基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置及测量方法，其中传感装置包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、空心光纤、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机；光纤分束器将扫频激光分为两路，一路为信号光，另一路为参考光；信号光进入所述光纤环形器，参考光进入所述光纤耦合器；信号光通过单模光纤进入该空心光纤；光纤环形器将单模光纤中的后向反射信号光导入所述光纤耦合器，与参考光在所述光纤耦合器处发生拍频干涉；光电探测器将所述拍频干涉信号转化为电信号；数据采集卡采集电信号中的拍频干涉信号；计算机控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，还对拍频干涉信号进行处理分析，并发送数据到下位机。

Hollow fiber continuous liquid level sensing device and measurement method based on OFDR

The invention discloses a hollow fiber OFDR based on continuous liquid level sensing device and measuring method, the sensing device comprises a linear sweep frequency laser, optical splitter, optical fiber circulator, hollow fiber, optical fiber coupler, photoelectric detector, data acquisition card and computer; fiber optic splitter will sweep laser is divided into two. A road is another way for the signal light and reference light; the signal light into the optical fiber circulator, reference light into the optical fiber coupler; optical signal through a single-mode optical fiber into the hollow fiber; fiber ring is in single-mode fiber to the reflected signal light into the optical fiber coupler, and reference light in the the optical fiber coupler to generate beat frequency interference; photoelectric detector of the beat frequency interference signal into electrical signal; data acquisition card beat frequency interference signal acquisition signal; calculation The linear sweep laser and the data acquisition card are processed by the computer control, and the beat frequency interference signal is processed and analyzed, and the data is sent to the lower computer.

【技术实现步骤摘要】
基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置及测量方法
本专利技术涉及光纤传感
，更具体而言，涉及一种基于OFDR(光频域反射技术)的空心光纤连续液位传感装置及测量方法。
技术介绍
本专利技术主要应用在石油化工以及飞机储油罐等易燃易爆应用中的连续液位测量。传统电子或机械式液位传感器在在易燃易爆环境中液位监测受限，光纤液位传感器具有防燃防爆的优势更加适合于石油化工及飞机燃油等液位监测。目前，光纤连续液位传感器主要有四类：基于全光纤干涉仪的光纤液位传感器，该传感器是通过解调待测液体浸没传感结构时传感结构内部干涉谱来实现液位测量，测量精度高，但是重复性不高，测量范围十分有限，通常只有几个厘米；基于光纤光栅等传感结构的波长调解方式，将光栅固定在例如机械浮子等结构上，液位上升引起机械浮子发生形变并作用在光纤光栅上，使得光纤光栅反射的波长发生改变，从而对波长解调实现液位监测，该方法需要外部机械结构，测量结果可靠性不高；基于反射式或者透射式强度解调的光纤液位传感器，通过制作一些特殊的结构，使得待测液体作用在该结构上时反射光或者透射光发生改变，从而实现液位监测。该方法精度不高，量程有限，传感结构不稳定导致测量结果不准确；检测后向反射信号的光纤液位传感器，例如基于OTDR(光时域反射技术)的光纤液位传感器。由于OTDR能对光纤沿线进行定位和损耗测量，因此当待测液体作用在光纤上时会改变该位置处的光的后向反射信号，通过对反射信号的检测实现液位监测，该方法的测量范围大，但是精度很低，普遍在米级别。因此，在石油化工以及飞机储油箱等应用中迫切需要一种量程大、精度高、稳定性好的光纤连续液位传感器。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于OFDR的空心光纤液位传感器及测量方法。本专利技术采用OFDR技术使用空心光纤作为传感头，利用OFDR技术对空心光纤沿线的后向反射光信号进行检测，从而实现连续液位监测。该传感器测量范围大、精度高、重复性好、可靠性高。特别适用于石油化工以及飞机储油箱液体液位的监测。为了解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案为：提供一种基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置，包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、空心光纤、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机；其中：所述光纤分束器将所述线性扫频激光器输出的扫频激光分为两路，一路为信号光，另一路为参考光；信号光进入所述光纤环形器，参考光进入所述光纤耦合器；所述空心光纤通过单模光纤与所述光纤环形器连接，信号光通过单模光纤进入该空心光纤，所述空心光纤放置在盛放待测溶液的容器中，感知液位变化；信号光在该空心光纤上产生后向散射信号，并沿路返回至单模光纤；光纤环形器，将单模光纤中的后向反射信号光导入所述光纤耦合器，后向反射信号光与参考光在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；所述光电探测器，与所述环形器连接，将所述拍频干涉信号转化为电信号；所述数据采集卡通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号；所述计算机与所述线性扫频激光器、所述数据采集卡进行数据通信，并控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，该计算机还对拍频干涉信号进行处理分析，并发送数据到下位机。接上述技术方案，所述线性扫频激光器的扫描范围为1520nm-1630nm，扫频速度2nm/s-2000nm/s。接上述技术方案，所述光纤分束器将所述线性扫频激光器输出的扫频激光分为50：50两路。接上述技术方案，所述空心光纤包括空心纤芯、包层和涂敷层。接上述技术方案，所述空心光纤为多模阶跃型石英玻璃光纤。本专利技术还提供了一种基于上述空心光纤连续液位传感装置测量方法，其特征在于，包括以下步骤：线性扫描激光器发出激光波长周期性线性变化的激光，激光进入光纤分束器分为两路光，一路光为信号光，一路为参考光；参考光直接耦合进入光纤耦合器中的一个输入端；信号光进入光纤环形器并传输到单模光纤，通过单模光纤进入空心光纤，空心光纤上产生的后向散射信号沿路返回进入单模光纤，单模光纤中的后向散射信号光通过所述光纤环形器导入所述光纤耦合器，与参考光在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；拍频干涉信号经光电探测器转换为电信号，被数据采集卡采集，通过计算机做快速傅里叶变换得到拍频信号的频谱信息。本专利技术还提供了一种基于上述空心光纤连续液位传感装置的拍频干涉信号解调方法，其特征在于，包括以下步骤：对采集的拍频干涉信号进行非均匀快速傅立叶变换得到空心光纤沿线对应的拍频频谱；对拍频频谱进行降点平均处理，使整个频谱数据点减少而加快运算速度；对降点后的拍频频谱进行平滑处理，使整个频谱图更加平滑；计算频谱图的大致拐点位置，具体对拍频频谱傅里叶变化后数据点进行斜率计算，斜率计算中选取的点为相距固定间隔的两个数据点，从起始数据点开始依次逐点计算，间隔大小的设定取决于数据点大小综合判定，所有数据点斜率计算完成后，对斜率进行求导，将导数绝对值从大到小排列，找出导数最大值所对应的横坐标位置，该横坐标位置为分界点的大致拐点位置；精准计算频谱图的拐点位置，具体对大致拐点位置对应的横坐标，向左向右分别移步固定间隔数据点，对经平滑处理后的数据进行分段拟合，拟合方式为一阶线性拟合，求出两条拟合后的直线的交点位置即是拐点的精准位置。将拐点的精准位置与液位零高度参考位置相减，得到液位高度的相对值。与现有技术相比本专利技术所具有的有益效果为：本专利技术提出了一种基于OFDR技术的空心光纤连续液位传感装置，采用特制空心光纤作为传感头。利用OFDR与光外差检测技术相结合，并通过相应算法分析空心光纤的损耗特性，实现连续液位测量。本专利技术连续测量范围大于100米，精度优于0.1mm，响应速度快。可实现100米范围内高精度连续液位实时测量。特别适用于石油化工以及飞机储油罐等易燃易爆应用中的连续液位高精度测量。附图说明下面通过附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明。图1为本专利技术的连续液位测量结构原理图；图2为空心光纤结构图；图3为待测液位浸没一段空心光纤时的液位示意图；图4为空心光纤连续液位测量判据示意图；图5为空心光纤浸没一段后的测量结果频谱图；图6为测量结果经过平滑处理后的频谱图。图1中：1为线性扫频激光器、2为光纤分束器(50：50)、3为光纤环形器、4为单模光纤、5为空心光纤、6为光纤耦合器(1x2)、7为光电探测器、8为数据采集卡、9为计算机、10为液面。具体实施方式下面实施例结合附图对本专利技术作进一步的描述。基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置，包括线性扫频激光器1、光纤分束器(50：50)2、光纤环形器3、单模光纤4、空心光纤5、光纤耦合器(1x2)6、光电探测器7、数据采集卡8和计算机9。所述线性扫描激光器1与光纤分束器(50：50)2输入端连接，光纤分束器(50：50)输出端分别与光纤环形器3的a端口和光纤耦合器(1x2)6的a端口连接。光纤环形器3的b口与单模光纤连接，c口与光纤耦合器(1x2)6的b口连接。单模光纤4与空心光纤5连接。空心光纤5放置在盛放待测溶液的容器中，感知液位变化。除了空心光纤，理论上很多种传感光纤都是可以的，比如光子晶体光纤。线性扫描激光器1发出激光波长周期性线性变化的激光，激光进入光纤分束器(50：50)2分为两路本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置，其特征在于，包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、空心光纤、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机；其中：所述光纤分束器将所述线性扫频激光器输出的扫频激光分为两路，一路为信号光，另一路为参考光；信号光进入所述光纤环形器，参考光进入所述光纤耦合器；所述空心光纤通过单模光纤与所述光纤环形器连接，信号光通过单模光纤进入该空心光纤，所述空心光纤放置在盛放待测溶液的容器中，感知液位变化；信号光在该空心光纤上产生后向散射信号，并沿路返回至单模光纤；光纤环形器，将单模光纤中的后向反射信号光导入所述光纤耦合器，后向反射信号光与参考光在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；所述光电探测器，与所述环形器连接，将所述拍频干涉信号转化为电信号；所述数据采集卡通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号；所述计算机与所述线性扫频激光器、所述数据采集卡进行数据通信，并控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，该计算机还对拍频干涉信号进行处理分析，并发送数据到下位机。

【技术特征摘要】
1.一种基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置，其特征在于，包括线性扫频激光器、光纤分束器、光纤环形器、空心光纤、光纤耦合器、光电探测器、数据采集卡和计算机；其中：所述光纤分束器将所述线性扫频激光器输出的扫频激光分为两路，一路为信号光，另一路为参考光；信号光进入所述光纤环形器，参考光进入所述光纤耦合器；所述空心光纤通过单模光纤与所述光纤环形器连接，信号光通过单模光纤进入该空心光纤，所述空心光纤放置在盛放待测溶液的容器中，感知液位变化；信号光在该空心光纤上产生后向散射信号，并沿路返回至单模光纤；光纤环形器，将单模光纤中的后向反射信号光导入所述光纤耦合器，后向反射信号光与参考光在所述光纤耦合器处发生拍频干涉，产生拍频干涉信号；所述光电探测器，与所述环形器连接，将所述拍频干涉信号转化为电信号；所述数据采集卡通过多通道同时采集电信号中的拍频干涉信号；所述计算机与所述线性扫频激光器、所述数据采集卡进行数据通信，并控制所述线性扫频激光器和所述数据采集卡，该计算机还对拍频干涉信号进行处理分析，并发送数据到下位机。2.如权利要求1所述的基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置，其特征在于，所述线性扫频激光器的扫描范围为1520nm-1630nm，扫频速度2nm/s-100nm/s。3.如权利要求1所述的基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置，其特征在于，所述光纤分束器将所述线性扫频激光器输出的扫频激光分为50：50两路。4.如权利要求1所述的基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置，其特征在于，所述空心光纤包括空心纤芯、包层和涂敷层。5.如权利要求1所述的基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置，其特征在于，所述空心光纤竖直固定放置待测液体中。6.如权利要求1所述的基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：王辉文，张晓磊，温永强，
申请(专利权)人：武汉隽龙科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42