【摘 要】
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随着工程技术的发展,诸如液氮等低温液体在航空航天、医疗以及工业等领域的应用日渐广泛,对它们进行液位监测是确保安全的重要手段,也是生产使用等环节的技术要求。目前已有许多低温液位传感方案,但由于低温环境带来的负面影响,这些方案存在着精度易受温度干扰等各种问题。光纤传感具有不受电磁干扰,抗腐蚀,抗爆好等优势,一直以来在液位测量领域都有着相当程度的发展。但低温环境会对一些光纤器件产生负面影响,这阻碍了光纤
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随着工程技术的发展,诸如液氮等低温液体在航空航天、医疗以及工业等领域的应用日渐广泛,对它们进行液位监测是确保安全的重要手段,也是生产使用等环节的技术要求。目前已有许多低温液位传感方案,但由于低温环境带来的负面影响,这些方案存在着精度易受温度干扰等各种问题。光纤传感具有不受电磁干扰,抗腐蚀,抗爆好等优势,一直以来在液位测量领域都有着相当程度的发展。但低温环境会对一些光纤器件产生负面影响,这阻碍了光纤器件在低温液位传感中的应用。为了满足低温液位测量的需求。本文以光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Gratings,FBG）和光纤非本征法珀干涉结构（Extrinsic FabryPerot Interferometric,EFPI）为基础提出了适用于低温环境的EFPI-FBG结构,并以该结构为核心设计了低温液位传感器,主要液位敏感元件包括波纹膜片和等强度悬臂梁。具体工作内容如下:（1）以低温液体的液位测量为目标,从光纤法珀以及FBG传感原理出发,结合仿真和实验结果,提出了基于EFPI-FBG结构的低温液位传感器以及低温液位测量方案。（2）使用有限元软件对传感器膜片的不同结构参数以及传感器等强度悬臂梁上各处的应变情况进行了仿真,依据仿真所得结果确定了膜片的最佳结构参数和等强度悬臂梁上的法珀结构粘接位置。为了确定液氮环境中FBG的温敏特性,还通过仿真软件对其在低温下中心波长的移动规律进行了分析。最终采用剖面为正弦结构的波纹膜片,膜片厚度0.03 mm,波纹高度0.35 mm,波纹数量9。法珀结构粘接位置为距等强度悬臂梁自由端12 mm处。（3）进行了低温液位传感器的性能测试实验。利用搭建的测量系统确定EFPIFBG结构中FBG的聚酰亚胺涂层厚度以及FBG的封装形式。并对传感器进行温度标定、压力标定以及液位灵敏度测量。根据测量数据对传感器的线性度、分辨力以及误差进行分析计算。最终得到传感器的法珀结构温度灵敏度为0.051μm/℃,封装后FBG的温度灵敏度为8.17 pm/℃,传感器液位灵敏度为0.077μm/cm,线性度为1.224%,最大相对误差为-4.042%,重复性误差为1.070%,分辨力为1 cm。
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