CN107389154A - 基于ofdr的空心光纤连续液位传感装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于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。

Description

基于OFDR的空心光纤连续液位传感装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，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。

背景技术

本发明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。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于OFDR的空心光纤液位传感器及测量方法。本发明采用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，本发明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。

本发明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。

本发明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。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：本发明提出了一种基于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。本发明连续测量范围大于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

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明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发明作进一步的描述。

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6中的一个输入端。信号光进入光纤环形器3并传输到单模光纤4，再通过单模光纤4进入空心光纤5，信号光在该空心光纤5上产生的后向散射信号沿路返回至单模光纤4。

单模光纤4上的后向散射光沿路返回到光纤环形器3并由环形器的c口出射进入光纤耦合器6的另一个输入端。两路光在光纤耦合器6处发生干涉。由于两路光返回信号的光程不同，引入了时延，则干涉信号中含有拍频信号。经光电探测器7后，干涉光信号转换为电信号，被数据采集卡8采集并通过计算机9做快速傅里叶变换得到拍频信号的频谱信息。

计算机9可下发送数据到所述报警电路；所述报警电路根据接收的计算机9下发的数据，控制指示灯与报警器。

线性扫频激光器1的扫描范围为1520nm-1630nm，扫频速度2nm/s-100nm/s。

光速和激光器扫频速率确定，测得的拍频信号频率大小可映射为物理距离，而拍频信号强度正比于反射信号的强度。

利用OFDR技术检测的空心光纤5沿线的后向散射光主要为后向瑞利散射。后向瑞利散射与入射光强度成正比。由于空心光纤5的光会进入光纤内部空心区域，进入空心区域的光为一种迅衰波场，这就是说耦合进入空心光纤的大部分光功率是浪费在引导迅衰波场。而空心光纤纤芯和包层之间的相对折射率变化导致了包层中迅衰波场的改变。当纤芯与空心区域之间的折射率差减少时，空心区域的迅衰波场会加，从而使光纤传输损耗增大。

概括而言，空心光纤5在空气中传输时损耗系数小于在液体中传输时的损耗系数。

OFDR技术能够对空心光纤沿线的损耗特性进行测量与分析，当空心光纤5一部分位于空气中一部分位于待测液体中时，测量的空心光纤5沿线的后向散射信号中，空气与液体的分界处的拍频信号幅值会有落差，并且两边的斜率不一样。空气处拍频信号的斜率绝对值小，液体处拍频信号的斜率绝对值大。

基于这一个判断依据，对采集的数据进行相应算法处理，可以推测出待测液体的液位高度即为空心光纤拍频信号的频谱分界位置处。

本发明的工作原理是基于OFDR技术，对拍频干涉信息进行分析处理实现连续液位高精度测量。将空心光纤作为传感头放置在盛装待测液体处，并固定在容器内。待测液体上升浸没空心光纤的一段，被浸没的空心光纤所处周围环境为待测液体，液位的上方为空气。对空心光纤沿线的所有后向散射信号进行处理，测量空心光纤的损耗特性后进行相关算法解调算出待测液位所处位置。

本发明的基于OFDR技术是指：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(1x2)6中的a口。信号光进入光纤环形器3的a口并传输到单模光纤4后再进入空心光纤。信号光在空心光纤发生后向散射，后向散射光沿路返回到光纤环形器3并由光纤环形器3的c口出射进入光纤耦合器(1x2)6的b口。两路光在光纤耦合器(1x2)6处发生干涉。由于参考光和后向散射光的光程不同，引入了时延，则干涉信号中含有拍频信号。经光电探测器7后，干涉光信号转换为电信号，被数据采集卡8采集，并在计算机9中做快速傅里叶变换得到拍频信号的频谱信息。测量的频谱图包括了单模光纤的后向散射与参考光的干涉信息变换的部分。但是真正用于传感的光纤是空心光纤的那一段光纤，可以设置过滤掉这一段单模光纤的频谱信息(去掉前面一段信息就可以，因为距离为0的位置是自己选取的，所有的测量距离都是以一个0参考点的相对距离)。

目前OFDR技术在100米距离传感内可实现空间分辨率在几十个微米量级，因此本发明连续液位监测的精度非常高。

概括而言，光频域反射技术测得的拍频信号频率大小可映射为物理距离，短距离空间分辨率在几十微米量级，同时也可以长距离监测。光频域反射技术测得的拍频信号强度则正比于反射信号的强度。

空心光纤5是由空心纤芯、包层和涂敷层组成，也是一多层介质结构的对称圆柱体,只不过其纤芯内部是空心的(如图2)。空心光纤可选用包层外径125um，包层厚度75um，纤芯直径50um，其中内径20um。空心光纤包层和纤芯结构都是二氧化硅制成。涂敷层材料由丙烯酸酯、硅橡胶和尼龙等组成。

空心光纤具有通用光纤的特性，因而光纤的基本原理和理论也适用于空心光纤。由射线理论可知,光在光纤中的传播主要是依据全反射原理.但光在空心光纤中的传播还受到空心处纤芯与空气所形成的界面的影响具有一定的特殊性。

空心内注入材料的不同，光在光纤中传播时损耗特性也不同。尤其是折射率高的液体引起的光强变化最显著，这主要是由于当液体折射率接近纤芯的折射率时，出现了光线由纤芯折射到液体的现象，具有泄漏型光波导的性质。

本发明实施例的空心光纤是一种高纯度的多模阶跃型石英玻璃光纤，损耗低，在1550nm波段最低的损耗约为0.5d B/Km。纤芯内部是空心的，其内表面不具有包层和涂敷层。当光在光纤芯层中传播时，光会进入光纤内部空心区域，进入空心区域的光为一种迅衰波场，它只存在于离空心光纤内壁大约0.7λ厚的一层区域内，其场强的最大值仅为芯层中导波场最大值的10％左右。因此光在空心光纤中的传播损耗主要来自于引导迅衰波场。而空心光纤纤芯和包层之间的相对折射率变化导致了包层中迅衰波场的改变，当纤芯与空心区域之间的折射率差减少时，空心区域的迅衰波场会加，从而使光纤传输损耗增大。

将空心光纤竖直固定放置待测液体中。采用上述OFDR技术，对空心光纤后向散射信号与参考光拍频干涉产生的拍频信号进行采集处理分析。

如图3所示，当待测液体上升过程中浸没空心光纤的一段并且进入空心光纤内部的空心孔。此时，空心光纤内部空气孔中填充了与外界待测液体高度一致的液体。

如图4所示，当空心光纤处于空气中时，空心光纤的空心区域为空气，折射率等于1，纤芯与空心区域之间的折射率差较大，空心区域的迅衰波场较小；当空心光纤处于液体中时，空心光纤的空心区域为待测液体，折射率为n>1，此时纤芯与空心区域之间的折射率差较小，空心区域的迅衰波场较大，位于液体部分的空心光纤损耗迅速增大。

因此，当待测液体浸没空心光纤的一部分时，液位所处位置处空心光纤损耗大小的分界点。通过相应算法计算出该分界点位置即可计算出待测液位所处位置。

本发明实施例的空心光纤连续液位传感装置的拍频干涉信号解调方法主要是对采集的干涉信号进行傅里叶变换处理，寻找损耗分界点。

其具体算法包括几个步骤，

第一步、基于OFDR原理，采用光外差检测技术，对传感光纤沿线后向散射信号与参考臂发生拍频干涉后的干涉信号进行采集。

第二步、利用计算机对第一步采集的拍频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。如图5所示为空心光纤沿线对应的拍频频谱。

第三步、对拍频频谱进行降点平均处理，目的是使整个频谱数据点减少而加快运算速度，

第四步、平滑处理。目的是使得整个频谱图更加平滑，便于寻找损耗特性分界点，即频谱图的拐点位置。如图6所示为测量结果经过平滑处理后的频谱图。

第五步、计算频谱图的拐点大致位置。主要依据斜率绝对值判别法来实现，分界点位置两边的损耗衰减曲线的斜率绝对值不一样。根据这个判别依据，对干涉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，找出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。该横坐标位置即为分界点的大致位置。

第六步、精准计算频谱图的拐点位置。在第四步中找出的大致位置对应的横坐标，向左向右分别移步固定间隔数据点(间隔大小的设定取决于数据点大小综合判定。)在经过第四步后的数据去除大致拐点位置左右的数据点后，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。

第七步、将此位置与液位零高度参考位置相减，得到液位高度的相对值。

至此已找出待测液位所在高度。需要指出的是：上述步骤可在计算机中一次处理完成。

本领域的技术人员容易理解，此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制，凡不脱离本发明方案的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (8)

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，所述空心光纤为多模阶跃型石英玻璃光纤。

7.一种基于权利要求1-6中任一项所述的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。

8.一种基于权利要求1-6中任一项所述的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。