液位检测光纤传感器系统设计

　　0 引言

　　目前，在气象站中常用卫星测高技术和水尺测量方法检测海平面的变化. 卫星测高是以卫星为载体，借助测高仪来测量卫星到瞬时海平面的垂直距离的技术和方法，但该技术成本较高，且主要用于测量海啸、厄尔尼诺现象等大幅度的洋面变化，对于海洋表面高度的缓慢变化却很难做到精确测量[1]. 在我国，主要是验潮站通过水尺测量的方法得到海面变化数据，但水尺的零点需要由验潮站水准点通过水准测量来测定[2]，由于地域的差异，不同验潮站观测得到的海面变化实际上是相对于不同的参考基准的，得到的资料往往是年平均值且精确度不高，缺乏实时性. 有鉴于此，本文提出了利用光纤位移传感器检测膜盒形变的方法，用以改善和优化液位传感器的性能，这种方法的优点主要是无地域性差异、灵敏度高、实时性好，且无电气连接产生的影响，装配方便、制作过程简单.

　　1 光纤液位传感器的结构和原理

　　1. 1 检测系统构成

　　光纤液位传感器的结构如图1 所示. 传感器的主要组成部分有双膜盒[3]、光纤位移探头和防水支撑结构. 双膜盒是水压变化的敏感组件，膜盒中央为光滑平面，近似反射平面，为提高反射光强度，可以在膜盒中央粘贴一个小反射镜. 水压变化时，双膜盒的4 个膜片均发生形变，在一定的水压范围内，膜盒中央的位移形变量与水压的变化量成正比，通过光纤位移探头测量膜盒中央的位移形变量实现对水压室水压的测量，从而得知水面高度变化量.

　　1. 2 光纤位移探头输出特性分析

　　在系统中，需要确定水压传感装置的工作点，即确定光纤探头端面和膜盒反射面的间隔d，首先需要测得光纤位移探头的输出特性曲线( 图2) .

　　图2 表明在波峰前端有一段线性度较好的区间，线性区的中点对应探头端面离反射面约1. 25 mm 处.选择该点作为系统的工作点，确定初始状态. 在实验装置中，光纤采用多光束光纤，光纤分布呈半圆状，投射光纤输出端和接受光纤接收端纤芯直径为1 mm.膜盒内部为低真空状态，测量时调整探头位置，将探头位置设置在输出特性曲线中较为灵敏的位置上，当水面升高引起压力增加时，膜盒压缩，间隔d 增大; 若压力减小时，膜盒膨胀，间隔d 减小.

　　光纤液位传感器的系统框如图3 所示，主要包括光纤位移探头、双膜盒检测器、光电探测器、前置放大器、带通滤波器、真有效值转换和后置放大器等.该系统中，光源采用波长为650 nm、光功率为5 mW 的半导体激光器，由单片机产生1 kHz 的脉冲经过激光调制器后驱动光源，将输出光调制约为1kHz 的脉冲序列，实际测试为998 Hz. 该脉冲光经过光纤和双膜盒检测器后，由光敏二极管检测，输出的光电流送入前置放大器转换为电压信号，再经各自带通滤波和真有效值转换，得到的直流电压信号经后置放大后，由单片机对获得的信号进行处理，并输出显示结果.