液位測量是工業(yè)過程控制、安全監(jiān)測和能源裝備管理中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在石油化工、航空燃油儲存、壓力容器以及復雜工業(yè)系統(tǒng)中，液位信息不僅影響生產(chǎn)效率，更直接關(guān)系到設備安全。然而，傳統(tǒng)的電學液位傳感器在易燃易爆環(huán)境中仍面臨安全挑戰(zhàn)。電容式、超聲波式等傳感方案雖然已經(jīng)廣泛應用，但是電氣連接和供電系統(tǒng)可能引入潛在點火風險，同時還容易受到電磁干擾、腐蝕環(huán)境以及復雜工況的影響。
光纖傳感技術(shù)憑借絕緣特性、抗電磁干擾能力、本質(zhì)安全以及低功耗優(yōu)勢，被認為是危險環(huán)境監(jiān)測的重要發(fā)展方向。近年來，基于光纖光柵、模干涉、法布里-珀羅干涉儀（FPI）等原理的液位傳感器不斷涌現(xiàn)，但多數(shù)方案依賴液體折射率變化或額外機械結(jié)構(gòu)，容易受到溫度、液體成分變化以及污染等因素影響。因此，開發(fā)一種結(jié)構(gòu)緊湊、無需復雜補償、能夠直接測量液體壓力變化的新型光纖傳感器，成為高可靠液位監(jiān)測領(lǐng)域的重要需求。
據(jù)麥姆斯咨詢介紹，近期，斯洛文尼亞馬里博爾大學的研究團隊提出了一種全光纖法布里-珀羅差壓傳感器，并驗證了其在高分辨率液位測量中的應用潛力。相關(guān)研究成果已經(jīng)以A fiber-optic differential pressure sensor and its application in liquid level measurement”為題，發(fā)表于Optics and Laser Technology期刊。
膜片式法布里-珀羅干涉儀（FPI）設計，實現(xiàn)差壓精準感知
該差壓傳感器采用膜片式FPI設計，其干涉儀制作在定制單模光纖（CSMF）的端面。FPI由兩個部分反射鏡組成：第一個由CSMF垂直解理的端面構(gòu)成，第二個為柔性二氧化硅（SiO?）膜片。
圖1 差壓傳感器示意圖及實物圖
如圖1a所示，CSMF包含兩根微毛細管，與標準單模光纖纖芯平行設置。采用兩根對稱放置的微毛細管，可確保拉制過程中光纖橫截面具有良好的旋轉(zhuǎn)對稱性。該設計最大限度地減少了內(nèi)部殘余熱應力及相關(guān)的光纖扭轉(zhuǎn)問題，從而提高了CSMF的制造重復性和整體質(zhì)量。
FPI腔體內(nèi)的壓力均衡通過將傳感器頂端的毛細管通過兩個長度為26 μm、徑向分布的排氣口連接至外部大氣來實現(xiàn)，由此可使FPI與周圍環(huán)境之間實現(xiàn)有效的壓力均衡。
圖2 光纖橫截面顯微圖像
為了提高壓力傳感靈敏度，研究人員進一步采用微加工工藝制備超薄SiO?膜片。傳感器制造過程包括光纖熔接、精密切割、飛秒激光加工微通道、HF濕法刻蝕以及膜片減薄等步驟。其中，通過機械拋光和HF刻蝕，最終將膜片厚度降低至約1–1.5 μm，實現(xiàn)高靈敏壓力響應。
圖3 差壓傳感器的制造步驟
高靈敏、低功耗，毫米級液位測量
實驗結(jié)果顯示，該全光纖差壓傳感器展現(xiàn)出優(yōu)異的壓力檢測性能。在接近零壓力區(qū)域，其壓力靈敏度達到?1311 nm/bar，通過二次函數(shù)擬合后，響應曲線擬合優(yōu)度R2達到0.999，表現(xiàn)出良好的測量一致性。
圖4 差壓傳感器的壓力靈敏度評估
在動態(tài)性能方面，研究團隊通過改變光纖中微毛細結(jié)構(gòu)長度，對傳感器響應速度進行了優(yōu)化。當有效毛細長度縮短至0.3 m時，傳感器時間常數(shù)最低達到1.4 s；當長度增加至0.9 m和2 m時，對應時間常數(shù)分別為7 s和40 s，驗證了微毛細結(jié)構(gòu)對動態(tài)響應的重要影響。
在液位檢測實驗中，研究人員搭建了可調(diào)節(jié)液位和頂部氣壓的測試平臺，對傳感器進行了0-800 mm范圍內(nèi)的液位測量驗證。結(jié)果顯示，該傳感器實現(xiàn)了1.1 mm液位測量分辨率，并具有近乎無滯后的線性響應特性。
圖5 液位測量的實驗裝置，液位應用的工作原理
進一步測試表明，該傳感器能夠有效消除儲罐頂部氣壓變化帶來的影響。當液面上方氣壓發(fā)生變化時，傳感器僅產(chǎn)生短暫響應，隨后恢復至由液柱壓力決定的輸出狀態(tài)，證明其能夠準確測量真實差壓，而不受氣相壓力變化干擾。
此外，由于傳感器采用短FPI腔設計，溫度交叉敏感性顯著降低，無需額外溫度補償。在20–90 ℃范圍內(nèi)測試時，其溫度響應僅約?0.012 nm/K，對應液位誤差約?0.08 mm/K，在多數(shù)實際應用環(huán)境中無需額外補償算法。
長期穩(wěn)定性測試進一步驗證了該器件的可靠性。研究人員在煤油環(huán)境中進行了40小時連續(xù)測試，結(jié)果顯示液位漂移小于2 mm，且測試前后光譜未出現(xiàn)明顯退化，表明傳感器具有良好的機械穩(wěn)定性和環(huán)境適應能力。
總結(jié)而言，該研究提出的全光纖FPI差壓傳感器，將光纖干涉測量、高精度微加工以及壓力均衡微毛細通道設計相結(jié)合，實現(xiàn)了微型化、高靈敏度和本征安全性的統(tǒng)一。該技術(shù)不僅適用于液位檢測，還可進一步拓展至流體壓力監(jiān)測、航空航天裝備狀態(tài)監(jiān)控以及危險工業(yè)環(huán)境感知等領(lǐng)域。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2026.116103
