基于DSP和CAN的光纤液位监测仪研究

　　1　引　言

　　随着大中型储油罐对液位的测量提出精度更高、量程更大、参数更多的要求,大多数油罐采用各种自动化测量仪表进行液位测量,如压力式、电容式、电 导式、超声波式、浮子式和雷达式等液位测量仪表[1],其测量水平虽已达到较高的自动化程度和测量精度,但上述方法大都采用电激励和电信号传输,极易因火 花放电而引起火灾,成为油罐液位测量的潜在危险因素。近年来,光纤传感器已成为现代传感器技术发展方向之一[2]。基于光纤法布里2珀罗 (Fabry2Perot,F2P)干涉仪原理的连续型光纤液位传感器[3]仅使用一根光纤就可实现全光传感和信号的远距离传输,具有测量精度高、无电 源、防爆和抗干扰能力强等特点[4],可广泛应用于石化行业组成本质安全的分布式高精度光纤液位测量系统。而光纤液位监测仪是分布式高精度光纤液位测量系 统中最核心的部分,它利用光电探测器将光纤传来的微弱光信号转换成电信号,通过数据采集电路及各种复杂算法实现高精度数据处理。这就要求光纤液位监测仪的 中央处理器具有很强的数值计算与处理功能,此外液位测量系统的数字化和分布式控制的发展趋势,要求光纤液位监测仪具有多节点、高速率、可靠的实时数据通信 能力,所以对数据通信总线也提出了较高的要求。本文提出了基于DSP和CAN总线的光纤液位监测仪,并从A/D数据采集电路、数字信号处理模块及CAN总 线通信三个方面阐述了光纤液位监测仪的核心电路模块,最后通过实验验证了该监测仪的可行性。

　　2　光纤液位测量原理

　　光纤液位传感器利用测量液体压强的原理实现液位高度的检测,实质上是一个精密的光纤压力传感器,它使压强的变化转换为光纤F2P腔腔长的变化, 然后通过测量反射回的信号光光强的变化进而测出压强的变化。光纤液位传感器的传感头设计上采用一圆形恒弹性薄片(实际传感头制作中,弹性薄片材料可选用圆 形薄硅片)作为F2P腔的一个端面,并将其抛光的一面作为反射面,光纤对准中心,经过光学处理的光纤端面直接作为另一个反射面,这样,在恒弹性薄片与光纤 端面之间就形成一个F2P腔。当压强作用于光纤液位传感器传感头上的恒弹性薄片,该弹性片会产生弹性形变,弹性形变的大小不仅与所受的液体压强有关,还与 弹性片尺寸有关。根据弹性力学原理,圆形恒弹性薄片在均匀载荷情况下,压强p与形变量的关系[5]:

　　液位高度不同,圆形薄片承受的压强p不同,从而产生的形变量h不同,即F2P腔腔长发生改变。来自光源的光在两个端面反射,两束反射光由于相位 不同而发生干涉,反射回的信号光输出由于腔长的改变使干涉输出的信号光强发生相应变化。测量输出信号光能量可得到液位相应压强的大小,再由液体内部压强和 深度的关系可得出当前液位高度: