一种基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感装置及方法与流程

本发明涉及一种基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感装置及方法。

背景技术：

高精度的水位传感器可用于监测各种水位的变化，例如监测城市河道水位情况，监测水库水位情况，监测海洋水位变化等。如果没有提前进行水位监测，当水位达到警戒线后，会造成城市洪涝、决堤、海啸等重大灾害，严重影响到人民的生命安全和经济财产安全，因此精确监测各种复杂的水位情况非常必要，高精度水位传感器的研制具有重要意义。

水位传感器一般有浮子式水位传感器、压力式水位传感器、光纤水位传感器等不同的分类，在公开的专利号为cn202974389u的中国专利中，提出了一种采用基准水位的浮子式水位计，该水位计采用机械结构传感器，需要有测井设备，难以操作，只适用于岸坡稳定、河床冲淤很小的低含沙量河段，局限性很大。在公开的专利号为cn204286550u的中国专利中，提出了一种能够进行气压补偿的压力式水位计，该水位计采用电路结构，包括信号采集、信号处理、供电单元等，整体电路结构复杂，传输距离有限，不能用于电磁干扰严重、腐蚀性强等恶劣环境下；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，但其只能进行动态水位变化的测量，无法实现静态水位的测量，在实际应用中具有一定的局限性。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感装置，本发明利用标准具、法珀腔的干涉原理，得到相邻峰值间的频率间距与腔长的关系，并且标准具腔长固定为已知量作为参考，可以简单精确的解调出法珀腔的腔长，继而可以得到水位值，提高了解调精度。

本发明的技术方案为：

一种基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感装置，包括激光器，激光器产生的激光经耦合器被分为两路，均由光纤传输，一路经过法珀标准具产生第一多光束干涉，另一路经过水压探头产生第二多光束干涉，通过解调第一多光束干涉和第二多光束干涉，获得水压探头内的水压值，根据压强与水位的关系，即可得到水位测量值；

所述水压探头具有外壳、水压力应变片、法珀腔和法珀腔调整机构，水压力应变片与水直接接触，且与法珀腔调整机构相连；当水位改变时，水压力应变片感受水位变化，带动法珀腔调整机构移动，使法珀腔的腔长随之改变，使得激光在水压探头内产生第二多光束干涉。

进一步的，所述法珀腔调整机构采用与水压力应变片相连的滑动底座。

进一步的，所述法珀腔包括与所述滑动底座相连的反射镜，固定于外壳内设定位置的准直器，光束从准直器出射，在准直器断面和反射镜表面之间形成多光束干涉。

进一步的，所述水压探头还包括水密封件、外缆壳，水密封件设置在水压探头的光纤入口端，与外缆壳相连接，外缆壳与外壳同轴连接，并且外缆壳的内径大于外壳内径。

进一步的，经法珀标准具产生第一多光束干涉的光路还设置有第一光电探测器。

进一步的，经水压探头产生第二多光束干涉的光路还设置有三端口环形器和第二光电探测器，三端口环形器的一端口连接耦合器，二端口连接水压探头，三端口连接第二光电探测器。

进一步的，第一光电探测器的输出与第二光电探测器的输出同时与上位机解调系统相连。

本发明还提出了一种基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感方法，包括：将激光器产生的激光分为两路，一路经过法珀标准具产生第一多光束干涉，另一路经过水压探头产生第二多光束干涉；解调第一多光束干涉和第二多光束干涉，获得水压探头内的水压值，根据压强与水位的关系，即可得到水位测量值；

所述水压探头内置有水压力应变片、法珀腔和法珀腔调整机构，水压力应变片与水直接接触，且与法珀腔调整机构相连；当水位改变时，水压力应变片感受水位变化，带动法珀腔调整机构移动，使法珀腔的腔长随之改变，使得激光在水压探头内产生第二多光束干涉。

进一步的，解调第一多光束干涉和第二多光束干涉，获得水压探头内的水压值包括：

解调第一多光束干涉，获得由法珀标准具所引起的干涉图中的第一相干光强；

解调第二多光束干涉，获得由水压探头所引起的干涉图中的第二相干光强；

将所述第一相干光强与第二相干光强做对比，得到水压探头中的法珀腔腔长，根据下式得到水压探头内的水压值：

p＝c1×l2

其中c1为机械结构决定的常量。

进一步的，采用相邻两峰值间的频率间距作为第一相干光强与第二相干光强的对比项。

本发明的有益效果：

(1)本发明利用标准具、法珀腔的干涉原理，得到相邻峰值间的频率间距与腔长的关系，并且标准具腔长固定为已知量作为参考，可以简单精确的解调出水压探头中法珀腔的腔长，继而可以得到水位值，提高了解调精度。

(2)在本发明中，水压探头的水压力应变片直接与水接触，当水位改变时，水压力应变片感受水位变化，带动底座移动，使反射镜的位置改变，准直器与反射镜之间的距离也因此改变，改变了干涉信号的相位。实现了光纤干涉水位测量，提高了水位测量的灵敏度。

附图说明

图1基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感装置及方法结构图

图2基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感装置及方法系统框图

图3水压探头结构图

图中的标记：

1.激光器，2.耦合器，3.环形器，4.水压探头，5.标准具，6.光电探测器一，7.光电探测器二，8.上位机解调系统，9.水压力应变片，10.外壳，11.底座，12.外缆壳，13.水密封件，14.准直器，15.反射镜。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：

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。

本发明的一种典型实施例如图1所示，基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感装置包括扫频激光器(1)、耦合器(2)、标准具(3)、环形器(4)、水压探头(5)、第一光电探测器(6)、第二光电探测器(7)、上位机解调系统(8)。

其中如图3所示，水压探头(5)包括水压力应变片(9)，外壳(10)，底座(11)，外缆壳(12)，水密封件(13)，准直器(14)，反射镜(15)。水压力应变片(9)与水直接接触，底座(11)与水压力应变片(9)是一体的，在底座(11)上安装反射镜(15)，外壳(10)是支撑由准直器(14)和反射镜(15)构成的法珀腔的机械结构，外缆壳(12)是安装铠装缆的机械结构，铠装缆可应用于水密封件(13)实现对这一侧的密封。

当水位改变时，水压力应变片(9)感受水位变化，带动底座(11)移动，使反射镜(15)的位置改变，准直器(16)与反射镜(15)之间的距离也因此改变，使干涉信号的相位发生变化。

如图1和图2所示，激光器(1)的输出与耦合器(2)的输入端相连，耦合器(2)的输出端分为两路，一路连接标准具(3)后连接光电探测器一(6)，标准具(3)的腔长固定，另一路连接环形器(4)的1管脚，环形器(4)的2管脚连接水压探头(5)，环形器(4)的3管脚连接光电探测器二(7)，光电探测器一(6)和光电探测器二(7)再连接到上位机解调系统(8)。

本发明所涉及的一种基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感方法，采用如下原理：

激光器采用扫频激光器，起始频率记为f0，扫描频率记为f，且：

f＝f0+kt

其中k为扫描步进频率，t为时间。

在本实施例中，起始频率为191200ghz，扫描步进频率为1ghz，扫描频率记为f：

f＝191200ghz+1ghz×t

其中t为时间。

激光器输出的光经耦合器分为两路，一路连接标准具后再连接光电探测器一，另一路连接环形器管脚1，环形器管脚2连接水压探头中的准直器，光信号在准直器和反射镜构成的法珀腔内多次反射形成干涉光，环形器管脚3连接光电探测器二。标准具的腔长记为l1，且l1为常量，准直器和反射镜构成的法珀腔的腔长记为l2。

标准具由两块平面玻璃组成，两板的内表面镀以高反射率的银膜或铝膜，当两表面严格平行时，光在这两个镀膜面之间形成多光束干涉。

设光的入射方向与平面玻璃垂直，则标准具两平面透过光束的光程差为：

δl1＝2l1

假设两光束为平面简谐电磁波，标准具两平面透过光束的场强表达式分别为：

其中，e0为常量，n为折射率，c为光速，为初始相位。

标准具两平面透过光束的干涉信号相位差为：

标准具两平面透过光束的干涉信号振幅表达式为：

标准具两平面透过光束的干涉强度为：

其中i1和i2分别表示标准具两平面透过光束的光强。

该干涉强度的交流项信号为：

当为整数时，信号处于峰值位置。

相邻两峰值间的频率间距为：

其中，t1和t2分别为两个相邻峰值对应的时间。

当t＝t1时，

当t＝t2时，

式中n为整数。

水压探头内法珀腔的干涉原理与此相同，可以得到法珀腔干涉信号中相邻两峰值间的频率间距为：

令δv1和δv2做比可得：

所以l2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。

水位的压强与水压探头内法珀腔的腔长l2的关系为：

p＝c1×l2

其中c1为机械结构决定的常量。

则当前水位值h为：

水位的测量范围由扫描步进频率1ghz和步进次数5000来决定:

法珀腔干涉信号中相邻两峰值间的频率间距δv2的最小值为1ghz×1＝1ghz，最大值为1ghz×5000＝5000ghz，由可得因此水位的测量范围为

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。