CN108981855B - 一种基于塑料光纤光时域反射的水位监测装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于塑料光纤光时域反射的水位监测装置及监测方法，包括固定在待测水体河床中的立杆，还包括塑料光纤水位探测器，其呈螺旋形状缠绕于立杆靠近底部位置处，在立杆靠近顶端的位置安装控制箱，其内布设控制装置，立杆的顶部安装太阳能电池板，其与控制装置相连通并为控制装置提供动力，控制箱的顶部安装GPRS天线，控制装置与GPRS天线、塑料光纤水位探测器分别相连通；本发明可实现远程和自动监测，并对危险状况进行预警的水位监测装置及测量方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于塑料光纤光时域反射的水位监测装置及监测方法，属于水利行业水位监测领域。
背景技术
水位是反映水体变化的重要标志，是水文测验中最基本的观测量，也是水工建筑物安全监测的重要环境量之一。水位资料是最重要最基本的水文信息资源，其不仅为水利水运、防洪防涝提供重要资料，而且为推算其他水文要素提供间接资料。对水库水位进行实时在线监测，从而及时准确地获取水位的动态变化信息能有效规避险情，提高防洪减灾能力，具有十分重要的现实意义。
现有水位观测一般采用水尺和水位计。水尺是传统的直接观测设备，多为人工观测，易受环境和人为因素影响，精度较低，实时性较差。水位计能实现自动测定和记录水位，目前主要分为浮子式水位计、压力式水位计、超声波式水位计、雷达式水位计等。其中，浮子式水压计利用浮子随水位升降，通过机械传动记录，稳定性好，应用较广，但需设置测井设备，增加土建成本，且对环境适应能力有限；压力式水位计根据静水压力原理，运用压敏元件传感，无需测井，灵敏度高，但受温度等环境因素影响较大，时间长容易出现漏水，且实时性难以保障；超声波水位计应用声波在不同界面反射测定水位，为非接触式测量，性能可靠，运行稳定，但存在测量盲区，并易受风浪影响；雷达式水位计采用雷达波测量水面距离，实际为雷达测距仪，精度较高，但容易受漂浮物等影响，导致测量结果不可靠。此外，以上水位计普遍存在造价昂贵，安装和维护困难等问题，部分带电元件容易受到电磁干扰，甚至遭受雷击损坏。
发明内容
本发明提供一种基于塑料光纤光时域反射的水位监测装置及监测方法，可实现远程和自动监测，并对危险状况进行预警的水位监测装置及测量方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于塑料光纤光时域反射的水位监测装置，包括固定在待测水体河床中的立杆，还包括塑料光纤水位探测器，探头为宏弯曲结构，呈螺旋形状缠绕于立杆靠近底部位置处，在立杆靠近顶端的位置安装控制箱，其内布设控制装置，立杆的顶部安装太阳能电池板，其与控制装置相连通并为控制装置提供动力，控制箱的顶部安装GPRS天线，控制装置与GPRS天线、塑料光纤水位探测器分别相连通，立杆靠近顶端安装监控摄像头、高音喇叭，控制箱顶部安装水位报警器；
所述控制装置包括中央处理器，其分别与电源模块、数据存储模块、声光报警模块、视频信息采集模块和GPRS通信模块相连通，其中，电源模块通过控制器与太阳能电池板相连通，声光报警模块同时与高音喇叭、水位报警器相连通，GPRS通信模块与GPRS天线相连通，视频信息采集模块与监控摄像头相连通；
光时域反射模块与塑料光纤水位探测器相连通，所述光时域反射模块包括与中央处理器相连通的信号处理器，其与脉冲发生器连接，脉冲发生器与激光二极管连接，激光二极管与光方向耦合器的第一个接口连接，还包括与信号处理器相连通的A/D模数转换器，其与放大器连接，放大器与光电探测器连接，光电探测器与光方向耦合器的第二个接口连接；
所述塑料光纤水位探测器包括塑料光纤和塑料光纤探头，光方向耦合器的第三个接口与塑料光纤连接，塑料光纤与塑料光纤探头连接；
所述塑料光纤水位探测器外围套设保护罩，保护罩的底部安装滤网，滤网采用金属过滤网；
所述的基于塑料光纤光时域反射的水位监测方法，具体步骤如下：中央处理器向数据存储模块发送指令，设定水位信息阈值，阈值设定完毕后，中央处理器控制激光二极管发出经过脉冲调制的光脉冲，光脉冲通过光方向耦合器进入塑料光纤，而后进入呈螺旋状的塑料光纤探头发生散射，背向散射光返回光纤入射端，经过光方向耦合器进入光电探测器，转变为电信号，经放大器放大后，经过A/D模数转换器转变为数字信号，然后经过信号处理器进行信号处理，由于不同水位条件下折射率不同，塑料光纤宏弯结构光损耗水平不同，从而可通过探测到的背向散射信号得到水位信息，当得到的水位信息不在设定的水位信息阈值内时，GPRS网络连接通信服务器，进而连接上位机，通过手机短信、微信、自动拨号等方式将水位信息发送到值班人员手机或电脑终端上，值班人员通过监控摄像头获取现场视频和图像资料，确认信息后，中央处理器向声光报警模块发送指令，水位报警器进行报警，通过高音喇叭指导人员疏散撤离；
所述水位信息通过塑料光纤水位探测器的背向散射曲线经过下列如下换算得到水位：
其中，Z为水位，Z0为塑料光纤探头顶高程，D为塑料光纤探头圆柱螺旋线直径，h为塑料光纤探头圆柱螺旋线导程，S为实测背向散射曲线水面距离；
作为本发明的进一步优选，前述的太阳能电池板通过太阳能板支架安装在立杆顶部，电源模块包括蓄电池，太阳能电池板通过控制器与设置在控制箱内的蓄电池相连通；
作为本发明的进一步优选，前述的立杆通过至少一个杆体连接形成，其底部通过法兰固定在待测水体河床中；
前述的控制箱为金属机箱，底部焊接三角支架，其顶部安装防水板，在金属机箱的底面开设用于通设塑料光纤的出线孔。
通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明采用塑料光纤探测水位，具有精度和分辨率高，量程大，良好韧性，成本低等优势，由于塑料光纤探头不含带电元器件，具有较高的抗腐蚀，抗电磁干扰能力；
监测装置主体结构安装便捷，便于运输和维护；
水位监测控制系统可实现无人值守自动监测，水位数据可通过GPRS无线通信模块实现远程传输和实时通讯，既能实时在线观测水位，又能通过数据存储模块长期收集存储水位信息；操作人员可以使用手机或电脑终端查看和修改水位基准数值，监测数据的采集和传输可以随时远程设定和修改；摄像设备能对现场情况进行监控，当水位过高或过低，可通过水位报警器进行报警，出现险情时可指导人员疏散撤离；
监测装置通过太阳能板产生电能，能有效解决供电困难问题，保证装置可持续监测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的水位监测装置图；
图2是本发明的优选实施例的水位监测装置的控制系统框图；
图3是本发明的优选实施例的塑料光纤水位传感器结构示意图；
图4是本发明的优选实施例的典型光时域反射测试曲线示意图。
图中：1为太阳能板，2为太阳能板支架，3为监控摄像头，4为高音喇叭，5为水位报警器，6为GPRS天线，7为控制箱，8为立杆，9为塑料光纤探头，10为保护罩，11为滤网，12为信号处理器，13为脉冲发生器，14为激光二极管，15为光方向耦合器，16为塑料光纤，18为光电探测器，19为放大器，20为A/D模数转换器。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1-图4所示，本发明包括以下特征部件：1为太阳能板，2为太阳能板支架，3为监控摄像头，4为高音喇叭，5为水位报警器，6为GPRS天线，7为控制箱，8为立杆，9为塑料光纤探头，10为保护罩，11为滤网，12为信号处理器，13为脉冲发生器，14为激光二极管，15为光方向耦合器，16为塑料光纤，18为光电探测器，19为放大器，20为A/D模数转换器。
图1-图3所示，本发明的一种基于塑料光纤光时域反射的水位监测装置，包括固定在待测水体河床中的立杆，还包括塑料光纤水位探测器，其呈螺旋形状缠绕于立杆靠近底部位置处，在立杆靠近顶端的位置安装控制箱，其内布设控制装置，其与控制装置相连通并为控制装置提供动力，控制箱的顶部安装GPRS天线，控制装置与GPRS天线、塑料光纤水位探测器分别相连通；
作为本发明的进一步优选，
还包括安装在立杆靠近顶端的监控摄像头、高音喇叭以及安装在控制箱顶部的水位报警器，水位报警器为LED警示灯，告警状态下一直闪烁；前述的控制装置包括中央处理器，其分别与电源模块、数据存储模块、声光报警模块、视频信息采集模块和GPRS通信模块相连通；其中，电源模块通过控制器与太阳能电池板相连通，声光报警模块同时与高音喇叭、水位报警器相连通，GPRS通信模块与GPRS天线相连通，视频信息采集模块与监控摄像头相连通；
作为本发明的进一步优选，
前述的太阳能电池板为通过太阳能板支架安装在立杆顶部，太阳能板可通过太阳能板支架调整方位；电源模块包括蓄电池，太阳能电池板通过控制器与设置在控制箱内的蓄电池相连通；
作为本发明的进一步优选，
在控制箱内与中央处理器相连通的还包括光时域反射模块，其同时与塑料光纤水位探测器相连通；
前述的光时域反射模块包括与中央处理器相连通信号处理器，其与脉冲发生器连接，脉冲发生器与激光二极管连接，激光二极管与光方向耦合器的第一个接口连接，还包括与信号处理器相连通的A/D模数转换器，其与放大器连接，放大器与光电探测器连接，光电探测器与光方向耦合器的第二个接口连接；
前述的塑料光纤水位探测器包括塑料光纤和塑料光纤探头，光方向耦合器的第三个接口与塑料光纤连接，塑料光纤与塑料光纤探头连接；所述塑料光纤为日本三菱公司生产的SH2001-J型裸光纤。
前述的塑料光纤探头呈螺旋形状缠绕于立杆靠近底部位置处；
作为本发明的进一步优选，
前述的塑料光纤水位探测器外围套设保护罩，保护罩的底部安装滤网，且保护罩采用PVC塑料管，滤网采用金属过滤网，保护罩设有微小孔洞以保证内外水位齐平，滤网采用金属过滤网避免杂质进入影响观测；
作为本发明的进一步优选，
前述的立杆通过至少一个杆体连接形成，其底部通过法兰固定在待测水体河床中；
前述的控制箱为金属机箱，底部焊接三角支架，其顶部安装防水板，在金属机箱的底面开设用于通设塑料光纤的出线孔；
采用上述所述的基于塑料光纤光时域反射的水位监测方法，具体步骤包括如下：中央处理器向数据存储模块发送指令，设定水位信息阈值，阈值设定完毕后，中央处理器控制激光二极管发出经过脉冲调制的光脉冲，光脉冲通过光方向耦合器进入塑料光纤，而后进入呈螺旋状的塑料光纤探头发生散射，背向散射光返回光纤入射端，经过光方向耦合器进入光电探测器，转变为电信号，经放大器放大后，经过A/D模数转换器转变为数字信号，然后经过信号处理器进行信号处理，由于不同水位条件下折射率不同，塑料光纤宏弯结构光损耗水平不同，从而可通过探测到的背向散射信号得到水位信息；具体的由于塑料光纤探头为宏弯曲结构，光线因不满足全反射条件而入射到外界环境形成辐射模，辐射模能量由外部环境折射率所调制，由于空气和水具有不同折射率，不同水位下背向散射光光传输损耗水平不同，则背向散射曲线在水面两侧损耗速率不同，且由于水面处折射率突变，背向散射曲线在水面处发生一定程度突变，如图4所示；因此可利用背向散射曲线经过下列如下几何换算得到水位。
其中，Z为水位，Z0为塑料光纤探头顶高程，D为塑料光纤探头圆柱螺旋线直径，h为塑料光纤探头圆柱螺旋线导程，S为实测背向散射曲线水面距离。
当得到的水位信息不在设定的水位信息阈值内时，GPRS网络连接通信服务器，进而连接上位机，通过手机短信、微信、自动拨号等方式将水位信息发送到值班人员手机或电脑终端上，值班人员通过监控摄像头获取现场视频和图像资料，确认信息后，中央处理器向声光报警模块发送指令，水位报警器进行报警，通过高音喇叭指导人员疏散撤离。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。
本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (3)
1.一种基于塑料光纤光时域反射的水位监测装置，其特征在于：包括固定在待测水体河床中的立杆，还包括塑料光纤水位探测器，探头为宏弯曲结构，呈螺旋形状缠绕于立杆靠近底部位置处，在立杆靠近顶端的位置安装控制箱，其内布设控制装置，立杆的顶部安装太阳能电池板，其与控制装置相连通并为控制装置提供动力，控制箱的顶部安装GPRS天线，控制装置与GPRS天线、塑料光纤水位探测器分别相连通，立杆靠近顶端安装监控摄像头、高音喇叭，控制箱顶部安装水位报警器；
所述控制装置包括中央处理器，其分别与电源模块、数据存储模块、声光报警模块、视频信息采集模块和GPRS通信模块相连通，其中，电源模块通过控制器与太阳能电池板相连通，声光报警模块同时与高音喇叭、水位报警器相连通，GPRS通信模块与GPRS天线相连通，视频信息采集模块与监控摄像头相连通；
光时域反射模块与塑料光纤水位探测器相连通，所述光时域反射模块包括与中央处理器相连通的信号处理器，其与脉冲发生器连接，脉冲发生器与激光二极管连接，激光二极管与光方向耦合器的第一个接口连接，还包括与信号处理器相连通的A/D模数转换器，其与放大器连接，放大器与光电探测器连接，光电探测器与光方向耦合器的第二个接口连接；
所述塑料光纤水位探测器包括塑料光纤和塑料光纤探头，光方向耦合器的第三个接口与塑料光纤连接，塑料光纤与塑料光纤探头连接；
所述塑料光纤水位探测器外围套设保护罩，保护罩的底部安装滤网，滤网采用金属过滤网；
所述的基于塑料光纤光时域反射的水位监测方法，具体步骤如下：中央处理器向数据存储模块发送指令，设定水位信息阈值，阈值设定完毕后，中央处理器控制激光二极管发出经过脉冲调制的光脉冲，光脉冲通过光方向耦合器进入塑料光纤，而后进入呈螺旋状的塑料光纤探头发生散射，背向散射光返回光纤入射端，经过光方向耦合器进入光电探测器，转变为电信号，经放大器放大后，经过A/D模数转换器转变为数字信号，然后经过信号处理器进行信号处理，由于不同水位条件下折射率不同，塑料光纤宏弯结构光损耗水平不同，从而可通过探测到的背向散射信号得到水位信息，当得到的水位信息不在设定的水位信息阈值内时，GPRS网络连接通信服务器，进而连接上位机，通过手机短信、微信、自动拨号等方式将水位信息发送到值班人员手机或电脑终端上，值班人员通过监控摄像头获取现场视频和图像资料，确认信息后，中央处理器向声光报警模块发送指令，水位报警器进行报警，通过高音喇叭指导人员疏散撤离；
所述水位信息通过塑料光纤水位探测器的背向散射曲线经过下列如下换算得到水位：
其中，Z为水位，Z0为塑料光纤探头顶高程，D为塑料光纤探头圆柱螺旋线直径，h为塑料光纤探头圆柱螺旋线导程，S为实测背向散射曲线水面距离。
2.根据权利要求1所述的基于塑料光纤光时域反射的水位监测装置，其特征在于：前述的太阳能电池板通过太阳能板支架安装在立杆顶部，电源模块包括蓄电池，太阳能电池板通过控制器与设置在控制箱内的蓄电池相连通。
3.根据权利要求1所述的基于塑料光纤光时域反射的水位监测装置，其特征在于：前述的立杆通过至少一个杆体连接形成，其底部通过法兰固定在待测水体河床中；
前述的控制箱为金属机箱，底部焊接三角支架，其顶部安装防水板，在金属机箱的底面开设用于通设塑料光纤的出线孔。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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