CN108332822B - 用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头及系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头及系统及方法，它解决了水位计探头不能用于水下测量、易受电磁干扰的问题，其根据水位变化引起水压变化，通过监测探头干涉臂长差的变化得到相应的水位值，实现复杂水域中的水位监测，其技术方案为：包括设置于水管两侧的第一调节架和第二调节架，所述第一调节架和第二调节架中部固设光纤限位筒；所述第一调节架底部与滑动结构固定，所述滑动结构端部与弹性元件连接，水管水压增大时推动第一调节架和滑动结构移动，进而使得弹性元件压缩。

Description

用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头及系统及方法

技术领域

本发明涉及水位探头技术领域，特别是涉及一种用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头及系统及方法。

背景技术

海啸是一种破坏性极强的自然灾害，强烈的海啸会造成严重的人员伤亡及巨大的经济财产损失，因此对海啸的实时预警很有必要，对海洋海啸的预警基于对水位的实时监测，传统的水位计有浮子式、压阻式等，但浮子式水位计浮于水面无法用于深海中，压阻式水位计具有电路结构易受电磁干扰，而光纤水位传感器具有体积小、质量轻、灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、可实现长距离传输等许多优良的特性，适用于复杂的海洋环境中对水位的监测，而在该光纤水位监测系统中，其中的干涉结构作为感受水位变化的敏感部位，将其设计为水位敏感探头，其结构设计至关重要，决定了该水位监测系统能否实现。

水位探头有很多不同的设计，陈亚波等人设计了一种水位计探头，该水位计探头利用不锈钢探针、导线和弹头型塑料壳等，将弹头型塑料壳浮于水面，利用不锈钢探针探测水位变化，该水位探头结构简单，但是该探头中的塑料壳无法密封，只能浮于水面，不能用于水下测量，且由于探头结构简单，当水面有较大波浪时，会对测量结果带来影响。

韩培宇等人设计了一种水位计探头，该探头包括导电浮子、电极和导线等，导电浮子位于电极下方受浮力的作用连接两电极，电极再与导线相连，通过浮子的升降测量水位，但是该探头包括电路结构易受电磁干扰的影响，且该水位探头采用金属材质，易受腐蚀。

综上所述，现有技术中对于水位计探头不能用于水下测量、易受电磁干扰的问题，尚缺乏有效的解决方案。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头，其根据水位变化引起水压变化，通过监测探头干涉臂长差的变化得到相应的水位值，实现复杂水域中的水位监测；

进一步的，本发明采用下述技术方案：

一种用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头，包括设置于水管两侧的第一调节架和第二调节架，所述第一调节架和第二调节架中部固设光纤限位筒；所述第一调节架底部与滑动结构固定，所述滑动结构端部与弹性元件连接，水管水压增大时推动第一调节架和滑动结构移动，进而使得弹性元件压缩。

进一步的，所述第一调节架和第二调节架中部均带有空腔，所述光纤限位筒设置于空腔内。

进一步的，所述水管为软管，水管一端部由密封组件密封，另一端部通过接头连接于侧面板。

进一步的，所述密封组件包括设置于水管两侧的水管夹片，两水管夹片将水管夹于其中。

进一步的，所述第一调节架底部与连接片固定连接，连接片底部固定于滑动结构上，连接片侧部与竖板固定，竖板与弹性元件连接，弹性元件端部与挡件连接。

进一步的，所述滑动结构包括与连接片固定的滑块，滑块底部与滑轨配合设置。

进一步的，所述第二调节架、密封组件、滑动结构均固定于底板上，底板四周均与侧板固定连接，侧板顶部设置顶板，侧板、顶板和底板围成密封箱体结构。

进一步的，所述水管延伸至侧板外侧通过转换接头与外部水管连通。

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种干涉式光纤水位监测系统，包括如上所述的水位探头。

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头水位监测方法，包括以下步骤：

组装水位探头，将两准直器分别安装于第一调节架和第二调节架的光纤限位筒内，将水位探头密封安放于水中；

当水位变深时，水管内水压增大，推动第一调节架随滑动结构滑动压缩弹性元件，进而使得第一调节架和第二调节架的准直器之间间距增大，干涉臂长差变化进而得到相应水位值；

当水位变浅时，水管内水压减小，在弹性元件作用下第一调节架随滑动结构滑动，进而使得第一调节架和第二调节架的准直器之间间距减小，干涉臂长差变化进而得到相应水位值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的水位探头为密封结构，可实现水下测量，在进行观测时不会受大风、雨水等恶劣气候条件的影响，可用于对地下水、深海等复杂水位的实时监测。

(2)采用滑动结构滑动带动第一调节架移动的形式，直线滑轨的长度决定了准直器可移动的距离，可在弹簧弹性范围内增大直线滑轨的长度来增大准直器可移动的距离，因此具有较大的测量量程。

(3)当水位发生变化时，水管内水压增大推动第一调节架移动，带动安装在第一调节架上的准直器移动，改变了该马赫-增德尔干涉结构的干涉臂长差，水位值与干涉臂长差有一一对应的线性关系，该水位探头结构中，水位变化与干涉臂长差的变化有很好的线性度，保证了水位测量的准确性。

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为本发明水位探头的结构示意图；

图2为本发明水位探头的侧视图；

图3为本发明水位探头的水管、调节架、滑动结构的配合示意图；

图4为本发明水位探头的第一调节架与滑动结构配合示意图；

图5为干涉式光纤水位监测系统的示意图；

图中，1.光纤限位筒，2.第一调节架，3.第二调节架，4.水管，5.连接片，6.滑块，7.竖板，8.弹簧，9.挡件，10.架台，11.水管夹片，12.底板，13.接头，14.侧面板，15.转换接头。

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。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在水位计探头不能用于水下测量、易受电磁干扰等等的缺陷，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头及系统及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-4所示，提供了一种用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头设计，具体包括：两光纤限位筒1，第一调节架2，第二调节架3，水管4，连接片5，滑块6，竖板7，弹簧8，挡件9，架台10，水管夹片11，底板12，接头13，侧面板14。

两光纤限位筒1分别固定于第一调节架2中部空腔和第二调节架3中部空腔，用于安放该水位监测系统中的两个准直器，通过第一调节架2和第二调节架3调节使两个准直器对准，保证两准直器的耦合功率最大。

第一调节架2和第二调节架3都为四轴调节架，四轴代表的x轴、y轴和俯仰角度；它的作用是：1实验前首先调节这两个调节架使两个准直器对准，保证两准直器的耦合功率最大；2用于安装准直器的光纤限位筒位于调节架上，水位改变挤压水管，水管推动调节架移动，带动了准直器。

第一调节架2和第二调节架3中间为水管4，第一调节架2和第二调节架3设置于水管两侧，初始状态时第一调节架2和第二调节架3紧贴水管4固定。

水管4为软管，其一端由密封组件密封，实现对这一侧水管的密封，水管4的另一端通过接头13连接在侧面板14上。

密封组件包括设置于水管一端两侧的水管夹片11，两水管夹片11将水管4夹于二者中间以夹紧实现密封。

第一调节架2通过螺丝固定在连接片5上，与连接片5连接为一体，连接片5底部固定于滑动结构上，连接片5侧部与竖板7固定，竖板7与弹性元件(本实施例中弹性元件采用弹簧8)连接，弹簧8端部与挡件9连接；水管水压增大时推动第一调节架和滑动结构移动，进而使得弹性元件压缩。

滑动结构包括与连接片5固定的滑块6，滑块6底部与滑轨配合设置。

竖板7用于连接弹簧8的一端，弹簧8作为弹性元件可在弹性范围内进行伸缩，弹簧8的另一端固定在挡件9上。

滑块6可沿滑轨做直线滑动，且连接片5将第一调节架2、竖板7、滑块6连接为一体，因此滑块6滑动时可以带动第一调节架2和竖板7移动，进而推动弹簧8伸缩。

第二调节架3固定在架台10上上保持不动，架台10的高度使第一调节架2和第二调节架3保持在同样的高度上，使该水位监测系统中的两个准直器更好的对准。

挡件9、滑轨、架台10和水管夹片11全都固定在底板12上，保持固定。

底板12四周均与侧面板固定连接，侧面板顶部设置顶板，侧板、顶板和底板围成密封箱体结构，实现该水位探头的密封。

本发明的水位探头由马赫-增德尔干涉结构构成，将光纤、两耦合器和两个准直器安放在该密封探头内，其中两准直器分别安装在图1中的两光纤限位筒1上，光纤限位筒1与调节架固定为一体。当水位改变时，水管4内水压增大，推动水管4两侧的调节架，第二调节架3固定在架台10上不动，因此推动另一侧的第一调节架2移动，第一调节架2固定在连接片5上，同时连接片5还连接滑块6和竖板7，因此第一调节架2移动推动滑块6滑动，并推动竖板7移动，竖板7同时推动弹簧8伸缩，第一调节架2的移动带动准直器移动，从而改变两准直器的间距，即改变了干涉臂长差的值。

如图2所示为该水位探头的侧面图，水管4一端通过水管夹片11夹紧，实现对这一侧水管的密封，另一端通过接头13连接在侧面板14上，在侧面板14外为转换接头15，通过转换接头15连接该水位探头外部的水管，外部的水管与探头内的水管4是相通且等压的。

如图3所示为该水位探头的水管及调节架局部示意图，水管4首先固定在第一调节架2和第二调节架3的中间，第二调节架3固定在架台10上保持不动，架台10的高度使两个调节架保持在同一个高度上，使安装的两个准直器更好的对准，第二调节架3固定在连接片5上，连接片5连接滑块6，因此第一调节架2、连接片5和滑块6为一体。当水管4内水压增大时，推动两侧的调节架，使第一调节架2带动滑块6滑动。

如图4所示为水位探头的滑动结构示意图，水管4内水压增大时会推动第一调节架2，第一调节架2固定在连接片5上，连接片5还连接竖板7和滑块6，竖板7连接弹簧8的一端，弹簧8的另一端固定在挡件9上。因此当水管4内水压增大时，推动第一调节架2移动，会带动滑块6滑动，同时推动弹簧8在弹性范围内伸缩，从而改变了安装在第一调节架2上的准直器的位置。

利用该探头监测水位的原理为：首先将第一调节架2和第二调节架3固定在水管4两侧，将两准直器安装在两光纤限位筒1上并将探头密封，然后将该水位探头安放在水中进行监测。

当水位发生变化时，水压也发生变化，水管4内水压增大，水管4一侧的第二调节架3固定不动，因此推动水管4另一侧的第一调节架2，连接片5将第一调节架2和滑块6、竖板7连接为一体，因此第一调节架2的移动会推动滑块6滑动、并推动竖板7移动，竖板7同时推动弹簧8伸缩，最终会使第一调节架2等结构一起移动。

两个准直器分别安装在第一调节架2和第二调节架3上的两光纤限位筒1上，因此第一调节架2移动时会带动一个准直器移动，另一个准直器不动，因此两个准直器的间距增大；在该探头的马赫-增德尔干涉结构中，参考臂的臂长不变，而由两个准直器构成的探测臂臂长增大，因此改变了探头干涉结构中的干涉臂长差L，即水位的变化导致敏感探头中干涉臂长差L的变化，而该系统中干涉信号的光强表达式为：

其中I₁为马赫-增德尔干涉结构中探测臂的输出光强，I₂为参考臂的输出光强，I₁、I₂均为常量，为探测臂信号和参考臂信号的相位差，t为时间，f为激光器的输出频率，L为干涉臂长差，c为光速。

干涉信号的交流项表达式为：

可见当干涉臂长差L改变时，干涉信号的相位也发生变化，通过对干涉信号做解调可得到探头结构中干涉臂长差L的值，而水位值h与干涉臂长差L呈线性关系：

h＝k*L(k为常量)，

因此只要得到干涉臂长差L的值即可得到当前水位值h。

本申请的另一种典型的实施方式中，提供了一种干涉式光纤水位监测系统，包括如上所述的水位探头。如图5所示，该系统包括：激光器、衰减器、水位探头、探测器、数据采集卡、上位机，其中水位探头是由耦合器和准直器构成的马赫-增德尔干涉结构。

激光器发出的光首先经过衰减器，防止因输入光功率过高而使接收端失真，然后经过水位探头形成干涉，该水位探头作为感受水位变化的敏感元件投入水中，其干涉结构中的探测臂由两个准直器构成。当水位改变时，通过探头结构使两准直器间的距离发生变化，使干涉臂长差改变，继而使干涉信号改变，经探测器探测干涉信号并经数据采集卡上传到上位机，水位值与干涉臂长差的值有一一对应的线性关系，因此从上位机中解调出干涉臂长差的值即可得到当前水位值。

本申请的再一种典型的实施方式中，提供了一种用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头水位监测方法，包括以下步骤：

组装水位探头，将两准直器分别安装于第一调节架和第二调节架的光纤限位筒内，将水位探头密封安放于水中；

当水位变深时，水管内水压增大，推动第一调节架随滑动结构滑动压缩弹性元件，进而使得第一调节架和第二调节架的准直器之间间距增大，干涉臂长差变化进而得到相应水位值；

当水位变浅时，水管内水压减小，在弹性元件作用下第一调节架随滑动结构滑动，进而使得第一调节架和第二调节架的准直器之间间距减小，干涉臂长差变化进而得到相应水位值。

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。

Claims (9)

1.一种用于干涉式光纤水位监测系统中的水位探头，其特征是，包括设置于水管两侧的第一调节架和第二调节架，所述第一调节架和第二调节架中部固设光纤限位筒；所述第一调节架底部与滑动结构固定，所述滑动结构端部与弹性元件连接，水管水压增大时推动第一调节架和滑动结构移动，进而使得弹性元件压缩；

所述水位探头在工作时，将两准直器分别安装于第一调节架和第二调节架的光纤限位筒内，将水位探头密封安放于水中；

当水位变深时，水管内水压增大，推动第一调节架随滑动结构滑动压缩弹性元件，进而使得第一调节架和第二调节架的准直器之间间距增大，干涉臂长差变化进而得到相应水位值；

当水位变浅时，水管内水压减小，在弹性元件作用下第一调节架随滑动结构滑动，进而使得第一调节架和第二调节架的准直器之间间距减小，干涉臂长差变化进而得到相应水位值。

2.如权利要求1所述的水位探头，其特征是，所述第一调节架和第二调节架中部均带有空腔，所述光纤限位筒设置于空腔内。

3.如权利要求1所述的水位探头，其特征是，所述水管为软管，水管一端部由密封组件密封，另一端部通过接头连接于侧面板。

4.如权利要求3所述的水位探头，其特征是，所述密封组件包括设置于水管两侧的水管夹片，两水管夹片将水管夹于其中。

5.如权利要求1所述的水位探头，其特征是，所述第一调节架底部与连接片固定连接，连接片底部固定于滑动结构上，连接片侧部与竖板固定，竖板与弹性元件连接，弹性元件端部与挡件连接。

6.如权利要求1所述的水位探头，其特征是，所述滑动结构包括与连接片固定的滑块，滑块底部与滑轨配合设置。

7.如权利要求1所述的水位探头，其特征是，所述第二调节架、密封组件、滑动结构均固定于底板上，底板四周均与侧板固定连接，侧板顶部设置顶板，侧板、顶板和底板围成密封箱体结构。

8.如权利要求1所述的水位探头，其特征是，所述水管延伸至侧板外侧通过转换接头与外部水管连通。

9.一种干涉式光纤水位监测系统，包括如权利要求1-8任一项所述的水位探头。