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钛膜外腔干涉仪结合微波光子滤波器实现高精度液位传感，灵敏度达0.373 MHz/cm，分辨率0.0027 cm，长期稳定性优于±4 kHz漂移。钛膜耐腐蚀性强，适合水下环境，通过监测MPF通带中心频率变化实现液位检测。
罗泽佳|王玉东|李志毅|刘世伟|谢同同|刘文钊|王晓中|傅洪艳
电子科学与工程学院（国家模范微电子学院）电子工程系，厦门大学，中国厦门361005
摘要
本研究提出了一种高精度的液位传感系统，该系统将钛膜外置法布里-珀罗干涉仪（Ti-EFPI）与微波光子滤波器（MPF）相结合。钛膜具有较高的杨氏模量和出色的耐腐蚀性，特别适用于水下环境中的长期运行。MPF技术能够将光学域中由腔长变化引起的干涉图案的波长偏移转换为电子域中相应通带的频率偏移。通过监测MPF通带中心频率的变化，可以高精度地测量液位。在我们的实验中，液位灵敏度达到了0.373 MHz/cm，理论检测分辨率为0.0027 cm。实验还获得了良好的长期稳定性（< ± 4 kHz漂移）。所提出的液位传感系统具有高灵敏度、良好的稳定性、低制造成本和易于制造的特点，因此在工业应用中具有很大的潜力。
引言
在石化[1]、能源存储/运输[2]和液压工程[3]等工业领域，准确监测液位至关重要。传统的电子液位传感器容易受到电磁干扰，并且在易燃或爆炸性环境中不稳定。光纤传感技术通过提供固有的安全性、强耐腐蚀性和抗电磁干扰能力，克服了这些缺点，使其适用于复杂的工业应用[4]。
为了实现精确的液位测量，已经广泛探索了多种光纤传感机制。其中，马赫-曾德尔干涉仪（MZI）由于对外部折射率（RI）变化具有出色的灵敏度而特别突出。具体来说，张等人提出了一种内联MZI传感器，该传感器通过将细芯光纤（TCF）和超薄光纤（UTF）与两个单模光纤连接起来构建。这种配置能够同时测量液位和温度，灵敏度达到?231.67 pm/mm[5]。基于MZI原理，熊等人开发了一种结构，在两个球形光纤分光器之间嵌入了长周期光纤光栅（LPFG）。通过利用灵敏度系数矩阵解耦参数，他们还实现了液位和温度的双参数监测[6]。
除了干涉结构外，基于光纤光栅的传感器是另一类主要依赖于波长调制的传感器。例如，Sengupta和Kishore开发了一种基于标准光纤布拉格光栅（FBG）的液位传感器，该传感器可以监测由静水压力引起的布拉格波长偏移，灵敏度达到23 pm/cm[7]。为了解决温度交叉灵敏度问题并实现多参数传感，Osuch等人提出了使用倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）的方法。这种传感器利用包层模式与周围介质的相互作用，同时测量液位和温度，报告的液位灵敏度为?0.456 ± 0.009 dB/mm，温度灵敏度为11.4 ± 0.2 pm/℃[8]。
同时，聚合物光纤（POF）作为一种有吸引力的替代品出现了，相比石英光纤具有成本效益高、柔韧性更强和断裂应变大的优点。基于POF的液位传感器通常利用强度调制技术。张等人开发了一种基于包层模式受挫全内反射（CMFTIR）的扭曲螺旋POF传感器。该设计实现了350 mm的大连续测量范围，分辨率低于0.3 mm[9]。Ghaffar等人设计了一种使用扭曲POF的级联传感器阵列，通过测量侧向耦合光功率的衰减来确定液位，成功实现了最大12 cm的多点检测，灵敏度达到0.2726 μW/cm[10]。Teng等人使用侧抛光螺旋POF开发了一种表面等离子体共振（SPR）液位传感器，通过分别监测SPR峰的深度变化和波长偏移来实现液位和RI的同时测量[11]。此外，Ghaffar等人提出了一种便携式智能手机集成系统，利用内置的手电筒和双摄像头，通过监测周围介质RI变化引起的光功率耦合变化，在0–100 mm的液位范围内实现了0.007 mm的高分辨率[12]。
在光纤传感结构中，基于隔膜的EFPI由于其紧凑性和高响应性而在液位测量方面显示出显著潜力[13]。当液位变化引起压力变化时，导致隔膜变形，干涉腔长度也随之变化。通过监测干涉图案的波长偏移可以测量液位[14]。例如，王等人开发了一种基于熔融石英隔膜的EFPI用于液位监测，实现了5.3 nm/kPa的压力灵敏度和6.8 Pa的分辨率[15]。Martins等人开发了一种聚氨酯树脂隔膜EFPI光纤液位传感器，灵敏度为4.4 ± 0.1 pm/mm[16]。
然而，基于隔膜的EFPI传感器通常依赖于光谱仪在光学域中的波长解调，这受到光谱分辨率限制的影响，并且容易受到周期性模糊的影响。首先，光谱仪分辨率不足会阻止检测到小规模的液位变化[17]。其次，当光谱偏移超过一个自由光谱范围（FSR）时，就无法确定波长偏移的绝对值[18]。随着微波光子学的进步，将其集成到光纤传感系统中引起了广泛的研究兴趣。在这种情况下，使用单通带MPF来解调干涉传感器，可以将干涉仪图案的光学波长变化转换为射频域中的通带频率偏移，从而克服了由于周期性光谱检测而导致的测量范围限制[19]。这种方法消除了传统方法中固有的光学分辨率和相位模糊的限制。同时，通过提高灵敏度和降低实现成本显著提升了系统性能，这一点已在先前的研究中得到验证。例如，2023年Pan等人提出了一种利用MPF替代传统波长解调的湿度传感方法，实现了1.31 MHz/%RH的湿度灵敏度，大大扩展了测量范围[20]。2024年，Xie等人证明微波光子解调FBG应变传感器的分辨率为2.435 × 10?5 με，而传统的光学域解调仅达到7.57 με[21]。因此，这种技术提供了比传统光学域解调方案更优的替代方案。
本研究提出并验证了一种基于Ti-EFPI传感器的光纤液位传感系统，该传感器使用单通带MPF进行解调。选择钛（Ti）作为传感器头部的隔膜材料，是因为其在水下环境中具有较高的杨氏模量和出色的耐腐蚀性。Ti-EFPI同时作为传感元件和光谱切片设备，与色散介质结合实现了单通带MPF。当液位变化时，压力引起的腔长变化会导致MPF通带的频率偏移，通过跟踪这种偏移可以测量液位。在实验中，我们实现了0.373 MHz/cm的液位灵敏度，理论检测分辨率为0.0027 cm，测量范围为0–400 mm。稳定性评估显示，通带中心频率在一小时内波动了大约0.004 MHz，相当于0.011 cm的测量误差。这些结果证实了Ti-EFPI与单通带MPF结合使用具有高灵敏度、精细的分辨率和扩展的测量范围。因此，该系统在石化、能源存储/运输和液压工程中的液位监测方面具有很强的潜力。
操作原理
所提出的基于隔膜的光纤EFPI传感器结构如图1所示。它由一段单模光纤（SMF）、一个石英套管和一个隔膜组成。在EFPI腔内，入射光从两个不同的界面反射：M1（SMF/空气边界）和M2（空气/隔膜边界）。根据法布里-珀罗腔的双光束干涉理论，这种配置的反射光谱由方程（1）描述：
