。6液位的高精度連續(xù)測量研制了基于受抑全內(nèi)反射原理的單光纖高精度液位傳感器。該傳感器結(jié)合受抑全內(nèi)反射式光纖傳感頭精確的液位傳感特性和單片機(jī)控制的步進(jìn)電