大型储罐全光纤宽范围高精度在线监测方法

《Sensors and Actuators A: Physical》：All-optical fiber wide-range high-precision online monitoring method for large storage tanks

　　•高度集成式传感：在单个节点上同时监测液位、密度和环境温度。•绝对变量解耦：通过整合浮力-应变模型与主动热补偿机制，消除相互干扰。•累积误差抑制：借助创新的并行测量架构，抑制空间上累积的系统误差。•卓越的动态范围：可实现8.31米的连续液位检测范围，绝对精度达0.156厘米。•工业级可靠性：采用专用的T形固定装置，可在储罐中可靠部署且无火花产生。

引言
在酿酒厂及工业酒精生产设施中，大量储罐被用于储存酒精及相关物料，同时支持连续的灌装和卸载作业。在灌装和卸载过程中，储罐内酒精的属性会持续发生动态变化，这凸显了过程安全管理的重要性[1]、[2]。实时在线监测包括液位高度[3]、[4]、密度[5]以及环境温度[6]等关键参数，对于生产调度、库存管理、自动控制以及物料质量评估而言至关重要。准确的测量数据不仅能便于日常监控，还为密度补偿、测量校正以及操作故障的早期预警提供重要依据。

目前用于监测液位[3]、[7]、[8]、密度[9]、[10]以及环境温度[11]、[12]的测量方法，在实际工业应用中存在诸多局限性，尤其是在复杂的工作环境下。电容式[13]、[14]接触式传感器以及静压式压力表[15]虽然结构简单，但易受介质粘度、温度变化及压力条件的影响。而超声波[16]和雷达液位计[17]等非接触式方法虽精度较高，却容易因表面扰动或复杂的几何结构导致测量误差。例如，用于检测密度的超声波方法[10]、[18]对杂质和气泡较为敏感。此外，传统电子传感器在易燃液体储存这类高挥发性环境中存在严重的安全风险，尤其是电气部件可能产生火花的问题。

与传统电子传感器相比，光纤传感器，尤其是基于光纤布拉格光栅（FBG）的光纤传感器，通过光信号进行通信和感知，因此能够有效抵御电磁干扰且不会产生噪声。此外，光纤传感器体积小巧，物理性质稳定，能够在恶劣环境中长期工作[19]。在测量液位高度[20]、[21]和密度方面，即便在复杂环境中，光纤传感器也能提供精准、稳定且可靠的检测结果。尽管近期已有研究利用瑞利散射[22]、[23]或悬臂梁弯曲[24]等技术开发出光纤液位传感器，但其实际应用仍面临诸多挑战。目前的解决方案通常依赖特殊涂层或复杂结构，导致制造成本高昂且长期稳定性较差。更重要的是，现有方法的有效监测范围通常较短。对于常见的垂直储罐而言，其高度可达5米，这些方法无法在真实操作条件下实现原位、连续且定量的测量，既不能同步监测液体密度和环境温度，也无法在连续灌装和抽液过程中提供动态反馈。

在本研究中，我们提出了一种基于FBG技术的完整在线测量系统，并对其进行了严格验证，该系统能够同时监测液位高度、液体密度和环境温度。为了解决将光纤牢固连接到金属表面的机械难题，我们设计了一种创新的光纤固定装置，以确保其在实际储罐环境中的长期稳定性。该系统运用阿基米德原理，通过比重球根据浮力变化来检测液体密度的变化。为确保传感器在不同液位下的高精度，系统中采用了轻质PVC管与形状可变的重物相连，以此降低光纤所承受的拉力。

为满足工业测量中对高精度的严格要求并尽量减少系统误差，我们采用了并行测量架构，利用多根光纤共同检测液位。同时，充分利用FBG本身的温度敏感性，用于监测内部环境温度，从而为消除环境温度对密度和液位测量的干扰提供可靠依据。最后，通过一系列自动液位升降及动态响应测试，验证了所提出装置的实用性、测量精度及长期稳定性，为大型工业酒精储罐的智能实时监测奠定了坚实的技术基础。

章节节选
理论与实验原理
光纤布拉格光栅（FBG）是通过在单模光纤的核心部分周期性改变其折射率而形成的[25]。FBG可作为环境温度?T和应力?ε的双参数传感器。通过主动补偿已知的外部温度变化，经过校正后的波长偏移量?λB与外部应力?ε之间存在严格的线性关系，相关系数Pe为0.22[26]。
ΔλB/λB=(1?Pe)?Δε

为实现连续的多参数监测，本研究运用了阿基米德原理。

传感器制造与光纤固定
本实验中使用的光纤直径为250微米。为增强其机械强度，在包层外层涂覆了丙烯酸层（Photonicsland Technology Co., LTD.公司产品）。如方程(1)所示，FBG的波长对纵向应力变化极为敏感。因此，为准确检测轴向应力并防止光纤相对滑动，必须将光纤的两端牢牢固定在机械连接器上。如图1所示，

系统校准与基准验证
在开展动态多参数监测之前，我们对FBG传感器的基准特性以及 interrogation系统的可靠性进行了严格验证。如图3(a)所示，使用高分辨率光谱仪采集到了FBG的初始反射光谱，其中心布拉格波长为1529.982纳米。当施加398.6克和701.4克的离散轴向静态载荷后，反射峰向更长波长方向发生了4.344纳米的明显偏移。

结论
本研究开发了一种多通道并行FBG测量系统，可用于大规模储罐中液位、密度和环境温度的同步、原位监测。为确保在恶劣的工业环境中的长期可靠性，我们设计了一种创新的T形固定装置，以便在不损害光纤的情况下实现稳定的应力传递。并行测量架构的运用有效抑制了局部应力异常现象。

作者贡献说明
赵春流：写作——审阅与编辑、监督、资金获取、数据整理。詹春莲：监督。阙亚金：监督。余东友：资源保障、方法设计、资金获取。丁哲文：写作——审阅与编辑、项目管理、资金获取、数据整理。钟俊兰：监督。邵业军：写作——初稿撰写、可视化处理、验证分析、软件应用、研究实施、数据整理。赵白阳：可视化处理、验证分析。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了浙江省自然科学基金（项目编号ZCLZ25F0501）、国家自然科学基金（项目编号62305319）以及Photonicsland Technology Co., Ltd.的技术开发项目（项目编号H251565）的支持。邵业军是中国计量大学光学工程专业的博士生，目前的研究重点是光纤布拉格光栅传感器在环境监测和形状感知领域的应用。

邵业军|赵白阳|丁哲文|钟俊兰|阙亚金|余东友|詹春莲|赵春流