全光纤一体化差压传感器，实现毫米级精准液位测量
2026-08-12 08:41:12 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该研究提出的全光纤FPI差压传感器，将光纤干涉测量、高精度微加工以及压力均衡微毛细通道设计相结合，实现了微型化、高灵敏度和本征安全性的统一。该技术不仅适用于液位检测，还可进一步拓展至流体压力监测、航空航天装备状态监控以及危险工业环境感知等领域。
液位测量是工业过程控制、安全监测和能源装备管理中的关键环节。在石油化工、航空燃油储存、压力容器以及复杂工业系统中，液位信息不仅影响生产效率，更直接关系到设备安全。然而，传统的电学液位传感器在易燃易爆环境中仍面临安全挑战。电容式、超声波式等传感方案虽然已经广泛应用，但是电气连接和供电系统可能引入潜在点火风险，同时还容易受到电磁干扰、腐蚀环境以及复杂工况的影响。
光纤传感技术凭借绝缘特性、抗电磁干扰能力、本质安全以及低功耗优势，被认为是危险环境监测的重要发展方向。近年来，基于光纤光栅、模干涉、法布里-珀罗干涉仪（FPI）等原理的液位传感器不断涌现，但多数方案依赖液体折射率变化或额外机械结构，容易受到温度、液体成分变化以及污染等因素影响。因此，开发一种结构紧凑、无需复杂补偿、能够直接测量液体压力变化的新型光纤传感器，成为高可靠液位监测领域的重要需求。
据麦姆斯咨询介绍，近期，斯洛文尼亚马里博尔大学的研究团队提出了一种全光纤法布里-珀罗差压传感器，并验证了其在高分辨率液位测量中的应用潜力。相关研究成果已经以A fiber-optic differential pressure sensor and its application in liquid level measurement”为题，发表于Optics and Laser Technology期刊。
膜片式法布里-珀罗干涉仪（FPI）设计，实现差压精准感知
该差压传感器采用膜片式FPI设计，其干涉仪制作在定制单模光纤（CSMF）的端面。FPI由两个部分反射镜组成：第一个由CSMF垂直解理的端面构成，第二个为柔性二氧化硅（SiO₂）膜片。
图1 差压传感器示意图及实物图
如图1a所示，CSMF包含两根微毛细管，与标准单模光纤纤芯平行设置。采用两根对称放置的微毛细管，可确保拉制过程中光纤横截面具有良好的旋转对称性。该设计最大限度地减少了内部残余热应力及相关的光纤扭转问题，从而提高了CSMF的制造重复性和整体质量。
FPI腔体内的压力均衡通过将传感器顶端的毛细管通过两个长度为26 μm、径向分布的排气口连接至外部大气来实现，由此可使FPI与周围环境之间实现有效的压力均衡。
图2 光纤横截面显微图像
为了提高压力传感灵敏度，研究人员进一步采用微加工工艺制备超薄SiO₂膜片。传感器制造过程包括光纤熔接、精密切割、飞秒激光加工微通道、HF湿法刻蚀以及膜片减薄等步骤。其中，通过机械抛光和HF刻蚀，最终将膜片厚度降低至约1–1.5 μm，实现高灵敏压力响应。
图3 差压传感器的制造步骤
高灵敏、低功耗，毫米级液位测量
实验结果显示，该全光纤差压传感器展现出优异的压力检测性能。在接近零压力区域，其压力灵敏度达到−1311 nm/bar，通过二次函数拟合后，响应曲线拟合优度R²达到0.999，表现出良好的测量一致性。
图4 差压传感器的压力灵敏度评估
在动态性能方面，研究团队通过改变光纤中微毛细结构长度，对传感器响应速度进行了优化。当有效毛细长度缩短至0.3 m时，传感器时间常数最低达到1.4 s；当长度增加至0.9 m和2 m时，对应时间常数分别为7 s和40 s，验证了微毛细结构对动态响应的重要影响。
在液位检测实验中，研究人员搭建了可调节液位和顶部气压的测试平台，对传感器进行了0-800 mm范围内的液位测量验证。结果显示，该传感器实现了1.1 mm液位测量分辨率，并具有近乎无滞后的线性响应特性。
图5 液位测量的实验装置，液位应用的工作原理
进一步测试表明，该传感器能够有效消除储罐顶部气压变化带来的影响。当液面上方气压发生变化时，传感器仅产生短暂响应，随后恢复至由液柱压力决定的输出状态，证明其能够准确测量真实差压，而不受气相压力变化干扰。
此外，由于传感器采用短FPI腔设计，温度交叉敏感性显著降低，无需额外温度补偿。在20–90 ℃范围内测试时，其温度响应仅约−0.012 nm/K，对应液位误差约−0.08 mm/K，在多数实际应用环境中无需额外补偿算法。
长期稳定性测试进一步验证了该器件的可靠性。研究人员在煤油环境中进行了40小时连续测试，结果显示液位漂移小于2 mm，且测试前后光谱未出现明显退化，表明传感器具有良好的机械稳定性和环境适应能力。
总结而言，该研究提出的全光纤FPI差压传感器，将光纤干涉测量、高精度微加工以及压力均衡微毛细通道设计相结合，实现了微型化、高灵敏度和本征安全性的统一。该技术不仅适用于液位检测，还可进一步拓展至流体压力监测、航空航天装备状态监控以及危险工业环境感知等领域。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2026.116103
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