激光光纤液位测量仪及测量方法与流程

本发明涉及液位测量仪领域，尤其涉及一种激光光纤液位测量仪及测量方法。

背景技术：

液位传感监测在民用和军用方面均有广泛应用。从石油、化工、天然气等大型企业到油库、城市油库，机场油库，港口油库，国家储备油库，加油站、从酒厂、饮料业厂、牛奶供应厂到造纸厂、监控环保、火灾监控报警、保安监控等行业，几乎涵盖国民经济中所有领域。

目前市面上大量的机械类的液位传感器和电类传感器可以用于检测液位高度，但由于电类传感器引入了电这个易燃因素，对石油、石化等易燃、易爆的产品是十分致命的，会引起极大的安全隐患。目前为止，我国在石油石化等产品为主的易燃、易爆领域里，还不得不使用原始的机械仪表测量液位高度。

使用原始的机械仪表测量液位高度，测量速度慢，测量精度较低，不具备安全、远距离监控的功能，难以实现远程组网监控。

技术实现要素：

本发明为解决如何安全、远距离对石油、石化等易燃、易爆产品进行液位传感监测的技术问题，提供了一种激光光纤液位测量仪及测量方法。

本发明提供了一种激光光纤液位测量仪，包括激光发射测量控制主机和光纤光路液位探测装置，所述激光发射测量控制主机包括处理器、激光发射单元、激光传输单元和激光接收单元，所述处理器分别与所述激光发射单元、激光接收单元连接，所述激光发射单元与所述激光传输单元连接，所述光纤光路液位探测装置包括光纤光路发射与接收模块，所述激光传输单元分别与所述光纤光路发射与接收模块、激光接收单元连接。

进一步的，所述激光发射单元包括主振调制频率发生器、激光二极管调制驱动模块、激光二极管、光纤适配器和发射光路切换开关，所述主振调制频率发生器的输出端分别与所述处理器、激光二极管调制驱动模块连接，所述激光二极管调制驱动模块的输出端与所述激光二极管连接，所述激光二极管的输出端通过所述光纤适配器与所述发射光路切换开关连接，所述发射光路切换开关与所述激光传输单元连接。

进一步的，所述激光传输单元包括第一光路环形器、光纤光缆和光纤连接器，所述第一光路环形器通过所述光纤光缆与所述光纤连接器连接，所述第一光路环形器与所述激光接收单元连接连接，所述光纤连接器与所述光纤光路发射与接收模块连接。

进一步的，所述光纤光路液位探测装置还包括第二光路环形器，所述光纤连接器与所述第二光路环形器连接，所述第二光路环形器与所述光纤光路发射与接收模块连接，所述光纤光路发射与接收模块包括光纤发射与接收准直模块。

进一步的，所述光纤光路发射与接收模块包括光纤光路发射模块和光纤光路接收模块，所述光纤光路发射模块包括激光信号光纤发射模块，激光信号光纤发射模块包括发射镜片，所述光纤光路接收模块包括激光光信号光纤接收装置，所述激光光信号光纤接收装置包括接收镜片。

进一步的，所述激光接收单元包括接收光路切换开关、激光探测元件和自动增益控制单元，所述第一光路环形器通过所述接收光路切换开关与所述激光探测元件的输入端连接，所述激光探测元件的输出端与所述自动增益控制单元连接，所述自动增益控制单元的输出端与所述处理器连接，所述激光探测元件连接有本地晶体振荡信号发生器。

进一步的，所述处理器连接有数据监控中心，所述光纤光路液位探测装置至少有一个。

本发明还提供了一种激光光纤液位测量方法，包括以下步骤：

S1、处理器控制激光发射单元发射出调制激光信号；

S2、所述调制激光信号分别通过参考光路路径和测量光路路径形成参考光路信号和测量光路信号，所述参考光路信号和测量光路信号经激光接收单元接收并反馈回处理器；

S3、所述处理器依据相位测距理论得到液位距离。

进一步的，参考光路路径为：处理器控制激光二极管驱动发射调制激光信号，同时发送指令控制发射电控光开关选通参考激光光纤通道CH1，调制激光光波，通过光路环形器，光纤光缆线路，返回至接收电控光开关的参考光路输入通道，此时，处理器发送指令控制接收电控光开关选通参考光路输入通道，光电探测器(优选为雪崩光电探测器)探测到此时的调制光信号即为参考光路信号，此参考光路信号作为测量光路信号的参考，为后续测量算法的处理提供参考；

进一步的，测量光路路径为：处理器控制激光二极管驱动发射调制激光信号，同时发送指令控制发射电控光开关选通测量激光光纤通道CH2，调制激光光波通过光路环形器，光纤光缆线路，通过激光信号光纤发射模块出射调制激光光波，调制激光光波打在被测量液面，反射光波通过和激光光信号光纤接收装置耦合进光纤，返回至接收电控光开关的测量光路输入通道，此时，处理器发送指令控制接收电控光开关选通测量光路输入通道，雪崩光电探测器探测到此时的调制光信号即为测量光路信号。

进一步的，根据相位测距理论原理可知，激光光波在传输路径上往返一次的时间T以及调制光波经过的液位距离D与时间T的关系可以得到D＝1/2*CT，由调制光波与调制频率之间的关系可推出液位距离D的表达式为：

测尺长度L＝λ/2，其中λ为调制波长，为已知量，由调制频率决定，求出N和Δφ即可求出液位距离D。

本发明的有益效果是：通过上述方案，可以安全、远距离对石油、石化等易燃、易爆产品进行液位传感监测，测量速度快，测量精度较高，具备安全、远距离监控的功能，可以实现远程组网监控。

附图说明

图1为本发明一种激光光纤液位测量仪的总体示意图。

图2是本发明一种激光光纤液位测量仪的光路示意图。

图3是本发明一种激光光纤液位测量仪的多目标液位监测应用方框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。

图1至图3中的附图标号为：激光发射测量控制主机1；处理器2；激光探测元件3；自动增益控制单元4；本地晶体振荡信号发生器5；主振调制频率发生器6；激光二极管调制驱动模块7；激光二极管8；光纤适配器9；发射光路切换开关10；第一光路环形器11；光纤光缆12；第二光路环形器13；储液容器14；光纤光路液位探测装置15；光纤光路发射与接收模块16；光纤发射与接收准直模块17；光纤连接器18；调制激光信号19；被测液面20；测量光路信号21；参考光路信号22；接收光路切换开关23；固定法兰24；激光信号光纤发射模块25；发射镜片26；激光光信号光纤接收装置27；接收镜片28；数据监控中心29；光开关矩阵30；

实施例一：

如图1所示，一种激光光纤液位测量仪，包括激光发射测量控制主机1和光纤光路液位探测装置15，所述激光发射测量控制主机包括处理器(MCU：Micro Controller Unit)2、激光发射单元、激光传输单元和激光接收单元，所述处理器2分别与所述激光发射单元、激光接收单元连接，所述激光发射单元与所述激光传输单元连接，所述光纤光路液位探测装置15包括光纤光路发射与接收模块16，所述激光传输单元分别与所述光纤光路发射与接收模块16、激光接收单元连接。

如图1所示，所述激光发射单元包括主振调制频率发生器6、激光二极管调制驱动模块7、激光二极管(LD：Laser Diode)8、光纤适配器(Modulator：调制器)9和发射光路切换开关10，所述主振调制频率发生器6的输出端分别与所述处理器2、激光二极管调制驱动模块7连接，所述激光二极管调制驱动模块7的输出端与所述激光二极管8连接，所述激光二极管8的输出端通过所述光纤适配器9与所述发射光路切换开关10连接，所述发射光路切换开关10与所述激光传输单元连接，主振调制频率发生器(Oscillator：晶体振荡器)6提供主振调制频率，所述主振调制频率发生器6通过激光二极管调制驱动模块7用于驱动调制激光二极管8发射调制激光光波，激光二极管8在激光二极管调制驱动模块7的驱动之下发射出调制激光载波(又称调制激光信号19)，光纤适配器9接收耦合激光二极管8发射的调制激光并耦合进光纤。

如图1所示，所述激光传输单元包括第一光路环形器11、光纤光缆12和光纤连接器18，所述第一光路环形器11通过所述光纤光缆12与所述光纤连接器18连接，所述第一光路环形器11与所述激光接收单元连接连接，所述光纤连接器18与所述光纤光路发射与接收模块16连接。

如图1所示，所述光纤光路液位探测装置15还包括第二光路环形器13，所述光纤连接器18与所述第二光路环形器13连接，所述第二光路环形器13与所述光纤光路发射与接收模块16连接，所述光纤光路发射与接收模块16包括光纤发射与接收准直模块17。

如图2所示，所述光纤光路发射与接收模块16包括光纤光路发射模块和光纤光路接收模块，所述光纤光路发射模块包括激光信号光纤发射模块25，所述激光信号光纤发射模块25包括发射镜片26，所述光纤光路接收模块包括激光光信号光纤接收装置27，所述激光光信号光纤接收装置27包括接收镜片28。

如图1所示，所述激光接收单元包括接收光路切换开关23、激光探测元件3和自动增益控制单元4，所述第一光路环形器11通过所述接收光路切换开关23与所述激光探测元件3的输入端连接，所述激光探测元件3的输出端与所述自动增益控制单元4连接，所述自动增益控制单元4的输出端与所述处理器2连接，所述激光探测元件3连接有本地晶体振荡信号发生器5，本地晶体振荡信号发生器5用于提供本振调制频率，所述本地晶体振荡信号发生器5通过驱动激光探测元件3对测量与参考调制光路信号进行光电混频，自动增益控制单元(AGC：Automatic Gain Control)4用于测量信号。

所述发射光路切换开关10优选为发射电控光开关(Optical Switch)，所述接收光路切换开关23优选为接收电控光开关(Optical Switch)。所述发射光路切换开关10、接收光路切换开关23分别受处理器2控制。

所述激光探测元件3优选为雪崩光电探测器(APD：Avalanche Photo Diode)。

如图2所示，所述光纤光路液位探测装置15通过固定法兰24固定在所述储液容器14之内。

如图1所示，MCU控制驱动LD发射调制激光光波，同时控制电控光开关选通相应通道，在APD端测量得到参考或测量光路信号。所述光路环形器，通过光纤连接器18与光纤光缆12连接实现对参考光路信号远距离传输，各光纤环形器通过光纤连接器18与光路开关连接实现对测量光路信号远距离传输，测量光路与参考光路所经过光纤光缆线路的光路程是一样的。所述激光发射测量控制主机1与外部的连接端口为一光纤连接器18，所述光纤连接器18与外部光纤光缆线路对接，所述光纤光缆12两端各有一个光纤适配器装置，分别与激光发射测量控制主机1、光纤光路液位探测装置15连接，使得经由激光发射测量控制主机1的调制激光光波信号通过光纤线路12传输到光纤光路液位探测装置15，再由光纤光路液位探测装置15将测量或参考光路信号通过光纤线路回传输至激光发射测量控制主机1的APD接收端。

所述光纤光缆12包括两根光纤，与光纤光路环形器等组成光纤光路传输系统。所述光纤光路液位探测装置15包括两个光纤环形器、光纤光信号发射单元、反射光信号接收并耦合进光纤的单元。所述光纤光路液位探测装置15，其与外部光路连接通过两个光纤连接器18(FC/APC)连接。探测中所述环形器与光纤光路液位探测装置15中的环形器一起组成整个光纤光路传输系统，光纤光信号发射单元，把光纤中传输的光信号经过准直聚焦处理，然后出射到被测目标表面，光纤光信号接收单元把从被测液面漫反射的测量光信号接收并耦合进光纤，通过光纤环形器、光纤光缆12传输至激光发射测量控制主机1，通过APD探测。APD把光信号转换为电信号且与本振频率进行混频、滤波、AGC处理，最后通过ADC进行采样得到数字的测量或参考信号。MCU通过对测量信号与参考信号的测距算法处理，可得出液面液位信息。

实施例二：

本发明提供的一种激光光纤液位测量仪运行工作时，是由MCU控制驱动LD发射调制激光载波，调制激光光波通过预定的光纤光路传输至远处，在光纤环形器部分直接把光路返回，得到参考光信号，在出射光纤末端把激光光波出射到被测液面20，然后通过接收模块把从液面目标反射回的激光信号接收，再耦合进光纤光路系统，得到回路测量光信号。测量光路信号21、参考光路信号22是在预定时序控制下分时回收和测量的，为了有效控制测量光路信号21、参考光路信号22的测量和处理，需经光路开关精确控制。测量光信号与参考光信号是将调制激光载波通过光纤光路传输系统实现的，光纤光路传输详细方框图如图2所示。

本发明还提供了一种激光光纤液位测量方法，包括以下步骤：

S1、处理器控制激光发射单元发射出调制激光信号19；

S2、所述调制激光信号19分别通过参考光路路径和测量光路路径形成参考光路信号22和测量光路信号21，所述参考光路信号22和测量光路信号21经激光接收单元接收并反馈回处理器2，其中，参考光路信号22和测量光路信号21是在预定时序控制下分时回收和测量的；

S3、所述处理器2依据相位测距理论得到液位距离。

测量光路信号21和参考光路信号22的具体路径稍有不同，但所走过的光纤光路程是一样的。

参考光路路径为：处理器2控制激光二极管8驱动发射调制激光信号19，同时发送指令控制发射电控光开关选通参考激光光纤通道CH1，调制激光光波，通过光路环形器(Optical Circulator)，光纤光缆线路，返回至接收电控光开关的参考光路输入通道，此时，处理器2发送指令控制接收电控光开关选通参考光路输入通道，雪崩光电探测器探测到此时的调制光信号即为参考光路信号22，此参考光路信号作为测量光路信号的参考，为后续测量算法的处理提供参考；

测量光路路径为：处理器2控制激光二极管8驱动发射调制激光信号，同时发送指令控制发射电控光开关选通测量激光光纤通道CH2，调制激光光波通过光路环形器，光纤光缆线路，通过激光信号光纤发射模块出射调制激光信号19，调制激光信号19打在被测量液面20，反射光波通过激光光信号光纤接收装置27接收并耦合进光纤，返回至接收电控光开关的测量光路输入通道，此时，处理器2发送指令控制接收电控光开关选通测量光路输入通道，雪崩光电探测器探测到此时的调制光信号即为测量光路信号21，此测量光路信号21可以与参考光路信号22进行比较分析，通过一定的FFT算法以及测量算法处理，最终得到测量的液位距离D。

雪崩光电探测器用于接收参考光路信号22和测量光路信号21，并把调制光信号转换为电信号。

根据相位测距理论原理可知，激光光波在传输路径上往返一次的时间T以及调制光波经过的液位距离D与时间T的关系可以得到D＝1/2*CT，由调制光波与调制频率之间的关系可推出液位距离D的表达式为：

测尺长度L＝λ/2，其中λ为调制波长，为已知量，由调制频率决定，求出N和Δφ即可求出液位距离D。

实施例三：

由图1可知，参考光路与测量光路信号通过APD光电混频、滤波、放大处理，在通过ADC采样分析和处理。APD光电混频把光转换为电信号，并通过滤波得到低频率的测量信号，然后对其进行放大滤波处理使适合ADC采样和处理，ADC把带相位信息的模拟测量信号转换为数字信号，通过对参考和测量信号的分析和处理，通过算法分析和处理即得到测量的液位距离D。

目前在具体的液位监测实施应用中，监测需求的目标往往是多个的，需要考虑系统复杂度，施工难度，可靠性和成本等多方面因素来设计多目标的应用系统方案，基于本发明的多目标监测系统应用方案如图3所示。

如图3所示，所述处理器2连接有数据监控中心(GUI)29，所述光纤光路液位探测装置15有多个，所述发射光路切换开关10、接收光路切换开关23集成为光开关矩阵30。

基于本发明的多目标监测系统，用光开关控制监测不同通道储液容器的液位，然后把监测的液位信息数据实时传输给监控中心，并在GUI界面显示。针对激光光纤液位监测需要在多目标液位监测场景中应用时，每个储液容器14中可以放置一个光探头，全部通过光纤通往安全屋，在安全屋中通过监控中心GUI界面可以随意选择控制显示任意一个储液容器的液位情况，设置适当的监测参数用于液位实时连续监测，液位报警监测、储油罐液位数据报表管理和服务等。开发的激光光纤液位应用监测系统，用于针对多通道多目标液位监测系统的有效管理。一个技术员就可以同时监测几十乃至上百个储液容器，并且对所有储液容器14的液位数据进行记录。

基于本发明的多目标监测系统，液面液位信息可通过MCU发送给运行数据监控中心29实时显示和处理。所述运行数据监控中心29，对多目标监测群液位信息进行实时显示和处理。通过GUI接口与激光发射测量控制主机1通信，所需通信方式为RS232。所述光开关矩阵30，受激光发射测量控制主机1中的MCU控制，与光纤光缆12通过光纤连接器18连接，不同的连接器端口接不通的光纤光路液位探测装置15监测目标。在MCU的有序控制下，实时测量和显示多个监测对象的液位数据。

本发明提供的一种激光光纤液位测量仪及测量方法具有以下优点：

1.本发明的激光光纤液位监测智能运行系统，具有电绝缘、抗电磁干扰、低能耗等优点，尤其适合于石油、化工等易燃易爆场所的健康监测。

2.本发明的大量程激光光纤液位测量仪可以本质安全运行监测，适用于易燃易爆领域的液位测量，不仅测量精度高，量程大，而且适合远程监控测量，安全可靠。测量速度快，测量精度高，测量量程大(20-40m)，可进行远程监测，组建群目标监控运行系统。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“一些实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。