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制造方法及图纸

本发明专利技术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，装置包括扫频激光器，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。

Optical fiber interference water level sensing device and method based on frequency swept laser demodulation

The invention relates to a water level sensing device and method for Fiber Optic Interferometric Demodulation Based on laser frequency sweep, sweep device comprises a laser, laser generated by the coupler is divided into two parts, the optical fiber transmission, a Fabry Perot etalon through first multi beam interference, via a pressure probe to produce the more than 2 beam interference first, through the multi beam interference demodulation and more than 2 beam interference, the hydraulic pressure obtained in the probe, according to the relationship between the pressure and the water level of the water level can be measured; the pressure probe has a casing, pressure gauges, Fabry Perot F-P cavity and adjustment mechanism, direct contact and water pressure strain and water. Connected with the F-P cavity adjustment mechanism; when the water level changes, water pressure gauge feel water level change, driven by the F-P cavity adjustment mechanism moves, the Fabry Perot cavity Change the length of the laser cavity, the pressure generated within the probe in more than 2 beam interference.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术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，本专利技术利用标准具、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。本专利技术的技术方案为：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。本专利技术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。本专利技术的有益效果：(1)本专利技术利用标准具、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)在本专利技术中，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专利技术作进一步说明：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
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。本专利技术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(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感装置，其特征在于，包括扫频激光器，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。

【技术特征摘要】
1.一种基于扫频激光器解调的光纤干涉水位传感装置，其特征在于，包括扫频激光器，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。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于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。5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，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。6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗政纯，庞铄，常天英，王忠民，孙韦，崔洪亮，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22