一种光纤液位测量装置及方法与流程

本发明涉及一种液位测量装置及方法，具体涉及一种光纤液位测量装置及方法，属于光学技术领域。

背景技术：

液位的测量在工业生产、石油储运以及制造业等领域有着广泛的应用，是保证设备安全运行的一个重要手段。目前，基于机械和电气技术的液位传感器已被广泛采用，在实际应用中已经证明了其可靠性，然而这类传感器不能满足在苛刻(导电，爆炸性或腐蚀性)环境中对于液位测量的要求。光纤传感器作为一种光学传感器件可以解决上述问题，具有抗电磁干扰、高耐腐蚀性和高灵敏度等特性。

早期人们提出了一些光纤液位传感器，如布拉格光纤光栅、长周期光纤光栅和倾斜布拉格光纤光栅，然而由于其制造工艺要求高、设备复杂、测量范围小，导致应用受到限制。近年来，研究人员使用无芯光纤与单模光纤拼接的结构，研制出了利用模间干涉测量液位的光纤传感器，但其测量范围不高且无芯光纤易断；此外，使用一小段氢氟酸蚀刻的熊猫型保偏光纤，将其两端分别与单模光纤熔接，利用马赫-曾德干涉仪的原理制成液位传感器，但光纤的错位熔接操作复杂，并且熔接的保偏光纤长度不能够太长，导致了测量液位的范围很小。

此外，针对传统光纤传感系统空间分辨率不高的问题，一系列新的编码技术被相继提出，在一定程度上改善了空间分辨率，同时也提高了系统的信噪比。本发明提出一种将布里渊光时域分析技术与自加热式光纤结合进行液位测量的方法及装置，可以达到厘米量级的分辨率，并且具有较大的测量范围。

技术实现要素：

在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，本发明的目的是为了解决现有的光学液位传感器制作过程复杂、测量精度不高、测量范围小以及装置结构不稳定的问题，进而提供一种将布里渊光时域分析技术与自加热式光纤相结合的液位测量装置及方法，可以达到厘米量级的分辨率，并且具有较大的测量范围，从而实现高分辨率、高精度的液位测量。

本发明所采取的方案为：一种光纤液位测量装置，包括一号激光器、二号激光器、光纤耦合器、一号偏振控制器、二号偏振控制器、一号电光调制器、二号电光调制器、一号掺铒光纤放大器、二号掺铒光纤放大器、微波源、任意函数发生器、一号环行器、二号环行器、光纤布拉格光栅、光隔离器、传感光纤、自加热式光纤、光电探测器、数据采集卡和功率计；一号激光器的光信号输出端与耦合器输入端连通，耦合器的两个光信号输出端分别与一号偏振控制器和二号偏振控制器连通，一号偏振控制器与一号电光调制器的光信号输入端连通，一号电光调制器同时与任意函数发生器和一号掺铒光纤放大器的光信号输入端连通，一号掺铒光纤放大器的光信号输出端与一号环行器的一号光信号端口连通，环行器的三号光信号端口与光电探测器连通，光电探测器的输出端口与数据采集卡连通，环行器的二号光信号端口与传感光纤的一端连通；二号偏振控制器与二号电光调制器的光信号输入端连通，二号电光调制器同时与微波源和环行器的一号光信号端口连通，环行器的二号光信号端口与光纤布拉格光栅连通，环行器的三号光信号端口与光隔离器的光信号输入端口连通，光隔离器的光信号输出端口与传感光纤的另一端连通；二号激光器的光信号输出端与二号掺铒光纤放大器的输入端口连通，二号掺铒光纤放大器的光信号输出端与自加热式光纤的一端连通，自加热式光纤的另一端与功率计连通；传感光纤与自加热式光纤平行接触。

进一步地：所述一号激光器采用窄线宽光纤激光器，工作波长为1550nm，二号激光器采用半导体激光器，输出波长为1550nm的连续光。

进一步地：所述光经过一号电光调制器调制为消光比大于40dB的脉冲泵浦光，一号偏振控制器调节进入电光晶体的偏振态与晶体偏振态一致；所述光经过二号电光调制器进行频率调制，产生上下两个边带与载波之间的频率间隔等于传感光纤的布里渊频移，由微波源控制。

进一步地：所述光纤布拉格光栅的3dB带宽为0.03nm，用于滤出下边带作为探测光。

进一步地：所述二号掺铒光纤放大器输出功率最大可达2W。

进一步地：所述传感光纤为一段熊猫型保偏光纤，在25℃时其布里渊频移为10.88GHz。

进一步地：所述自加热式光纤为一段衰减系数为20dB/m的纤芯掺杂稀有金属钴和锗的单模光纤。

进一步地：所述传感光纤与自加热式光纤之间使用胶水粘贴在一起，用以加热传感光纤。

本发明所采取的方案为：一种光纤液位测量方法，该方法是基于上述光纤液位测量装置实现的，具体步骤为：

采用一号激光器作为光源，一号激光器输出的光经过耦合器被分为上中两路分别提供泵浦光和探测光；一号激光器为窄线宽光纤激光器工作波长为1550nm，泵浦光经高消光比一号电光调制器，通过任意函数发生器驱动调制出消光比大于40dB的脉冲泵浦光，并由一号掺铒光纤放大器放大后入射至传感光纤；中路光经过加载微波源的二号电光调制器调制出上下两个边带，边带和载波之间的频率间隔与传感光纤的布里渊频移相同，由加载的微波信号频率控制，然后经一个3dB带宽为0.03nm的光纤布拉格光栅滤波，滤出下边带作为探测光与泵浦光在传感光纤中发生受激布里渊散射作用，放大后的探测光通过一号环行器发射到光电探测器，通过数据采集卡采集信号，通过对传感光纤各点布里渊增益谱的测量得到各点布里渊频移量；下路光由二号激光器作为加热光源经二号掺铒光纤放大器放大后进入自加热式光纤，用于对传感光纤加热；所述二号激光器为半导体激光器，输出波长为1550nm的连续光。

将传感光纤浸入待测液体中，由于液体和空气的热扩散速度不同，在二者的交界面会形成一个温度的突变点；通过扫频获得传感光纤各位置处的布里渊频移，由于光纤的布里渊频移与温度之间具有线性关系，温度的突变即反映为该位置上布里渊频移的突变。因此测出光纤上布里渊频移的突变位置即为液面所处的位置。

本发明所达到的效果为：

本发明将布里渊光时域分析技术与自加热式光纤相结合的液位测量装置及方法，可以达到厘米量级的分辨率，并且具有较大的测量范围，从而实现高分辨率、高精度的液位测量，具体达到厘米量级的分辨率，并且具有数十厘米的测量范围。本发明还具有传感光纤探头制作简单，结构稳定的优点。

附图说明

图1为本发明的一种光纤液位测量装置的结构示意图；

图2为具体实施方式一所述自加热式光纤与传感光纤的热传导原理图；

图3为具体实施方式一所述的液位测量突变点示意图。

图中：1一号激光器、2光纤耦合器、3一号偏振控制器、4一号电光调制器、5任意函数发生器、6一号掺铒光纤放大器、7一号环行器、8光电探测器、9数据采集卡、10二号偏振控制器、11微波源、12二号电光调制器、13二号环行器、14光纤布拉格光栅、15光隔离器、16二号激光器、17二号掺铒光纤放大器、18功率计、19传感光纤、20自加热式光纤。

具体实施方式

为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

具体实施方式一：参照图1说明本实施方式，本实施方式所述一种光纤液位测量装置，包括一号激光器1、二号激光器16、光纤耦合器2、一号偏振控制器3、二号偏振控制器10、一号电光调制器4、二号电光调制器12、一号掺铒光纤放大器6、二号掺铒光纤放大器17、微波源11、任意函数发生器5、一号环行器7、二号环行器13、光纤布拉格光栅14、光隔离器15、传感光纤19、自加热式光纤20、光电探测器8、数据采集卡9和功率计18；一号激光器1的光信号输出端与耦合器2输入端连通，耦合器2的两个信号输出端将光分为上中两路光，上路光提供泵浦光与一号偏振控制器3连通，一号偏振控制器3与一号电光调制器4的光信号输入端连通，一号电光调制器4同时与任意函数发生器5和一号掺铒光纤放大器6的光信号输入端连通，一号掺铒光纤放大器6的光信号输出端与一号环行器7的一号光信号端口7-1连通，环行器7的三号光信号端口7-3与光电探测器8连通，光电探测器8的输出端口与数据采集卡9连通，环行器7的二号光信号端口7-2与传感光纤19的一端连通；中路光提供探测光，由二号偏振控制器10与二号电光调制器12的光信号输入端连通，二号电光调制器12同时与微波源11和环行器13的一号光信号端口13-1连通，环行器13的二号光信号端口13-2与光纤布拉格光栅14连通，环行器13的三号光信号端口与光隔离器15的光信号输入端口连通，光隔离器15的光信号输出端口与传感光纤19的另一端连通；下路光提供加热光源，由二号激光器16的光信号输出端与二号掺铒光纤放大器17的输入端口连通，二号掺铒光纤放大器17的光信号输出端与自加热式光纤20的一端连通，自加热式光纤20的另一端与功率计18连通。

本发明采用一号激光器1作为光源，一号激光器1输出的光经过耦合器2被分为上中两路分别提供泵浦光和探测光。所述一号激光器1为窄线宽光纤激光器工作波长为1550nm，上路光经高消光比一号电光调制器4，通过任意函数发生器5驱动调制出消光比大于40dB的脉冲泵浦光，并由一号掺铒光纤放大器6放大后入射至传感光纤19；中路光经过加载微波源11的二号电光调制器12调制出上下两个边带，边带和载波之间的频率间隔与传感光纤的布里渊频移相同，由加载的微波信号频率控制，然后经一个3dB带宽为0.03nm的光纤布拉格光栅14滤波，滤出下边带作为探测光与泵浦光在传感光纤中发生受激布里渊散射作用，放大后的探测光通过一号环行器7发射到光电探测器8，通过数据采集卡9采集信号，通过对传感光纤19各点布里渊增益谱的测量得到各点布里渊频移量。下路光由二号激光器16作为加热光源经二号掺铒光纤放大器17放大后进入自加热式光纤20，用于对传感光纤19加热。所述二号激光器为半导体激光器，输出波长为1550nm的连续光。

参照图2说明本实施方式，本实施方式所述的传感光纤与自加热式光纤用胶水粘贴在一起。自加热式光纤是在纤芯中掺杂较多的钴和锗以增加光子的散射和吸收，从而获得较大的衰减系数。当光束注入其中时，光能转变为热能，热量从自加热式光纤的纤芯传递到表面，再传递到传感光纤，从而使后者温度升高，即可在传感光纤中产生温度的分布。

具体实施方式二：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一一种光纤液位测量装置的进一步限定，将传感光纤19浸入待测液体中，由于液体和空气的热扩散速度不同，在二者的交界面会形成一个温度的突变点；通过扫频获得传感光纤各位置处的布里渊频移，由于光纤的布里渊频移与温度之间具有线性关系，温度的突变即反映为该位置上布里渊频移的突变。因此测出光纤上布里渊频移的突变位置即为液面所处的位置。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一一种光纤液位测量装置的进一步限定，传感光纤19为熊猫型保偏光纤，在25℃时其布里渊频移为10.88GHz。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一一种光纤液位测量装置的进一步限定，二号掺铒光纤放大器17输出功率最大可达2W。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一一种光纤液位测量装置的进一步限定，自加热式光纤20为一段衰减系数为20dB/m纤芯掺杂稀有金属钴和锗的单模光纤。

具体实施方式六：本实施方式的光纤液位测量方法是采用具体实施方式一中所述的光纤液位测量装置实现的，具体方法为：采用一号激光器1作为光源，一号激光器1输出的光经过耦合器2被分为上中两路分别提供泵浦光和探测光；一号激光器1为窄线宽光纤激光器工作波长为1550nm，泵浦光经高消光比一号电光调制器4，通过任意函数发生器5驱动调制出消光比大于40dB的脉冲泵浦光，并由一号掺铒光纤放大器6放大后入射至传感光纤19；中路光经过加载微波源11的二号电光调制器12调制出上下两个边带，边带和载波之间的频率间隔与传感光纤的布里渊频移相同，由加载的微波信号频率控制，然后经一个3dB带宽为0.03nm的光纤布拉格光栅14滤波，滤出下边带作为探测光与泵浦光在传感光纤中发生受激布里渊散射作用，放大后的探测光通过一号环行器7发射到光电探测器8，通过数据采集卡9采集信号，通过对传感光纤19各点布里渊增益谱的测量得到各点布里渊频移量；下路光由二号激光器16作为加热光源经二号掺铒光纤放大器17放大后进入自加热式光纤20，用于对传感光纤19加热；所述二号激光器为半导体激光器，输出波长为1550nm的连续光；将传感光纤浸入待测液体中，由于液体和空气的热扩散速度不同，在二者的交界面会形成一个温度的突变点；通过扫频获得传感光纤各位置处的布里渊频移，由于光纤的布里渊频移与温度之间具有线性关系，温度的突变即反映为该位置上布里渊频移的突变；测出光纤上布里渊频移的突变位置即为液面所处的位置。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。