基于倾斜光纤光栅的液位传感特性研究

0 引言

液位测量方法从早期的人工检尺法[1]到现在的HTG法[2]、压差式检测法[3-4]、电容法[5-6]、超声波检测法[7-8]等，不断发展变化。在液位测量中，人工检尺法、HTG法、超声波检测法测量精度较低，具有较大的测量误差。压差式检测法具有成本低、量程大、维护方便的优点，但对测量溶液要求较高。电容法测量液位时综合指标较好，但信号处理相对困难。相比于传统的液位传感器，光纤光栅液位传感器具有体积小、质量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰等优势，可广泛应用于化学、食品、自动化工业生产及具有潜在危险的环境中。其中倾斜光纤布拉格光栅(TFBG)为短周期光纤光栅中的一种，其光栅平面与光纤轴有一定的倾斜角，极大的增强了包层模的耦合强度，对外界环境高度敏感[9]。并且在液位测量中可保持光纤结构及机械强度的完整性，对温度有较低的交叉敏感性。因此，科研人员开始尝试将TFBG用于液位测量，T.Osuch采用TFBG对石蜡油溶液进行测量[10]，利用纤芯模波长的漂移量与包层模透射谱幅值的变化量实现温度与液位的同时测量。为提高液位测量量程，蒋奇采用TFBG串联的方法实现对油位的监测[11]。

然而，上述实验仅测量了单一溶液，并未给出待测介质折射率对液位测量结果的影响。为进一步分析溶液折射率对TFBG液位测量的影响，本文首先采用OptiGrating软件仿真了倾斜光纤光栅透射谱随外界折射率的变化规律，并搭建倾斜光纤光栅液位测量实验装置，针对5种不同折射率的甘油溶液进行液位测量。实验结果表明，随着溶液液位的升高，倾斜光纤光栅包层模透射谱幅值逐渐减小，导致包层模归一化面积减小，可利用包层模归一化面积实现液位测量。同时，在溶液折射率为1.408～1.436的范围内，随着溶液折射率的升高，液位测量灵敏度增加。因此，在应用过程中需针对待测溶液的折射率对液位测量灵敏度进行标定。

1 基本原理

TFBG的结构如图1所示，光栅面倾角为θ，沿光纤轴向的栅格周期为Λ。对于小角度倾斜光纤光栅，前向传输的入射光除部分满足布拉格条件耦合成后向传输的纤芯模外，还耦合成后向传输的包层模。其布拉格波长λB和第i阶包层模谐振波长λi的表达式为[12]：

λB=2ncore

(1)

(2)

式中：ncore、ni分别为纤芯和第i阶包层模的有效折射率；Λ为沿纤芯方向栅格的周期。

图1 TFBG结构图

由式(1)和式(2)可知，当TFBG的外界环境折射率发生变化时，纤芯内传输的纤芯模不受外界折射率的影响，故布拉格谐振峰中心波长不会发生变化，而在光纤包层传输的包层模有效折射率ni将发生改变，导致包层模谐振峰波长发生漂移。

同时当外界环境温度T发生变化时，由于热膨胀效应及热光效应，TFBG的光栅周期Λ、纤芯及包层的有效折射率ncore、ni均发生变化，其布拉格波长变化量ΔλB和第i阶包层模谐振波长变化量Δλi随温度变化的表达式为：

ΔλB=λB(α+β)ΔT

(3)

Δλi=λi(Ai+β)ΔT

(4)

式中：α为纤芯材料的热光系数；β为纤芯材料的热膨胀系数；Ai为第i阶包层模的热光系数。

当外界环境温度发生变化时，TFBG透射谱各谐振峰中心波长均会发生偏移，包层模谐振峰中心波长的偏移量与阶数有关，因此，可利用TFBG的布拉格波长实现温度测量。

采用OptiGrating软件仿真了待测介质折射率对TFBG透射谱的影响。当TFBG的倾斜角θ=3.5°，纤芯半径为4.1 μm，包层半径为62.5 μm，纤芯折射率为1.468 1，包层折射率为1.463 0，中心波长为1.560 μm，温度为25 ℃，介质折射率分别为1.408、1.414、1.422、1.429、1.436、1.444时，仿真结果如图2(a)所示。由图2(a)可知，当待测介质折射率发生变化时，纤芯模不受外界折射率的影响，其中心波长无变化。而包层模的幅度和波长均受介质折射率的影响，图2(b)以TFBG透射谱的包层模LP(0,4)、LP(0,7)、LP(0,10)和LP(0,13)为例给出其峰值随折射率的变化曲线，从图2(b)可以看出，随着介质折射率的增加，各阶包层模谐振峰的透射谱幅值不断减小，并且高阶包层模的透射谱幅值变化更显著。待测介质折射率对包层模透射谱峰值具有显著的影响，因此采用TFBG测量液位时必须考虑待测介质折射率对液位测量结果的影响。

(a)TFBG透射谱与外界折射率变化关系

(b)包层模透射谱幅值与外界折射率的变化关系
图2 TFBG透射谱的仿真结果

图3 包层模峰值波长漂移量与温度的变化关系

采用上述TFBG参数仿真了外界介质折射率为1.33时，温度对TFBG透射谱的影响，结果表明温度变化不会影响透射谱的峰值，仅使各阶包层模谐振峰产生红移，图3给出TFBG的纤芯模LP(0,1)及包层模LP(0,4)、LP(0,7)、LP(0,10)、LP(0,13)谐振峰值波长随温度的变化曲线，由此可见，可采用纤芯模谐振峰的波长实现温度测量。

2 实验测试

实验采用甘油作为待测介质，首先配置了质量分数为60%～80%的甘油溶液，并采用阿贝折射仪测试了不同浓度甘油溶液的折射率，测量结果如表1所示。可见，高浓度的甘油溶液折射率贴近光纤包层折射率，根据TFBG的基本理论，当外界环境折射率大于等于包层折射率时，各阶包层模将全部成为辐射模消失，无法实现液位测量。因此，实验仅配置了折射率为1.408～1.436的甘油溶液。

表1 不同浓度甘油溶液的折射率

实验装置如图4所示，采用ASE宽谱光源，经过长度为12 mm的TFBG，采用分辨率为0.02 nm的光谱分析仪AQ6370D测试其透射光谱。将TFBG垂直置于被测的溶液中，利用量程为1 mL的注射器向容器中注射液体，通过每次滴入的溶液体积计算液面上升高度。初始液面处于A点位置，随后采用微量注射器每次向容器内注入0.4 mL溶液，从而保证每次液位升高量保持一致。当液位高度到达B点时，测量结束。图5给出浓度为80%的甘油溶液在不同液位时的TFBG透射谱，实验结果表明随着液位的升高，布拉格谐振峰中心波长未发生变化，透射谱各阶包层模谐振峰的透射谱幅值逐渐减小，且当液位继续升高时，高阶模逐渐消失。这是因为对于小角度的倾斜光纤光栅，在外界折射率接近光纤包层折射率时，前向传导的纤芯模式除耦合为后向传导的纤芯模、包层模外，高阶包层模式将被耦合成辐射模式泄漏到环境中，因此包层模式谐振峰从短波长到长波长依次消失。

图4 液位测试装置图

图5 质量分数为80%甘油溶液的液位测量结果

为提高液位测量灵敏度，采用包层模归一化面积表征液位变化，得到液位与包层模归一化面积关系，如图6所示，随着液位的升高，包层模归一化面积逐渐减小。随后，测量了质量分数为60%～75%的甘油溶液，发现随着待测介质折射率的增加，液位测量灵敏度越高，这是由于溶液浓度越高，越接近包层折射率，包层模耦合成辐射模式泄漏到环境中的能量越多，导致归一化面积的变化幅度越大。因此，在利用TFBG透射谱测量液位时，必须考虑待测介质折射率对测量结果的影响。

图6 TFBG透射谱包层模归一化面积与液位的关系

最后，利用水浴法测量了3.5°TFBG的温度特性，测量结果如图7所示。从图中可以看出随着温度的增加，布拉格谐振峰中心波长向长波方向移动，其线性拟合斜率为9.7 pm/℃。因此，当利用倾斜光纤光栅进行液位与温度同时测量时，可采用TFBG布拉格中心波长监测外界温度，利用TFBG透射谱的归一化面积监测液位，实现温度和液位的同时测量。

图7 不同温度下TFBG布拉格波长漂移量

3 结论

本文研究了TFBG的液位传感特性，利用OptiGrating软件仿真了TFBG透射谱随外界介质折射率的变化规律，仿真结果表明，当介质折射率变化时，TFBG透射谱的包层模发生红移且幅值逐渐减小。随后采用3.5°TFBG进行实验，测试了浓度为60%～80%的5种甘油溶液，建立了包层模归一化面积与液位的关系，实验结果表明溶液折射率越接近包层折射率，液位测量灵敏度越高。同时，利用水浴法测试了TFBG的温度特性，仿真与实验证实可利用TFBG实现温度与液位的同时测量。