CN109211356B - 一种基于移频技术的光纤干涉水位传感器及传感方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移频技术的光纤干涉水位传感器及传感方法，该水位传感器采用两个马赫‑曾德尔干涉结构，一个干涉结构的两路光纤长度差值恒定，光电探测器探测到的信号有固定的相位值；另一个干涉结构连接敏感元件，当水位发生变化时，光纤长度改变，光的光程发生变化，传输在传感光纤中的光的相位也改变，通过上位机解调系统可以解调出相位差值，根据相位差值可以反算出水位值。本发明具有灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点,易于解调和数据处理，可以实现高精度的水位测量。

Description

一种基于移频技术的光纤干涉水位传感器及传感方法

技术领域

本公开属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于移频技术的光纤干涉水位传感器及传感方法。

背景技术

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，而且解调算法复杂，在实际应用中具有一定的局限性。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种基于移频技术的光纤干涉水位传感器及传感方法，该水位传感器采用两个马赫-曾德尔干涉结构，一个干涉结构的两路光纤长度差值恒定，光电探测器探测到的信号有固定的相位值；另一个干涉结构连接敏感元件，当水位发生变化时，光纤长度改变，光的光程发生变化，传输在传感光纤中的光的相位也改变，通过上位机解调系统可以解调出相位差值，根据相位差值可以反算出水位值。本发明具有灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰等优点,易于解调和数据处理，可以实现高精度的水位测量。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

一种基于移频技术的光纤干涉水位传感器，所述传感器包括第一马赫-曾德尔干涉结构和第二马赫-曾德尔干涉结构；其中，

所述第一马赫-曾德尔干涉结构包括激光器、第一耦合器、声光调制器、第二耦合器、第三耦合器、敏感元件、第四耦合器、第一光电探测器，

激光器的输出端均与第一耦合器的输入端相连；所述第一耦合器的输出端分为两路，一路与声光调制器相连后与第二耦合器输入端相连，第二耦合器的输出端与敏感元件相连后再与第四耦合器相连；另一路与第三耦合器相连后再与第四耦合器的另一路输入端相连，第四耦合器的输出端与第一光电探测器相连；

所述第二马赫-曾德尔干涉结构包括激光器、第一耦合器、声光调制器、第二耦合器、第三耦合器、第五耦合器、第二光电探测器，

激光器的输出端均与第一耦合器的输入端相连；所述第一耦合器的输出端分为两路，一路与声光调制器相连后与第二耦合器输入端相连，第二耦合器的输出端与第五耦合器相连；另一路与第三耦合器相连后再与第五耦合器的另一路输入端相连，第五耦合器的输出端与第二光电探测器相连；

所述第一马赫-曾德尔干涉结构和第二马赫-曾德尔干涉结构分别经过第一光电探测器和第二光电探测器接入上位机解调系统。

进一步地，所述激光器包括第一激光器和第二激光器，二者输出频率相差100GHz的光源。

进一步地，所述第二马赫-曾德尔干涉结构与第一马赫-曾德尔干涉结构的干涉臂近似等长。

进一步地，所述敏感元件包括外接头、水带、压紧块、光纤缠绕部和夹紧片，其中，

所述水带的一端与外接头连接，另一端通过两个夹紧片进行密封；所述水带上还相对设置两个压紧块，用于压紧所述水带，每个所述压紧块上均设置光纤缠绕部；第二耦合器的输出端与第四耦合器输入端之间的光纤缠绕在光纤缠绕部上。

进一步地，所述敏感元件还包括架框，所述架框套设于水带外部，所述两个压紧块各自通过一个连接固定片与架框远离外接头的一端连接。

进一步地，所述光纤缠绕部的半径为26mm，大于传感光纤的弯曲半径。

一个或多个实施例提供了一种基于所述光纤干涉水位传感器的传感方法，包括以下步骤：

分别采用第一激光器和第二激光器作为光源，针对第一马赫-曾德尔干涉结构和第二马赫-曾德尔干涉结构的干涉信号初始相位，建立光源频率、移频频率及两个干涉结构光程差的关系式；

联立采用第一激光器和第二激光器作为光源时得到的关系式，计算两个干涉结构光程差，根据所述光程差计算水位。

进一步地，采用第一激光器作为光源时，建立光源频率、移频频率及两个干涉结构光程差的关系式的过程为：

设两个干涉结构相应的干涉信号光程差为L₃＝L₂-L₁，则这两个干涉信号的相位差：

其中，第一激光器光源频率记为f_c，L₁和L₂分别为第一和第二马赫-曾德尔干涉结构中，经过两个臂的两路信号光程差；声光调制器使光移频f₀，n为光源在光纤中的折射率，C为光速；

设定N₁为整数倍周期，光频率f_c、移频频率f₀及光程差L₃的关系：

进一步地，采用第二激光器作为光源时，建立光源频率、移频频率及两个干涉结构光程差的关系式的过程为：

两个干涉结构的相位差：

第二激光器光源频率记为f_c+100G，两个干涉结构相应的干涉信号光程差为L₃＝L₂-L₁，L₁和L₂分别为第一和第二马赫-曾德尔干涉结构中，经过两个臂的两路信号光程差；声光调制器使光移频f₀，n为光源在光纤中的折射率，C为光速；

设N₂为整数倍周期，则光频率f_c、移频频率f₀及光程差L₃的关系为：

取L₃＝2mm，则N₂＝N₁+1，所以光频率f_c+100G、移频频率f₀及光程差L₃的关系：

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

(1)该水位传感器采用两个马赫-曾德尔干涉结构，一个干涉结构的两路光纤长度差值恒定，光电探测器探测到的信号有固定的相位值；另一个干涉结构连接敏感元件，当水位发生变化时，光纤长度改变，光的光程发生变化，传输在传感光纤中的光的相位也改变，通过上位机解调系统可以解调出相位差值，根据相位差值可以反算出水位值，易于算法解调和数据处理。

(2)采用基于移频技术的干涉结构,通过对移频后干涉信号及固定干涉信号的对比，可得到两个干涉结构的精确的干涉臂长差，继而可实现对水位的高精度测量。

(3)采用光纤传感技术搭建水位系统，缠绕敏感光纤的敏感元件可投入海底，具有耐腐蚀、抗电磁干扰、传输损耗小等优点,可适用于海底复杂环境。

附图说明

构成本公开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为本公开实施例一基于移频技术的光纤干涉水位传感器的系统框图；

图2为本公开实施例一基于移频技术的光纤干涉水位传感器的结构图；

图3为本公开实施例一中光纤干涉水位传感器的敏感元件结构图；

图4为本公开实施例一中光纤干涉水位传感器的敏感元件剖面图。

其中，1——第一激光器，2——第二激光器，3——第一耦合器，4——声光调制器，5——第二耦合器，6——第三耦合器，7——敏感元件，8——第四耦合器，9——第五耦合器，10——第一光电探测器，11——第二光电探测器，12——上位机解调系统，13——外接头，14——架框，15——压紧块，16——光纤缠绕部，17——连接固定片，18——锁紧螺钉，19——水带，20——夹紧片。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，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。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种基于移频技术的光纤干涉水位传感器结构图。如图1-2所示，该传感器结构包括第一激光器1、第二激光器2、第一耦合器3、声光调制器4、第二耦合器5、第三耦合器6、敏感元件7、第四耦合器8、第五耦合器9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、上位机解调系统12。

该水位传感器包括两个马赫-曾德尔干涉结构。

第一个干涉结构包括激光器、第一耦合器3、声光调制器4、第二耦合器5、第三耦合器6、敏感元件7、第四耦合器8、第一光电探测器10，激光器的输出端与第一耦合器3的输入端相连，第一耦合器3的输出端分为两路，一路与声光调制器4相连后与第二耦合器5输入端相连，第二耦合器5的输出端与敏感元件7相连后再与第四耦合器8相连，第一耦合器3的另一路输出端与第三耦合器6相连后再与第四耦合器8的另一路输入端相连，第四耦合器8的输出端与第一光电探测器10相连，此结构构成第一个马赫-曾德尔干涉。

第二个干涉结构包括激光器、第一耦合器3、声光调制器4、第二耦合器5、第三耦合器6、第五耦合器9、第二光电探测器11，激光器的输出端与第一耦合器3的输入端相连，第一耦合器3的输出端分为两路，一路与声光调制器4相连后与第二耦合器5输入端相连，第二耦合器5的输出端与第五耦合器9相连，第一耦合器3的另一路输出端与第三耦合器6相连后再与第五耦合器9的另一路输入端相连，第五耦合器9的输出端与第二光电探测器11相连，此结构构成第二个马赫-曾德尔干涉。

第一个干涉结构和第二个干涉结构分别经过第一光电探测器10和第二光电探测器11接入上位机解调系统12。

该水位传感器的第一个干涉结构连接了敏感元件可以感受水位的变化，当水位改变时，光纤被拉伸，光纤长度改变，干涉信号的相位也随之改变；第二个干涉结构的两路光纤长度差恒定不变，干涉信号的相位固定作为参考，在上位机解调系统中可以解调出两个干涉结构的相位差，继而可以反算出水位值。

其中，所述敏感元件结构如图3-4所示，包括外接头13、架框14、压紧块15、光纤缠绕部16、连接固定片17、锁紧螺钉18、水带19和夹紧片20。具体地，所述敏感元件结构如下：

所述外接头13一端与被测水位相接，另一端通过架框14与水带19连接。架框套设于水带外部。

所述水带19的一端与外接头13连接，另一端通过两个夹紧片20进行密封，具体地，两个夹紧片通过锁紧螺钉18将水带一侧密封。

通过设置两个压紧块15压紧所述水带19，每个所述压紧块15上均设置光纤缠绕部16，且水带两侧的压紧块15、光纤缠绕部16为一体结构，连接固定片17的一端与架框远离外接头的一端通过锁紧螺钉18固定，另一端与压紧块15用激光焊固定在一起。所述连接固定片17优选为具有弹性的金属片。

第二耦合器5的输出端与第四耦合器8输入端之间的光纤缠绕在光纤缠绕部16上。

外接头13直接与水接触，当水位发生变化时，水通过外接头13进入水带19，水带19中水变多，使两个压紧块15间的距离增大，光纤缠绕在压紧块15上的光纤缠绕部16上，导致光纤拉伸，因此该系统中探测臂的长度发生变化，继而导致光信号的相位发生变化，通过上位机解调系统解调出相位变化，可以反算出水位的变化。

一个或多个实施例中，第一激光器1输出稳定的波长为1550nm窄线宽10M左右的光源，第二激光器2为与第一激光器1频率相差100GHz的激光器。

所提到的光纤均为纤芯直径9μm，包层直径125μm的单模普通光纤，第一激光器输出稳定的波长为1550nm窄线宽10M左右的光源，第二激光器输出为与第一激光器频率相差100GHz的光源，光纤光纤缠绕部的半径为26mm，大于光纤的弯曲半径。

所述光纤干涉水位传感器的工作原理为：

第一激光器输出稳定的波长为1550nm窄线宽10M左右的光源，频率记为f_c，在第一个马赫-曾德尔干涉结构中，经第一耦合器后均分为两路光，一路光连接声光调制器使光移频f₀，此时频率变为f_c+f₀，再连接第二耦合器，第二耦合器的输出连接敏感元件后接第四耦合器。经过第一耦合器后的另一路光信号接第三耦合器，光源频率不变仍为f₀，第三耦合器的输出接第四耦合器，第四耦合器与第一光电探测器相连，此结构构成第一个马赫-曾德尔干涉，设光经过干涉结构的两个臂时两路信号的光程差为L₁则干涉信号交流项光强为：

其中B₁代表通过光探测器一后电压交流项振幅，t代表时间。

第一个M-Z干涉的初始相位为

其中n为光源在光纤中的折射率，C为光速。

在第二个马赫-曾德尔干涉结构中，经第一耦合器后均分为两路光，一路光连接声光调制器使光移频f₀，此时频率变为f_c+f₀，再连接第二耦合器，第二耦合器的输出连接第五耦合器，经过第一耦合器后的另一路光信号接第三耦合器，光源频率不变仍为f_c，第三耦合器的输出接第五耦合器，第五耦合器与第二光电探测器相连，此结构构成第二个马赫-曾德尔干涉，该干涉结构的两路光纤长度差是固定值设为L₂，则干涉信号交流项光强为：

其中B₂代表通过光探测器二后电压交流项振幅，t代表时间。

干涉信号的相位初始值也固定，

设L₃＝L₂-L₁，两个干涉信号的相位可以通过互相关计算得出来：

在上位机解调系统中可以解调出相位差值但由于计算出来的相位差/>是0-2π之间的值。实际上我们要求的是绝对相位差值。因此，我们假设为N₁整数倍周期。相位差值为：

设定相位差公式应为：

可以推出光频率f_c、移频频率f₀及光程差L₃的关系：

在搭建该水位系统时，制备M-Z干涉结构，制备光程差L₃约为2mm。

设第二激光器光频率为f_c+100G，那么我们测出来的相位差值为

设定N₂整数倍周期，则光频率f_c、移频频率f₀及光程差L₃的关系为：

将N₁+ε₁代入上式中

光程差L₃约为2mm，光纤折射率n为1.5,则：

由上式可以看出，当采用干涉臂长差约2mm，两激光器频率差为100G时，其周期整数相差为1，则N₂＝N₁+1。

所以光频率f_c+100G、移频频率f₀及光程差L₃的关系

通过这两个公式可以计算出精确的光程差L₃，继而可以反算出水位值。

以上一个或多个实施例具有以下技术效果：

(1)该水位传感器采用两个马赫-曾德尔干涉结构，一个干涉结构的两路光纤长度差值恒定，光电探测器探测到的信号有固定的相位值；另一个干涉结构连接敏感元件，当水位发生变化时，光纤长度改变，光的光程发生变化，传输在传感光纤中的光的相位也改变，通过上位机解调系统可以解调出相位差值，根据相位差值可以反算出水位值，易于算法解调和数据处理。

(2)采用基于移频技术的干涉结构,通过对移频后干涉信号及固定干涉信号的对比，可得到两个干涉结构的精确的干涉臂长差，继而可实现对水位的高精度测量。

(3)采用光纤传感技术搭建水位系统，缠绕敏感光纤的敏感元件可投入海底，具有耐腐蚀、抗电磁干扰、传输损耗小等优点,可适用于海底复杂环境。

本领域技术人员应该明白，上述本申请的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本申请不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

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。

上述虽然结合附图对本申请的具体实施方式进行了描述，但并非对本申请保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本申请的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本申请的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种基于移频技术的光纤干涉水位传感器，其特征在于，所述传感器包括第一马赫-曾德尔干涉结构和第二马赫-曾德尔干涉结构；其中，

所述第一马赫-曾德尔干涉结构包括激光器、第一耦合器、声光调制器、第二耦合器、第三耦合器、敏感元件、第四耦合器、第一光电探测器，

激光器的输出端均与第一耦合器的输入端相连；所述第一耦合器的输出端分为两路，一路与声光调制器相连后与第二耦合器输入端相连，第二耦合器的输出端与敏感元件相连后再与第四耦合器相连；另一路与第三耦合器相连后再与第四耦合器的另一路输入端相连，第四耦合器的输出端与第一光电探测器相连；

所述敏感元件包括外接头、水带、压紧块、光纤缠绕部和夹紧片，其中，

所述水带的一端与外接头连接，另一端通过两个夹紧片进行密封；所述水带上还相对设置两个压紧块，用于压紧所述水带，每个所述压紧块上均设置光纤缠绕部；第二耦合器的输出端与第四耦合器输入端之间的光纤缠绕在光纤缠绕部上；

所述敏感元件还包括架框，所述架框套设于水带外部，所述两个压紧块各自通过一个连接固定片与架框远离外接头的一端连接；

所述第二马赫-曾德尔干涉结构包括激光器、第一耦合器、声光调制器、第二耦合器、第三耦合器、第五耦合器、第二光电探测器，

激光器的输出端均与第一耦合器的输入端相连；所述第一耦合器的输出端分为两路，一路与声光调制器相连后与第二耦合器输入端相连，第二耦合器的输出端与第五耦合器相连；另一路与第三耦合器相连后再与第五耦合器的另一路输入端相连，第五耦合器的输出端与第二光电探测器相连；

所述第一马赫-曾德尔干涉结构和第二马赫-曾德尔干涉结构分别经过第一光电探测器和第二光电探测器接入上位机解调系统；

所述激光器包括第一激光器和第二激光器，二者输出频率相差100GHz的光源。

2.如权利要求1所述的一种基于移频技术的光纤干涉水位传感器，其特征在于，所述第二马赫-曾德尔干涉结构与第一马赫-曾德尔干涉结构的干涉臂近似等长。

3.如权利要求1所述的一种基于移频技术的光纤干涉水位传感器，其特征在于，所述光纤缠绕部的半径为26mm，大于传感光纤的弯曲半径。

4.一种基于权利要求1-3任一项所述光纤干涉水位传感器的传感方法，其特征在于，包括以下步骤：

分别采用第一激光器和第二激光器作为光源，针对第一马赫-曾德尔干涉结构和第二马赫-曾德尔干涉结构的干涉信号初始相位，建立光源频率、移频频率及两个干涉结构光程差的关系式；

联立采用第一激光器和第二激光器作为光源时得到的关系式，计算两个干涉结构光程差，根据所述光程差计算水位。

5.如权利要求4所述的传感方法，其特征在于，采用第一激光器作为光源时，建立光源频率、移频频率及两个干涉结构光程差的关系式的过程为：

设两个干涉结构相应的干涉信号光程差为L₃＝L₂-L₁，则这两个干涉信号的相位差：

其中，第一激光器光源频率记为f_c，L₁和L₂分别为第一和第二马赫-曾德尔干涉结构中，经过两个臂的两路信号光程差；声光调制器使光移频f₀，n为光源在光纤中的折射率，C为光速；

设定N₁为整数倍周期，光频率f_c、移频频率f₀及光程差L₃的关系：

6.如权利要求4所述的传感方法，其特征在于，采用第二激光器作为光源时，建立光源频率、移频频率及两个干涉结构光程差的关系式的过程为：

两个干涉结构的相位差：

第二激光器光源频率记为f_c+100G，两个干涉结构相应的干涉信号光程差为L₃＝L₂-L₁，L₁和L₂分别为第一和第二马赫-曾德尔干涉结构中，经过两个臂的两路信号光程差；声光调制器使光移频f₀，n为光源在光纤中的折射率，C为光速；

设N₂为整数倍周期，则光频率f_c、移频频率f₀及光程差L₃的关系为：

取L₃＝2mm，则N₂＝N₁+1，所以光频率f_c+100G、移频频率f₀及光程差L₃的关系：