基于空气折射率的光纤干涉水位传感装置及方法与流程

本发明属于水位检测设备领域，尤其涉及一种基于空气折射率的光纤干涉水位传感装置及方法。

背景技术：

目前，传统的水位传感器有很多不同的类型，包括压阻式和浮子式等。其中，压阻式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。浮子式水位计采用测量管、动力管、浮子等机械结构，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。

因此，传统的水位传感器均存在电路结构复杂、不能应用于复杂恶劣的水环境下等缺点，而且传统的传感器对电磁干扰比较敏感，不适用于电磁场较强的场合。

技术实现要素：

为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种基于空气折射率的光纤干涉水位传感装置，其采用光纤干涉传感技术，光路结构简单、稳定性好，测量精度高，耐腐蚀，传输损耗小，可实现非接触绝对测量。

本发明的一种基于空气折射率的光纤干涉水位传感装置，包括激光器，其用于输出预设扫描频率的扫描激光信号至耦合器；所述耦合器用于将接收到的扫描激光信号分成两路，其中，一路经标准具传输至第一光电探测器，另一路经法珀腔传输至第二光电探测器；

所述标准具和法珀腔的腔长相等且所处环境相同，标准具腔内的空气折射率不变固定；所述法珀腔与气囊相连通，当水位变化时，气囊体积被压缩，气囊的气体被压入法珀腔内使得其内的空气折射率发生改变；

所述第一光电探测器和第二光电探测器用于将探测到的干涉信号均传送至上位机解调系统，所述上位机解调系统用于计算接收到的两路干涉信号的相位差，进而根据两路干涉信号的相位差与相应两路干涉信号的空气折射率的关系、空气的折射率与水位压强的关系以及水位压强与水位高度的关系，得到当前水位高度。

进一步的，密封结构将标准具和法珀腔密封在同一个环境内。

其中，密封结构为钛合金材质，将标准具和法珀腔密封在密封结构内隔绝水，且保证标准具和法珀腔所处的环境相同。

进一步的，所述气囊包括橡胶主体，橡胶主体通过气嘴与法珀腔相通。

其中，橡胶主体的材质为橡胶。

进一步的，所述橡胶主体固定在底座上。

其中，底座是金属材质。

进一步的，所述标准具是由两个反射镜组成的干涉腔。

本发明的第二目的是提供一种基于空气折射率的光纤干涉水位传感装置的工作方法。

本发明的基于空气折射率的光纤干涉水位传感装置的工作方法，包括：

步骤1：激光器输出预设扫描频率的扫描激光信号至耦合器，耦合器将接收到的扫描激光信号分成两路，其中，一路经标准具传输至第一光电探测器，另一路经法珀腔传输至第二光电探测器；

步骤2：第一光电探测器和第二光电探测器将探测到的干涉信号均传送至上位机解调系统，上位机解调系统计算接收到的两路干涉信号的相位差，进而根据两路干涉信号的相位差与相应两路干涉信号的空气折射率的关系、空气的折射率与水位压强的关系以及水位压强与水位高度的关系，得到当前水位高度。

进一步的，在所述步骤1中，射入至标准具的光的入射方向与反射镜垂直，标准具的两个反射镜透过光束的光程差为2倍的标准具腔长。

进一步的，在所述步骤2中，两路干涉信号的相位差的最小值为0。

进一步的，在所述步骤2中，两路干涉信号的相位差的最大值为2π。

进一步的，光纤干涉水位传感装置的水位的测量范围由水的温度和两路干涉信号的相位差来决定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明利用标准具、法珀腔的干涉原理，得到干涉信号相位差与法珀腔内空气折射率的关系，且标准具内折射率不变作为参考，可以精确解调出法珀腔内的折射率，进而可以得到水位值，解调方法简单，测量精度高。

(2)在本发明中，当水位改变时，水压随之改变，气囊作为敏感元件，其体积减小，气体被压入法珀腔内，而法珀腔内体积不变，因此，法珀腔内气体折射率改变，改变了干涉信号的相位，本发明根据两路干涉信号的相位差与相应两路干涉信号的空气折射率的关系、空气的折射率与水位压强的关系以及水位压强与水位高度的关系，最终得到当前水位高度，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

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是基于空气折射率的光纤干涉水位传感装置的结构图；

图2是气囊安装及结构图。

其中，1.激光器，2.耦合器，3.标准具，4.法珀腔，5.气囊，6.第一光电探测器，7.第二光电探测器，8.上位机解调系统，9.底座，10.橡胶主体，11.气嘴，12.密封结构。

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。

图1是基于空气折射率的光纤干涉水位传感装置的结构图。

如图1所示，本发明的一种基于空气折射率的光纤干涉水位传感装置，包括激光器1，其用于输出预设扫描频率的扫描激光信号至耦合器2；所述耦合器2用于将接收到的扫描激光信号分成两路，其中，一路经标准具3传输至第一光电探测器6，另一路经法珀腔4传输至第二光电探测器7；

所述标准具3和法珀腔4的腔长相等且所处环境相同，标准具3腔内的空气折射率不变固定；所述法珀腔4与气囊5相连通，当水位变化时，气囊5体积被压缩，气囊5的气体被压入法珀腔4内使得其内的空气折射率发生改变；

所述第一光电探测器6和第二光电探测器7用于将探测到的干涉信号均传送至上位机解调系统8，所述上位机解调系统8用于计算接收到的两路干涉信号的相位差，进而根据两路干涉信号的相位差与相应两路干涉信号的空气折射率的关系、空气的折射率与水位压强的关系以及水位压强与水位高度的关系，得到当前水位高度。

其中，密封结构12将标准具3和法珀腔4密封在同一个环境内。

其中，密封结构为钛合金材质，将标准具和法珀腔密封在密封结构内隔绝水，且保证标准具和法珀腔所处的环境相同。

具体地，如图2所示，所述气囊5包括橡胶主体10，橡胶主体10通过气嘴11与法珀腔4相通。

其中，橡胶主体的材质为橡胶。

所述橡胶主体10固定在底座9上。

其中，底座是金属材质。

具体地，所述标准具3是由两个反射镜组成的干涉腔。

本发明的基于空气折射率的光纤干涉水位传感装置的工作方法，包括：

步骤1：激光器输出预设扫描频率的扫描激光信号至耦合器，耦合器将接收到的扫描激光信号分成两路，其中，一路经标准具传输至第一光电探测器，另一路经法珀腔传输至第二光电探测器；

步骤2：第一光电探测器和第二光电探测器将探测到的干涉信号均传送至上位机解调系统，上位机解调系统计算接收到的两路干涉信号的相位差，进而根据两路干涉信号的相位差与相应两路干涉信号的空气折射率的关系、空气的折射率与水位压强的关系以及水位压强与水位高度的关系，得到当前水位高度。

具体地，在步骤1中，激光器采用扫频激光器，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。

在本发明中，标准具和法珀腔的腔长相等并记为l，标准具内空气折射率为n1，法珀腔内空气折射率为n2。

标准具是由两个反射镜组成的干涉腔，设光的入射方向与反射镜垂直，则标准具两反射平面透过光束的光程差为2l。

标准具的两反射平面透过光束的场强表达式分别为：

其中，e0为常量，n1为标准具内的空气折射率，c为光速，为初始相位。

标准具两平面透过光束的干涉信号振幅e表达式为：

其中，表示标准具两平面透过光束的干涉信号的相位差。

标准具的两反射平面透过光束的干涉强度为：

其中：i1和i2分别表示标准具的两反射平面透过光束的光强。

该干涉强度的交流项信号为：

其中标准具的两反射平面透过光束的干涉信号相位差为：

法珀腔的干涉原理与此相同，因此经法珀腔干涉后的干涉强度的交流项信号为：

法珀腔的干涉信号相位差为：

对和做差，可得第一光电探测器和第二光电探测器将探测到的这两干涉信号相位差为：

上式中，相对于很小，可以忽略。

因此可以得到：

所以：

其中n1为标准具内空气折射率，l为标准具和法珀腔的腔长，为定值，在上位机解调系统中，两个干涉信号的偏移差值即为相位差因此可从上位机中得到的值，这样就可求出n2的值。

在海水的温度范围内，空气的折射率与压强的关系为：

其中p为压强，t为温度。

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。

则当前水位值h为：

水位的测量范围由海水温度t和两干涉信号的相位差决定：

两干涉信号的相位差的最小值为0,最大值为2π，因此水位的测量范围为

本发明利用标准具、法珀腔的干涉原理，得到干涉信号相位差与法珀腔内空气折射率的关系，且标准具内折射率不变作为参考，可以精确解调出法珀腔内的折射率，进而可以得到水位值，解调方法简单，测量精度高。

在本发明中，当水位改变时，水压随之改变，气囊作为敏感元件，其体积减小，气体被压入法珀腔内，而法珀腔内体积不变，因此，法珀腔内气体折射率改变，改变了干涉信号的相位，本发明根据两路干涉信号的相位差与相应两路干涉信号的空气折射率的关系、空气的折射率与水位压强的关系以及水位压强与水位高度的关系，最终得到当前水位高度，实现了光纤干涉水位测量，提高了水位测量的灵敏度。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。