中心議題：

• 光纖傳感器的特點、組成與類型
• 測量用的光纖傳感器技術
• 光纖傳感器在油庫油罐液位
  、溫度信號實時監測係統中的應用

解決方案：

• 采用光纖液位器檢測油庫液位信號
• 采用光纖溫度傳感器測定現場溫度

youyuguangxianchuanganqijijishujuyoujiaoqitachuanganqiwufabinidetedian，suoyijinjinianlai，guangxianchuanganqiyuceliangjishufazhanchengweiyiqiyibiaolingyuxindefazhanfangxiang，erxinxingguangxianchuanganqibuwaihuyouyixiatedian：
a 光纖傳感器具有優良的傳光性能，傳光損耗很小
，目前損耗能達到≤0.2 dB/km的水平。
b 光纖傳感器頻帶寬，可進行超高速測量，靈敏度和線性度好。
c 光纖傳感器體積很小，重量輕
，能在惡劣環境下進行非接觸式、非破壞性以及遠距離測量。

還具有靈敏度高、可靠性好

、原材料矽資源韋富
、抗電磁幹擾，抗腐蝕、耐高壓、電絕緣性能好、可繞曲

、防爆、頻帶寬
、損sun耗hao低di等deng特te點dian。同tong時shi
，它ta還hai便bian於yu與yu計ji算suan機ji相xiang連lian
，實shi現xian智zhi能neng化hua和he遠yuan距ju離li監jian控kong。對dui傳chuan統tong的de傳chuan感gan器qi起qi到dao擴kuo展zhan提ti高gao的de作zuo用yong，不bu少shao情qing況kuang下xia能neng夠gou完wan成cheng前qian者zhe很hen難nan完wan成cheng甚shen至zhi不bu能neng完wan成cheng的de仟qian務wu。

正是由於光纖傳感器具有許多獨特優勢
，可以解決許多傳統傳感器無法解決的問題，故自從它問世以來，就被廣泛應用於醫療、交通
、電力、機械、石油化工、民用建築以及航空航天等各個領域。值此，將討論光纖傳感器在石油化工領域應用
，即油庫油罐液位
、溫度信號實時監測係統中的設計方案。正因該監測係統應用了光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器。為此先對此有關的光纖傳感器技術作一介紹。

光纖傳感器組成與類型

光纖傳感器一般是由光源、接口、光導纖維、光調製機構、光電探測器和信號處理係統等部分組成。來自光源的光線，通過接口進入光纖
，然後將檢測的參數調製成幅度、相位

、色(se)彩(cai)或(huo)偏(pian)振(zhen)信(xin)息(xi)，最(zui)後(hou)利(li)用(yong)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)進(jin)行(xing)信(xin)息(xi)處(chu)理(li)。概(gai)括(kuo)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)一(yi)般(ban)由(you)三(san)部(bu)分(fen)組(zu)成(cheng)，除(chu)光(guang)纖(xian)之(zhi)外(wai)，還(hai)必(bi)須(xu)有(you)光(guang)源(yuan)和(he)光(guang)探(tan)測(ce)器(qi)兩(liang)個(ge)重(zhong)要(yao)部(bu)件(jian)，見(jian)圖(tu)1所示。

光纖傳感器一般分為兩大類：一類是傳光型，也稱非功能型光纖傳感器；另一類是傳感型，或稱為功能型光纖傳感器。前者多數使用多模光纖
，以傳輸更多的光量
；而傳感型光纖傳感器
，是利用被測對象調製或改變光纖的特性
，所以隻能用單模光纖。

測量用的光纖傳感技術

光纖溫度傳感器-傳光型光纖溫度傳感器

位圖2（a）為半導體吸光型（傳光型）光纖溫度傳感器示意圖。將一根切斷的光導纖維裝在細鋼管內，光纖兩端麵間夾有一塊半導體感溫薄片（如GaAs或InP）
，這(zhe)種(zhong)半(ban)導(dao)體(ti)感(gan)溫(wen)薄(bo)片(pian)透(tou)射(she)光(guang)強(qiang)隨(sui)被(bei)測(ce)溫(wen)度(du)而(er)變(bian)化(hua)。因(yin)此(ci)，當(dang)光(guang)纖(xian)一(yi)端(duan)輸(shu)入(ru)一(yi)恒(heng)定(ding)光(guang)強(qiang)的(de)光(guang)時(shi)
，由(you)於(yu)半(ban)導(dao)體(ti)感(gan)溫(wen)薄(bo)片(pian)透(tou)射(she)能(neng)力(li)隨(sui)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)，光(guang)纖(xian)另(ling)一(yi)端(duan)接(jie)收(shou)元(yuan)件(jian)所(suo)接(jie)受(shou)的(de)光(guang)強(qiang)也(ye)隨(sui)被(bei)測(ce)溫(wen)度(du)而(er)改(gai)變(bian)。於(yu)是(shi)通(tong)過(guo)測(ce)量(liang)光(guang)探(tan)測(ce)器(qi)輸(shu)出(chu)的(de)電(dian)量(liang)
，便(bian)能(neng)遙(yao)測(ce)到(dao)感(gan)溫(wen)探(tan)頭(tou)2（b）處的溫度。
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探頭中，半導體材料的透過率與溫度的特性曲線如圖2（c）所示
，當溫度升高時，其透過率曲線向長波長方向移動。顯然，半導體材料的吸收率與其禁帶寬度Eg有關，禁帶寬度又隨溫度而變化，多數半導體材料的禁帶寬度Eg隨溫度丁的升高幾乎線性地減小
，對應於半導體的透過率特性曲線邊沿的波長λg隨溫度升高向長波方向位移。當一個輻射光譜與λg相一致的光源發出的光，通過此半導體時，其透射光的強度隨溫度丁的升高而減少。那何為傳光型光纖傳感器？

傳光型光纖傳感器中的光纖僅作為傳輸光的介質，隻起傳輸光波的作用
，對外界信息的“感覺”功gong能neng是shi依yi靠kao其qi它ta物wu質zhi的de敏min感gan元yuan件jian來lai完wan成cheng的de，因yin此ci必bi須xu在zai光guang纖xian端duan麵mian或huo中zhong間jian加jia裝zhuang其qi它ta敏min感gan元yuan件jian才cai能neng構gou成cheng傳chuan感gan器qi。這zhe樣yang，傳chuan感gan器qi中zhong的de光guang纖xian中zhong間jian是shi中zhong斷duan的de、不連續的，中斷部分要接上其它介質的敏感元件。

光纖液位傳感器

基於全內反射原理

，可以設計成光纖液位傳感器。光纖液位傳感器由以下三部分組成：
a 接觸液體後光反射量的檢測器件即光敏感元件；
b 傳輸光信號的雙芯光纖；
c 發光、受光和信號處理的接收裝置。

圖3（a）所(suo)示(shi)為(wei)光(guang)纖(xian)液(ye)位(wei)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)基(ji)本(ben)結(jie)構(gou)。這(zhe)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)和(he)傳(chuan)輸(shu)信(xin)號(hao)的(de)光(guang)纖(xian)均(jun)由(you)玻(bo)璃(li)纖(xian)維(wei)構(gou)成(cheng)
，故(gu)有(you)絕(jue)緣(yuan)性(xing)能(neng)好(hao)和(he)抗(kang)電(dian)磁(ci)噪(zao)聲(sheng)等(deng)優(you)點(dian)。

光纖液位傳感器的工作原理如圖3（b）所(suo)示(shi)。發(fa)光(guang)器(qi)件(jian)射(she)出(chu)來(lai)的(de)光(guang)通(tong)過(guo)傳(chuan)輸(shu)光(guang)纖(xian)送(song)到(dao)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)，在(zai)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)球(qiu)麵(mian)上(shang)，有(you)一(yi)部(bu)分(fen)透(tou)過(guo)，而(er)其(qi)餘(yu)的(de)光(guang)被(bei)反(fan)射(she)回(hui)來(lai)。當(dang)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)與(yu)液(ye)體(ti)相(xiang)接(jie)觸(chu)時(shi)
，與(yu)空(kong)氣(qi)接(jie)觸(chu)相(xiang)比(bi)，球(qiu)麵(mian)部(bu)的(de)光(guang)透(tou)射(she)量(liang)增(zeng)大(da)，而(er)反(fan)射(she)量(liang)減(jian)少(shao)。因(yin)此(ci)，由(you)反(fan)射(she)光(guang)量(liang)即(ji)可(ke)知(zhi)道(dao)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)是(shi)否(fou)接(jie)觸(chu)液(ye)體(ti)。反(fan)射(she)光(guang)量(liang)決(jue)定(ding)於(yu)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)玻(bo)璃(li)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)和(he)被(bei)測(ce)定(ding)物(wu)質(zhi)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)。被(bei)測(ce)物(wu)質(zhi)的(de)折(zhe)射(she)率(lv)越(yue)大(da)，反(fan)射(she)光(guang)量(liang)越(yue)小(xiao)。來(lai)自(zi)敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)反(fan)射(she)光(guang)，通(tong)過(guo)傳(chuan)輸(shu)光(guang)纖(xian)由(you)受(shou)光(guang)器(qi)件(jian)的(de)光(guang)電(dian)晶(jing)體(ti)管(guan)進(jin)行(xing)光(guang)電(dian)轉(zhuan)換(huan)後(hou)輸(shu)出(chu)。敏(min)感(gan)元(yuan)件(jian)的(de)反(fan)射(she)光(guang)量(liang)的(de)變(bian)化(hua)，若(ruo)以(yi)空(kong)氣(qi)的(de)光(guang)量(liang)為(wei)基(ji)準(zhun)
，在(zai)水(shui)中(zhong)則(ze)為(wei)-6--7dB
，在油中為-25-30dB。可對反射光量差別很大的水和油等進行物質判別。

光纖傳感器與基於CAN總線網絡組成的油庫油罐的液位、溫度信號實時監測係統設計方案

監測係統組成

圖0所示可知
，監測係統分別由中央控製式的中央監控單元和現埸采集單元（或數據采集單元）組成。現埸采集單元對油罐的液位、溫度信號進行數據的實時采集，同時完成數據統計
、存貯
；中央監控單元可以定期或不定期地從現埸采集單元獲取數據並完成圖像監測
、數據統計、報表、打印及數據庫管理。而中央監控單元和現埸采集單元之間通過CANzongxianlianjiezaiyiqi
，zaizhegewangluozhong，zhongyangjiankongdanyuanchuyuzhukongweizhi，erxianyicaijidanyuankeyisuishixiangyingzhongyangjiankongdanyuandemingling。qixianyicaijidanyuanyoudanpianji8C552及采集、存儲、顯示、遙控和通信模塊組成，每個現埸采集單元可與光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器等16個設備相接。之所以應用CAN總線網絡結構是內由於CAN網絡具有的方便靈活
、突出特性，抗幹擾性、可靠性、實時性等特點。所有的光纖液位傳感器、光纖溫度傳感器及光纖液位報警器都可以通過一對雙絞線串接在一起，節省了空間
、簡化了布線。

油罐液位信號的檢測采用光纖液位計

光纖液位計應用於油田油庫處理，主要是依靠光纖本身的某些傳感功能和光傳輸信息的特征：
a 可以實現非接觸槍測，對被測對象無幹擾

、無汙染；
b 實現非電檢測
，本質安全，防爆
，解決了石油、石化等易燃易爆危險場合多種參量的安全檢測和生產過程；
c 具有高精度、高絕緣性，抗電磁幹擾、抗雷電幹擾。

采用光纖溫度傳感器

適用於各種惡劣環境的溫度測量，測量精度高，本身安全防爆，可靠性好、靈(ling)敏(min)度(du)高(gao)，是(shi)理(li)想(xiang)的(de)一(yi)種(zhong)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)儀(yi)。工(gong)作(zuo)時(shi)，光(guang)源(yuan)發(fa)出(chu)的(de)連(lian)續(xu)寬(kuan)帶(dai)光(guang)
，經(jing)傳(chuan)輸(shu)光(guang)纜(lan)傳(chuan)送(song)量(liang)現(xian)場(chang)，感(gan)溫(wen)探(tan)頭(tou)內(nei)測(ce)量(liang)光(guang)柵(zha)對(dui)該(gai)寬(kuan)帶(dai)光(guang)有(you)選(xuan)擇(ze)性(xing)地(di)反(fan)射(she)附(fu)一(yi)窄(zhai)帶(dai)光(guang)，經(jing)同(tong)一(yi)傳(chuan)輸(shu)光(guang)纜(lan)傳(chuan)送(song)到(dao)調(tiao)製(zhi)解(jie)調(tiao)器(qi)，通(tong)過(guo)接(jie)收(shou)係(xi)統(tong)進(jin)行(xing)解(jie)調(tiao)，測(ce)定(ding)窄(zhai)帶(dai)光(guang)的(de)中(zhong)心(xin)波(bo)長(chang)，從(cong)而(er)測(ce)定(ding)現(xian)場(chang)溫(wen)度(du)。

結語

因(yin)為(wei)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)與(yu)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)是(shi)當(dang)今(jin)儀(yi)器(qi)儀(yi)表(biao)領(ling)域(yu)新(xin)的(de)發(fa)展(zhan)方(fang)向(xiang)，其(qi)測(ce)量(liang)用(yong)的(de)光(guang)纖(xian)傳(chuan)感(gan)器(qi)有(you)很(hen)多(duo)種(zhong)類(lei)，有(you)很(hen)多(duo)種(zhong)工(gong)作(zuo)方(fang)式(shi)。要(yao)仔(zai)細(xi)地(di)考(kao)慮(lv)項(xiang)目(mu)的(de)具(ju)體(ti)的(de)應(ying)用(yong)要(yao)求(qiu)，作(zuo)好(hao)選(xuan)擇(ze)。