CN113959490B - 一种基于光纤光栅的水位及水温监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的水位及水温监测系统。一种基于光纤光栅的水位及水温监测系统，包括光纤光栅测量装置、解调装置；所述光纤光栅测量装置主要由形变单元、一个以上传感单元组成；所述传感单元包括第一传感光栅和第二传感光栅，两个传感光栅串联在光纤上；传感单元与形变单元连接，所述形变单元发生形变时引起第一传感光栅的中心波长发生变化；所述光纤光栅测量装置通过光纤连接解调装置。本发明的系统，根据不同水位处水压不同的原理，将水压转化为施加到FBG上的应力来检测水位，具有体积小、测量水位范围大、灵敏度高、可实现水下管道内作业等优势。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤光栅的水位及水温监测系统。
背景技术
中国水之源总量居世界第六位，人均水资源占有量仅为世界人均占有量的四分之一，可见中国的水资源较为匮乏，因此合理的利用和处理水资源已成为我国现面临的一个非常重要的问题；此外在遇到洪水、台风等异常天气状况下，很容易造成江堤决口、大水冲毁堤坝等恶性事故，由此给国家和人民生命财产带来巨大的损失，因此对水库水位进行准确有效的检测是十分重要的。另一方面，若能够监测水库水温，这也能够对水资源的利用起到很好的指导作用，比如当水温较低时可以用来作为某些工厂的冷却用水，温度适宜时可以用来灌溉农田等等。总之，水库的水温以及水位的检测对于预防事故的发生以及水资源的合理有效利用有着重要的意义。但目前对于水库内的水位及水温的测量装置一般都是电子传感器，很大程度上制约了其对水位的测量精度、测量准确性以及设备的使用寿命。且目前很多水库内存在较多的管道，很多水库需要对管道内的水位进行测量，此时大部分的水位传感器因为体积较大无法伸入管道进行测量作业。
光纤光栅传感技术自上世纪70年代问世以来飞速发展，尤其是近年来光纤光栅传感技术的研究和应用日趋成熟，科研人员研制出了多种基于光纤光栅的传感器，可以用于测量温度、压力、应变、振动、超声波等物理量。基于光纤光栅技术的传感器不受电磁干扰、灵敏度高、重量轻、易于埋入工程结构中等特点在传感领域备受关注并得到了广泛的应用，目前已成为了传感技术发展的主流方向之一。
随着光纤光栅传感技术的蓬勃发展，基于光纤传感技术的水位或水温的监测系统也相继问世，但目前大部分光纤光栅水位传感器都是设置在岸边，只有部分探测装置浸入水中，灵敏度较低且成本较高。针对于水库内较长的管道而言不能在空间狭小的管道内作业，更无法在较深的水位完成测量工作。因此目前需要一种能够工作在水库管道内的传感器来开展水位监测工作。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的问题，提供一种基于光纤光栅的水位及水温监测系统，通过对水压的测量进而测量水位的方式进行水位监控，该监测系统体积小，能够在水库管道的狭窄空间内工作。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于光纤光栅的水位及水温监测系统，包括光纤光栅测量装置、解调装置；所述光纤光栅测量装置主要由形变单元、一个以上传感单元组成；所述传感单元包括第一传感光栅和第二传感光栅，两个传感光栅串联在光纤上；传感单元与形变单元连接，所述形变单元发生形变时引起第一传感光栅的中心波长发生变化；所述光纤光栅测量装置连接解调装置。
作为本发明的一种优选方式，所述的形变单元包括中心轴、套在所述中心轴上的弹性单元及活动盘；所述中心轴的下端设有底座；所述弹性单元的一端与中心轴的底座固定连接，另一端连接活动盘；所述活动盘设有若干连接杆，所述连接杆的下端连接活塞；所述活塞受挤压时，通过所述连接杆带动活动盘沿轴向上移动，引起所述弹性单元发生拉伸形变。
进一步优选地，所述光纤的一端通过光纤夹持装置与所述中心轴的底座固定连接，另一端通过光纤夹持装置与所述活动盘连接 ；所述第一传感光栅位于两个光纤夹持装置之间。
进一步地优选地，所述中心轴设有限位板，所述限位板的外径大于所述活动盘的内径，用于限制所述活动盘的移动幅度。
进一步地优选地，所述解调装置为匹配光栅解调装置或可调谐光纤Fabry-Perot滤波解调装置。
进一步优选地，还包括外壳，所述外壳为圆柱形，其底部设有进水口，所述进水口与所述活塞的活塞筒连通。
本发明提供的基于光纤光栅的水位及水温监测系统，采用光纤光栅传感技术，与现有的电传感器相比具有以下有益效果：
（1）耐腐蚀、抗电磁辐射、重量轻、传输速度快、不受水中的溶物质以及杂质的影响；
（2）与现有的同样基于光纤光栅的传感器相比，本发明的系统，根据不同水位处水压不同的原理，将水压转化为施加到FBG上的应力来检测水位，具有体积小、测量水位范围大、灵敏度高、可实现水下管道内作业等优势。
附图说明
图1为本发明实施例中基于光纤光栅的水位及水温监测系统的结构透视图；
图2为本发明实施例中光纤光栅测量装置的俯视图；
图3为图1中形变单元的结构示意图；
图4为实施例1中匹配光栅解调装置的结构图；
图5为实施例2中F-P可调谐滤波解调装置的结构图；
图6为本发明中光纤光栅的结构示意图；
图中：1.解调装置；2. FC-APC光纤连接头；3.顶盖；4. 固定杆；5. 限位板；6.活动盘；7.外壳；8.弹簧套管；9中心轴；10底座；11.活塞筒；12.法兰；13.底盖；14. 第一光纤夹持装置；15. 光纤Ⅰ；16. 第一传感光栅；17. 第二光纤夹持装置；18. 第二传感光栅；19.光纤Ⅱ；20.连接杆；21. 进水口；22. 橡胶活塞；27.宽谱光源；28.第一光电探测器；29.第二光电探测器；30.信号发生器；31.1×3光纤耦合器；32.1×2光纤耦合器；33.第一参考光栅；34.第一压电陶瓷；35.第二参考光栅；36.第二压电陶瓷；38.1×2光纤耦合器；39.可调谐FFP滤波器；40.光电探测器；41.反馈装置；42.驱动装置；43.宽谱光源；45.石英包层；44.石英纤芯。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
实施例1 图1为本实施例提供的基于光纤光栅的水位及温度监测系统的整体结构透视图，如图所示，该系统包括解调装置1，与解调装置通过光纤连接的光纤光栅测量装置，其中，如图1和图2所示， 光纤光栅测量装置包括外壳7、设置在外壳7内部的传感单元和形变单元。外壳7呈圆柱形，外壳7的底盖13设有进水口21。
其中，传感单元包括第一传感光栅16、第二传感光栅18、光纤Ⅰ15；第一传感光栅16、第二传感光栅18通过光纤熔接技术连接在光纤Ⅰ15上。本实施例中，第一传感光栅16、第二传感光栅18是两个反射中心波长不同的光纤布拉格光栅。
形变单元包括活动盘6、弹簧套管8、中心轴9、第一光纤夹持装置14、第二光纤夹持装置17、连接杆20和橡胶活塞22。弹簧套管8套在中心轴9的外部，弹簧套管8的下端固定在中心轴9的底座10上，弹簧套管8的上端与活动盘6固定连接，活动盘6为中间有孔的圆盘，套在中心轴9上，并可沿轴上下自由移动。
在活动盘上固定有至少两根平行于中心轴的连接杆20，本实施例中连接杆的数量优选为4根。连接杆20的下端穿过中心轴的底座10上预留的通孔，与橡胶活塞22连接，在橡胶活塞22的外部设有活塞筒11。活塞筒11上部通过法兰与中心轴9的底座10固定在一起，活塞筒11下部通过法兰12与外壳7的底盖13固定，并与底盖13上的进水口21相通。
如图1和2所示，本实施例中有4组传感单元，沿平行于中心轴9的方向，分别通过第一光纤夹持装置14、第二光纤夹持装置17固定在形变单元上。其中，光纤Ⅰ15下端的第一光纤夹持装置14通过连接杆固定在中心轴9的底座10上，光纤Ⅰ15上端的第二光纤夹持装置17通过连接杆固定在活动盘6上。第一传感光栅16位于第一光纤夹持装置14和第二光纤夹持装置17之间的光纤Ⅰ15上，第二传感光栅18位于第二光纤夹持装置17上方的光纤Ⅰ15上。
本实施例中，当橡胶活塞22向内挤压时，带动连接杆20向上移动，进而带动活动盘6沿中心轴9向上移动，由于弹簧套筒8下端固定，上端与活动盘6连接，因此，弹簧套筒8在活动盘6的带动下拉伸形变，光纤Ⅰ15也被拉伸，发生轻微形变。此外，为了防止光纤过度拉伸以至于断裂，需要限制活动盘6向上移动的幅度，在中心轴9的上端设有限位板5，限位板5的外径略大于活动盘的内径，使得活动盘6在沿中心轴向上移动过程中不会因为移动幅度过大，导致光纤过度拉伸以至于断裂。本实施例中，限位板5通过固定杆4固定在外壳7的内壁上。在其他一些实施例中，限位板5也可以直接固定在中心轴9的上端，从而省略固定杆4的使用。
本实施例中，被光纤夹持装置夹持的那段光纤由于夹持紧密，与光纤夹持装置之间不会发生相对滑动，因此，两个光纤夹持装置之间的光纤长度一定，当受到拉伸力时，会发生轻微形变。
4组传感单元上端的光纤合束后穿过外壳7的顶盖3上的通孔，通过FC-APC光纤接头2与光纤Ⅱ19连接，光纤Ⅱ19又通过FC-APC光纤接头与解调装置1连接。
在本实施例中，为了满足工作环境所需的配重及耐腐蚀的要求，光纤光栅测量装置中，除橡胶活塞22外，其他结构部件均采用不锈钢金属材质加工而成。需要说明的是，只要能够满足配重条件，其他结构部件也可以采用其他耐腐蚀的材料。
本实施例中，利用高效率且低成本的匹配光栅解调装置对光信号进行解调。
匹配光栅解调装置的结构如图4所示，包括宽谱光源27、第一光电探测器28、第二光电探测器29、信号发生器30、1×3光纤耦合器31、两个1×2光纤耦合器32等。
其中，在匹配光栅解调装置中设置第一参考光栅33与第二参考光栅35两个参考光栅，其光栅常数分别与第一传感光栅16、第二传感光栅 18的光栅常数相同。
第一参考光栅33与第二参考光栅35分别贴于第一压电陶瓷34、第二压电陶瓷36上，且两个压电陶瓷分别通过导线与扫描电压的信号发生器30连接。
第一光电探测器28通过光纤与第一参考光栅33连接；第二光电探测器29通过光纤与第二参考光栅35连接。第一光电探测器28、第二光电探测器29分别通过射频线与信号发生器30连接。
与第一参考光栅33、第二参考光栅35、及宽幅光源27连接的光纤经1×3光纤耦合器31耦合后通过FC-APC光纤接头与光纤Ⅱ19连接。第一参考光栅33、第二参考光栅35均通过1×2光纤耦合器32进行两束光纤的耦合。
当第一传感光栅16、第二传感光栅18处于自由状态时，第一参考光栅33与第二参考光栅35的发射光最强，第一光电探测器28、第二光电探测器29的输出信号幅值最高。此时控制信号发生器30使之固定输出零电平，当第一传感光栅16、第二传感光栅18因温度与应力变化而产生反射波长λ B 位移时，第一参考光栅33与第二参考光栅35的反射光强下降，信号发生器30工作，使第一参考光栅33与第二参考光栅35的反射光功率重新达到原有最大值，将此时扫描的电压值与测量的物理量对应标定，即可对外界的物理量进行监测。
实施例2 本实施例中，系统主要结构如图1所示，其中，光纤光栅测量装置的结构与实施例1完全相同，所不同的是，本实施例中的解调装置采用F-P可调谐滤波解调装置对光信号进行解调。
F-P可调谐滤波解调装置的结构如图5中所示，包括1×2光纤耦合器38、可调谐FFP滤波器39、光电探测器40、反馈装置41、驱动装置42、宽谱光源43。图中各部件之间的实线连接线都为光纤，所连接的部件都是通过FC-APC光纤接头和法兰盘进行连接；图中所有的虚线连接线除光电探测器40与反馈装置41之间为射频线外都为导线，所连接的部件之间都是通过导线连接。
可调谐光纤FFP滤波器39的带通响应为Lorentz谱线形状。从第一传感光栅16、第二传感光栅18反射回的光经1×2光纤耦合器38之后进入可调谐FFP滤波器39，滤波之后的光由光电探测器40探测并将相应的电压幅值传入反馈装置41，反馈装置41根据接收的电压幅值的大小通过驱动装置42调节可调谐FFP滤波器39的中心波长，该调节操作是通过驱动压电陶瓷来调节可调谐FFP滤波器39的谐振镜的间距，即改变Fabry-Perot的腔长，从而实现可调谐FFP滤波器39的波长调谐。当第一传感光栅16、第二传感光栅18处于自然状态时调节可调谐FFP滤波器39使得光电探测器40功率最大，然后将第一传感光栅16、第二传感光栅18放在测量环境中之后在对可调谐FFP滤波器39进行调节使得光电探测器40探测功率再次达到最大值，将此时可调谐FFP滤波器39的调节数据与测量的物理量对应标定，即可对外界的物理量进行监测。
采用本发明的基于光纤光栅传感器的水位及水温监测系统进行管道内的水位与水温测量时，需将光纤光栅测量装置部分放入水库的管道内，然后铺设光纤，将其与解调装置连接，启动解调装置电源即可进行远程水库管道内水位及水温的实时监测。铺设光纤时为保证监测系统的稳定性与安全性，尽量使用铠装光纤或光缆来传输光信号。
当该光纤光栅测量装置放入水中后，在水的压力作用下，橡胶活塞22被向内挤压，连接橡胶活塞22与弹簧套管8上端活动盘6的金属杆20向上运动，此时活动盘6也会向上运动，又因为弹簧套管8下端与中心轴9的底座10固定，不会发生移动，因此弹簧套管8被拉伸，第一光纤夹持装置14和第二光纤夹持装置17之间的光纤发生轻微形变，带动与其绑定的第一传感光栅16发生形变，折射率变化的周期改变导致第一传感光栅16的反射光中心波长λ B1 发生移动。温度变化同样能够使得第一传感光栅16的反射光中心波长λ B1 移动，因此第一传感光栅16的反射光中心波长λ B1 受应力与温度的同时操控。由于第二传感光栅18位于第二光纤夹持装置17上方的光纤Ⅰ15，该段光纤的另一端为自由端，不受弹簧套管8形变的影响，因此不受拉伸的第二传感光栅18的反射光中心波长λ B2 只因温度改变，用于温度测量，同时能够对第一传感光栅16的水位测量进行温度补偿。根据第一传感光栅16经温度补偿后的反射波长的平移大小来测量应力的大小，第一传感光栅16监测到的应力与弹簧套管 8受到的拉伸力相对应，通过弹簧套管 8受到的压力与水位的换算可得对应的水位值。
本发明的上述实施例中，水位及温度监测系统的测量关键技术为利用两个光纤布拉格光栅（FBG）实现水位与水温的同步监测。
图6为光纤布拉格光栅的结构，光纤光栅为一段具有特殊结构的光纤，从图中可看出，该光纤段由石英包层 45和石英纤芯 44构成，石英纤芯45中的折射率呈周期性分布。光纤光栅的制成主要是利用了光纤材料的光敏性，通过紫外光曝光的方法将入射光相干场图样写入石英纤芯 44，在石英纤芯 44内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成了折射率分布周期为Λ的永久性空间周期性分布的相位光栅，其作用实质上是在石英纤芯44内形成一个窄带宽的反射滤波器，当一束宽谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将被反射，其余的波长透过光纤光栅继续沿原方向传输。
已知光纤光栅的布拉格条件与其折射率空间分布的周期大小相关，具体的关系可由式（1）表示：
其中，Λ为光纤光栅的折射率空间分布周期，n eff 为光纤光栅纤芯的有效折射率。
当外界的某些物理量发生变化时，有可能会影响到光纤光栅内的有效折射率的空间分布，即影响其折射率分布周期的大小，这样就会导致其反射光的中心波长发生变化。一般影响光纤光栅反射光中心波长的物理量为应变和温度，反射光中心波长的变化量与外界物理量的关系可由式（2）来表示：
其中，等式右侧的第一项代表施加在光纤光栅上的应力，其中P e =(n 2 neff /2)[P 11-ν(P 11+P 12)]是有效的弹光常数，ν为泊松比，P 11、P 12为弹光张量的分量，等式右侧的第二项代表光纤光栅的温度响应，其中ɑ n =(1/n eff )(
n eff /
T), ɑ Λ=(1/Λ)(
Λ/
T)分别为热光系数和热膨胀系数。
从式（2）中可以看出，光纤光栅的中心波长的变化量与外界施加的应力与温度的变化量相关。然而，在实际应用中，对于同一个光纤光栅的波长变化，很难判断究竟是因为外界施加了应力还是温度发生了变化还是二者都存在而产生的，基于此，本发明在测量装置中设置了两个光纤光栅，分别为第一传感光栅16和第二传感光栅18，其中第一传感光栅16的反射波长的变化量与应力和温度变化量都有关，而第二传感光栅18的反射波长的变化量仅与周围环境的温度变化有关，因此该第二传感光栅18可以用来对第一传感光栅16进行温度补偿，以得出外界施加应力的大小。经过公式的推导，可以得到式（3）、（4），能够得出反射光中心波长的变化量分别与应力和温度变化量的关系：
其中，λ B1 为第一传感光栅的反射光中心波长；λ B2 为第二传感光栅的反射光中心波长。
将式（4）带入式（3）中便可消除第一传感光栅中温度变化对于反射光中心波长变化的影响。
当在水位及水温测量装置的底部施加压力时，会产生沿着弹簧管轴向的力，使得弹簧管被轴向拉伸。根据泊松原理，轴向的压力将会产生纵向的拉伸力，随着测量装置所处水深的增加压力逐渐增大，与此同时弹簧管的拉伸形变也会增加，这也会使得第一传感光栅产生形变，因此可以通过监测第一传感光栅的反射波长的变化来监测水位的变化。
对于水位测量装置的浮力，由于该测量装置的封装主要为圆柱形，因此整个测量装置所受到的浮力会随着装置浸入水中的深度的改变而改变，所以测量装置的浮力可表示为：
其中ρ为水的密度，g为重力加速度，A为传感器封装的横截面积，κ为弹簧套管的弹性常数，Δx为弹簧套管或光纤的长度变化，Δh为传感装置浸入水的深度。
光纤承受的纵向的应变为ε=Δx/x，其中x是固定在两个光纤夹持装置之间的光纤长度，光纤的长度x和长度变化量Δx与弹簧套管的一致，因此光纤所承受的应变为：
因此，将式（3）、（4）、（6）联立，可得水深：
从式（7）可得，水深与FBG（第一传感光栅）的波长变化量呈线性关系。
本发明提供的基于光纤光栅的水位及水温监测系统，通过光纤光栅对水位及温度的响应与解调装置相结合，可实现远距离实时的水库管道内的水位及水温监测。
Claims (2)
1.一种基于光纤光栅的水位及水温监测系统，其特征在于：包括光纤光栅测量装置、解调装置；所述光纤光栅测量装置主要由形变单元、一个以上传感单元和外壳组成；外壳呈圆柱形，外壳的底盖设有进水口；形变单元、传感单元设置在外壳内部；所述传感单元包括第一传感光栅、第二传感光栅和光纤，第一传感光栅、第二传感光栅串联连接在光纤上；形变单元包括活动盘、弹簧套管、中心轴、第一光纤夹持装置、第二光纤夹持装置、连接杆和橡胶活塞；弹簧套管套在中心轴的外部，中心轴下端设置有底座；弹簧套管的下端固定在中心轴的底座上，弹簧套管的上端与活动盘固定连接；活动盘为中心有孔的圆盘，套在中心轴上并可沿轴上下自由移动；所述中心轴设有限位板，所述限位板的外径大于所述活动盘的内径，用于限制所述活动盘的移动幅度；光纤下端通过第一光纤夹持装置固定在中心轴的底座上，光纤上端通过第二光纤夹持装置固定在活动盘上；第一传感光栅位于第一光纤夹持装置和第二光纤夹持装置之间的光纤上；第二传感光栅位于第二光纤夹持装置上方的光纤上，该段光纤的另一端为自由端；所述活动盘设有若干连接杆，所述连接杆沿平行于中心轴的方向固定于活动盘上，连接杆的下端穿过中心轴的底座上预留的通孔，与橡胶活塞连接；橡胶活塞的活塞筒与外壳的进水口连通；橡胶活塞受挤压时，通过所述连接杆带动活动盘沿轴向上移动，引起所述弹簧套管发生拉伸形变，进而引起第一传感光栅的中心波长发生变化；第二传感光栅不受弹簧套管形变的影响，因此不受拉伸的第二传感光栅的中心波长只因温度改变，用于温度测量，同时能够对第一传感光栅的水位测量进行温度补偿。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的水位及水温监测系统，其特征在于：所述的解调装置为匹配光栅解调装置或可调谐光纤Fabry-Perot滤波解调装置。
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