一种基于马赫‑增德尔干涉的光纤水位传感装置的制作方法

本实用新型属于光纤传感的技术领域，尤其涉及一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置。

背景技术：

在某些复杂的环境中，对水位的实时监测必不可少。例如地下水资源复杂难测，且地下水的污染和地下水超采引起的地面沉降是缓变型的，一旦积累到一定程度，将造成不可逆的破坏；海底情况复杂，当海啸发生时，会给周边的人们带来巨大的经济财产损失，甚至威胁生命安全，因此实时有效的监测水位变化非常重要。为了提高测量精度并实现非接触绝对测量,采用光学干涉技术，为了简化光路结构和提高光路稳定性,结合了光纤传感技术,提出了一种光纤干涉水位传感器。

水位传感器有很多不同的类型，在公开的专利号为CN205049204U的中国专利中，提出了一种压阻式水位计，该水位计采用电流型压阻传感器，通过恒流源电流的作用，输出变化的电压信号,再经过放大、模数转换、信号处理后发送至数据采集装置，该水位计的缺点是电路结构复杂，受电磁干扰影响严重；在公开的专利号为CN205898251U的中国专利中，提出了一种超声波水位计，该水位计包括发射模块、接收模块等，利用超声波发射接收的原理来测量液位,但超声波的发射接收对环境要求比较高,不能应用于复杂恶劣的水环境下；在公开的专利号为CN204461547U的中国专利中，提出了一种光纤干涉水位传感器，利用光纤传感技术，构造迈克尔逊干涉结构，通过相位解调实现水位测量，但是该结构将光纤缠绕在硅胶柱体上，当水位变化时光纤被拉伸，当光纤达到拉伸极限时，橡胶柱体还可以进行弹性变化，因此光纤拉伸量较大时不能准确反应水位的变化。

综上所述，如何解决现有技术中存在的水位传感器测量精度低、范围小的问题，尚缺乏有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型为了解决上述问题，克服现有技术中存在的水位传感器测量精度低、范围小的问题，本实用新型的目的是提供一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下一种技术方案：

一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置，该装置包括：

激光器(1)、第一耦合器(2)、第一准直器(3)、第二准直器(4)、敏感结构(5)、第二耦合器(6)、光电探测器(7)和上位机解调系统(8)；

所述激光器(1)的输出与所述第一耦合器(2)的输入端相连；

所述第一耦合器(2)的输出端分为两路，一路连接所述第一准直器(3)和所述第二准直器(4)后连接所述第二耦合器(6)的输入端，构成探测臂，所述敏感结构(5)用于固定所述第一准直器(3)和所述第二准直器(4)并感受水位变化，另一路连接所述第二耦合器(6)的另一个输入端，构成参考臂；

所述第二耦合器(6)的输出端依次连接所述光电探测器(7)和上位机解调系统(8)，从所述第一耦合器(2)分别经探测臂和参考臂到达所述第二耦合器(6)的结构构成马赫-增德尔干涉。

进一步的，所述敏感结构(5)包括架框(10)、外接头(9)、压紧块(11)、两个焊接细管(12)、连接固定片(13)、锁紧螺钉(14)、水带(15)、夹紧片(16)、两个过渡焊片(17)，所述外接头(9)通过所述架框(10)固定；

所述压紧块(11)压紧所述水带(15)，两个过渡焊片(17)安装于所述压紧块(11)上，两个焊接细管(12)分别连接所述第一准直器(3)、所述第二准直器(4)和两个过渡焊片(17)，所述连接固定片(13)的一端通过锁紧螺钉(14)固定于所述架框(10)上，另一端与所述压紧块(11)焊在一起，所述夹紧片(16)夹紧所述水带(15)，实现密封。

进一步的，所述外接头(9)与所述水带(15)连接，水位发生变化时，水通过所述外接头(9)进入所述水带(15)。

进一步的，所述压紧块(11)包括第一压紧块与第二压紧块，所述第一压紧块与所述第二压紧块分别位于所述水带两侧。

进一步的，所述第一压紧块与所述第二压紧块之间的间隙可变，且根据所述水带(15)内的水量变化。

进一步的，两个过渡焊片(17)组成第一过渡焊片组，所述敏感结构还包括第二过渡焊片组，所述第二过渡焊片组安装于所述压紧块(11)上所述第一过渡焊片组的对称侧。

进一步的，两个焊接细管(12)组成第一焊接细管组，所述敏感结构还包括第二焊接细管组，所述第二焊接细管组分别连接所述第一准直器(3)、所述第二准直器(4)和第二过渡焊片组中的两个过渡焊片。

进一步的，所述夹紧片(16)包括第一夹紧片和第二夹紧片，所述第一夹紧片与所述第二夹紧片分别位于所述水带两侧，所述第一夹紧片和第二夹紧片均与架框(10)连接。

进一步的，所述激光器(1)采用扫频激光器。

进一步的，所述第一耦合器(2)到所述第一准直器(3)间的距离与所述第二准直器(4)到所述第二耦合器(6)的距离之和为所述第一耦合器(2)经过光纤直接到所述第二耦合器(6)的距离。

该装置的工作原理为：

所述敏感结构(5)的所述外接头(9)直接与水接触，当水位发生变化时，水通过所述外接头(9)进入所述水带(15)，所述水带(15)中水变多，使所述压紧块(11)的间隙增大，所述第一准直器(3)和所述第二准直器(4)间的距离也增大，导致干涉结构中探测臂的长度发生变化，继而导致干涉信号的相位发生变化。

在本实用新型中，采用两个准直器结构，当水位变化时，使两准直器间距改变，不受光纤拉伸量的限制，可以同时提高水位的测量精度和测量范围。有效避免了传统水位计将光纤缠绕在顺变柱体上，当水位变化时光纤被拉伸，当光纤达到拉伸极限时，橡胶柱体还可以进行弹性变化，影响水位测量精度的问题。

在本实用新型中，敏感结构的外接头直接与水接触，当水位发生变化时，水通过外接头进入水带，水带中水变多，使压紧块的间隙增大，两个准直器间的距离也增大，导致干涉结构中探测臂的长度发生变化，继而导致干涉信号的相位发生变化。实现了基于马赫-增德尔干涉的光纤水位测量，提高了水位测量精度。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型的一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置，采用两个准直器结构，当水位变化时，使两准直器间距改变，不受光纤拉伸量的限制，可以同时提高水位的测量精度和测量范围。本实用新型有效避免了传统水位计将光纤缠绕在顺变柱体上，当水位变化时光纤被拉伸，但是当光纤达到拉伸极限时，橡胶柱体还可以进行弹性变化，影响水位测量精度的问题。

(2)本实用新型的一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置，敏感结构的外接头直接与水接触，当水位发生变化时，水通过外接头进入水带，水带中水变多，使压紧块的间隙增大，两个准直器间的距离也增大，导致干涉结构中探测臂的长度发生变化，继而导致干涉信号的相位发生变化。实现了基于马赫-增德尔干涉的光纤水位测量，提高了水位测量精度。

附图说明

图1为本实用新型的一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置的结构图；

图2为本实用新型的一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置的系统框图；

图3为本实用新型的一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置中敏感结构的结构图；

图4为本实用新型的一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置中敏感结构的剖面图。

其中，1.激光器，2.第一耦合器，3.第一准直器，4.第二准直器，5.敏感结构，6.第二耦合器，7.光电探测器，8.上位机解调系统，9.外接头，10.架框，11.压紧块，12.焊接细管，13.连接固定片，14.锁紧螺钉，15.水带，16.夹紧片，17.过渡焊片。

具体实施方式：

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

正如背景技术所介绍的，本实用新型为了解决上述问题，克服现有技术中存在的水位传感器测量精度低、范围小的问题，本实用新型的第一目的是提供一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下一种技术方案：

如图1所示，

一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置，该装置包括：

激光器(1)、第一耦合器(2)、第一准直器(3)、第二准直器(4)、敏感结构(5)、第二耦合器(6)、光电探测器(7)、上位机解调系统(8)。

其中，敏感结构(5)用于固定两个准直器，如图3和图4所示，包括外接头(9)、架框(10)、压紧块(11)、两个焊接细管(12)、连接固定片(13)、锁紧螺钉(14)、水带(15)、夹紧片(16)、两个过渡焊片(17)。外接头(9)与其他部分通过架框(10)连接，压紧块(11)压紧水带(15)，两个焊接细管(12)分别连接两个准直器和两个过渡焊片(17)，连接固定片(13)的一端通过锁紧螺钉(14)固定，另一端与压紧块(11)焊在一起，夹紧片(16)夹紧水带(15)，实现密封，过渡焊片(17)安装在压紧块(11)上。

所述外接头(9)与所述水带(15)连接，水位发生变化时，水通过所述外接头(9)进入所述水带(15)。

所述压紧块(11)包括第一压紧块与第二压紧块，所述第一压紧块与所述第二压紧块分别位于所述水带两侧。

所述第一压紧块与所述第二压紧块之间的间隙可变，且根据所述水带(15)内的水量变化。

两个过渡焊片(17)组成第一过渡焊片组，所述敏感结构还包括第二过渡焊片组，所述第二过渡焊片组安装于所述压紧块(11)上所述第一过渡焊片组的对称侧。

两个焊接细管(12)组成第一焊接细管组，所述敏感结构还包括第二焊接细管组，所述第二焊接细管组分别连接所述第一准直器(3)、所述第二准直器(4)和第二过渡焊片组中的两个过渡焊片。

所述夹紧片(16)包括第一夹紧片和第二夹紧片，所述第一夹紧片与所述第二夹紧片分别位于所述水带两侧，所述第一夹紧片和第二夹紧片均与架框(10)连接。

敏感结构(5)的外接头(9)直接与水接触，当水位发生变化时，水通过外接头(9)进入水带(15)，水带(15)中水变多，使压紧块(11)的间隙增大，两个准直器间的距离也增大，导致干涉结构中探测臂的长度发生变化，继而导致干涉信号的相位发生变化。

如图1和图2所示，激光器(1)的输出与第一耦合器(2)的输入端相连，第一耦合器(2)的输出端分为两路，一路连接第一准直器(3)和第二准直器(4)后接第二耦合器(6)的输入端，构成探测臂，敏感结构(5)用来固定两个准直器并可以感受水位变化，另一路直接连接第二耦合器(6)的另一个输入端，构成参考臂，第二耦合器(6)的输出端接光电探测器(7)，从第一耦合器分别经探测臂和参考臂到达第二耦合器的结构构成马赫-增德尔干涉，光电探测器(7)再连接到上位机解调系统(8)。

本实用新型的一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置的使用方法包括以下步骤：

(1)获取激光器(1)的起始频率、扫描步进频率与工作时间，计算扫描频率，分别计算所述第一耦合器(2)输出两路光信号经过探测臂和参考臂的输出场强；

(2)根据探测臂的输出场强和参考臂的输出场强分别计算探测臂的输出光强和参考臂的输出光强，根据探测臂的输出光强和参考臂的输出光强计算探测臂和参考臂的干涉光强，由此计算出所述第一耦合器(2)输出两路光信号经过探测臂和参考臂后的相位差；将相位差对时间微分，计算得到第一准直器(3)和第二准直器(4)间的距离；

(3)根据第一准直器(3)和第二准直器(4)间的距离，结合水位的压强公式和水位的压强与第一准直器(3)和第二准直器(4)间的距离的关系，最终计算出当前的水位值。

在本实施例中，具体的方法步骤为：

一种基于马赫-增德尔干涉的光纤水位传感装置中的激光器(1)采用扫频激光器，激光器(1)的起始频率记为f₀，激光器(1)的扫描频率记为f，且：

f＝f₀+kt

其中k为激光器(1)的扫描步进频率，t为激光器(1)的扫频时间。

在本实施例中，激光器(1)的起始频率f₀为191200GHz，激光器(1)的扫描步进频率k为1GHz，激光器(1)的扫描频率f为：

f＝191200GHz+1GHz×t

第一耦合器(2)到第一准直器(3)间的距离为L₁，两个准直器间的距离即第一准直器(3)和第二准直器(4)间的距离为ΔL，第二准直器(4)到第二耦合器(6)的距离为L₂，从第一耦合器(2)经过光纤直接到第二耦合器(6)的距离为L₃，且L₁+L₂＝L₃。

第一耦合器(2)输出两路光信号，分别经过探测臂和参考臂，其场强表达式分别为：

其中E₁为探测臂的输出场强，E₂为参考臂的输出场强，E₀为常量，n为折射率，C为光速，为第一耦合器(2)输出光信号的初始相。

在本实施例中，将激光器(1)的起始频率f₀为191200GHz，激光器(1)的扫描步进频率k为1GHz代入探测臂的输出场强E₁和参考臂的输出场强E₂的计算公式：

探测臂和参考臂的干涉光强为：

其中I₁为探测臂的输出光强，I₂为参考臂的输出光强，为第一耦合器(2)输出两路光信号经过探测臂和参考臂后的相位差。

干涉光强的交流项信号为：

对离散化的探测臂和参考臂的干涉光强I的交流项信号I′做希尔伯特变换，得到第一耦合器(2)输出两路光信号经过探测臂和参考臂后的相位差为：

在本实施例中，将激光器(1)的起始频率f₀为191200GHz，激光器(1)的扫描步进频率k为1GHz代入上述公式：

第一耦合器(2)输出两路光信号经过探测臂和参考臂后的相位差随扫频时间t改变，对扫频时间t做微分可得：

在本实施例中，

因此两准直器间的距离为：

在本实施例中，

其中，的计算方法如下：

首先对离散化的I′做希尔伯特变换，并得到相位值由于相位在π处发生跳边，为了得到真实的相位变化，做相位解缠绕并计算出相位与扫频时间的关系，再对相位值和扫频时间做曲线拟合，得到拟合曲线的斜率，即为

水位的压强公式为：

P＝ρgh

其中ρ为水的密度，g为重力加速度，h为当前水位值。

水位的压强与两准直器间距ΔL的关系为：

P＝C₁×ΔL

其中C₁为机械结构决定的常量。

则当前水位值h为：

水位的测量范围由相位拟合后的斜率和扫描步进频率k来决定:

单位时间内最大改变量为2π，则ΔL最大值为单位时间内最小改变量为2π/N，其中N＝5000为频率步进次数，则ΔL最小值为因此水位h的测量范围为

水位的测量精度由扫描步进次数决定:

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。