一種可實時故障監測的多路光纖液位測量系統及故障監測方法與流程
2023-10-05 21:41:24 2
本發明屬於液位測量領域，更具體地，涉及一種可實時故障監測的多路光纖液位測量系統及故障監測方法。
背景技術：
液位測量技術在工業上有廣泛且重要的應用。例如在石油化工領域，常常需要測定容器中的液位高度；在抗洪防汛方面，也需要對江河水位進行密切監測。傳統的液位傳感器主要有浮子式、電容式、電阻式、壓力式和雷達式等。隨著光纖傳感技術的發展，應用與液位測量的光纖傳感器越來越多，相比傳統液位傳感器，具有體積小、重量輕、絕緣性好、安全性好、抗電磁幹擾、耐腐蝕等優點。
常見的光纖液位傳感器主要有光纖微結構液位傳感器、光纖光柵液位傳感器、光纖法布裡-珀羅液位傳感器等。這些光纖液位傳感器受制於光纖微結構長度、光柵柵區長度、法布裡-珀羅幹涉腔長度等因素，測量範圍較小。已報導的光纖液位傳感器及液位傳感系統通常測量範圍只能達到幾十毫米，且只能對單點的液位進行測量。此外，由於光纖液位傳感器通常要浸沒在待測液體中，這些液體通常成分複雜甚至具有腐蝕性，光纖的斷裂易於發生；在複雜的光纖傳感系統中，光纖的故障排查十分耗時耗力；因此對光纖液位傳感系統進行故障監測和故障定位就顯得尤為重要。傳統的光纖液位傳感系統通常缺乏故障監測與定位功能。
技術實現要素：
針對現有技術的缺陷，本發明的目的在於提供一種可進行實時故障監測的多路光纖液位測量系統及故障監測方法，旨在解決傳統光纖液位傳感系統測量範圍小、只能進行單點液位測量，且難以對測量系統進行故障監測與定位的問題。
本發明提供了一種可實時故障監測的多路光纖液位測量系統，包括：環腔型探測光源、摻鉺光纖放大器、第一光纖耦合器、光環形器、1×N光分路器、液位傳感器和光電探測器；所述摻鉺光纖放大器的輸入端與所述環腔型探測光源的輸出端連接，所述第一光纖耦合器的輸入端與所述摻鉺光纖放大器的輸出端連接，所述環形器的第一埠與所述第一光纖耦合器的第一輸出端連接，所述環形器的第二埠與所述1×N光分路器的輸入埠連接，1×N光分路器具有多個輸出埠，分別與多個不同長度的所述光纖延時線的第一埠相連，所述光纖延時線的第二埠與液位傳感器相連；所述光電探測器的第一輸入端與所述光環形器的第三埠相連，所述光電探測器的第二輸入端與所述第一光纖耦合器的第二輸出端連接；所述數據採集處理設備的輸入端與所述光電探測器的輸出端連接。
更進一步地，所述第一光纖耦合器為90：10的光纖耦合器，所述第一光纖耦合器的第一輸出端輸出90％的光信號，所述第一光纖耦合器的第二輸出端輸出10％的光信號。
更進一步地，所述環腔型探測光源包括：半導體光放大器、光隔離器和第二光纖耦合器；所述半導體光放大器的輸出端連接所述光隔離器的輸入端，所述光隔離器的輸出端連接所述第二光纖耦合器的輸入端，所述第二光纖耦合器的第一輸出端連接半導體光放大器的輸入端，形成環腔結構，第二光纖耦合器的第二輸出端則作為環腔光源的輸出。
更進一步地，第二光纖耦合器為80：20的光纖耦合器；所述第二光纖耦合器的第一輸出端輸出20％的光信號；所述第二光纖耦合器的第二輸出端輸出80％的光信號。
更進一步地，所述液位傳感器包括：第一單模光纖、無芯光纖、第二單模光纖和光纖全反鏡；所述無芯光纖的兩端分別與所述第一單模光纖的一端和所述第二單模光纖的一端連接，所述第二單模光纖的另一端連接所述光纖全反鏡，所述第一單模光纖的另一端連接光纖延時線的第二埠；所述無芯光纖部分浸沒在待測液體中，當液位發生變化時，所述無芯光纖被浸沒的長度也隨之改變，所述無芯光纖中包層模式的洩漏也會發生變化，影響其傳輸光強。
更進一步地，所述第一單模光纖與所述無芯光纖的纖芯直徑不匹配，所述第二單模光纖與所述無芯光纖的纖芯直徑不匹配。
本發明還提供了一種基於上述的多路光纖液位測量系統的故障監測方法，包括下述步驟：
(1)探測光源輸出的光經過放大後分為兩路，一路作為參考光被光電探測器接收後獲得第一電信號，另一路作為探測光；
(2)所述探測光被1×N光分路器分為N路，並分別進入各個傳感支路；
(3)每個傳感支路的探測光經過液位傳感器後，反射光再經過光環形器被光電探測器接收後獲得第二電信號；
(4)將所述第一電信號和所述第二電信號進行相關運算後，獲得每條支路的傳感點的位置信息和液位信息；並通過傳感點的位置信息判斷該支路的光纖是否出現斷裂故障。
更進一步地，所述參考光為10％，所述探測光為90％。
更進一步地，在步驟(4)中，根據公式進行所述相關運算；其中，x(t)為參考光信號(強度隨時間變化的序列)，x(t-τ)為探測光信號(強度隨時間變化的序列)，Rx(τ)為計算後得出的相關曲線。
通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，具有以下有益效果：
(1)本發明採用基於混沌光源的相關算法進行解調，通過互相關運算得出的相關曲線中，同時包含了傳感點的位置信息和探測光強度信息，能夠實現傳感參量與傳感點位置的同時解調，因此可進行多點的同時傳感。
(2)當光纖鏈路中有斷點出現時，相關曲線中會出現一個與斷點位置對應的相關峰，因此能對光纖中出現的斷點進行實時監測與定位，由於採用的混沌光源具有光強隨機起伏的特性，定位精度可高達釐米級。
附圖說明
圖1為本發明實施例1的帶環腔反饋的探測光源示意圖。
圖2為本發明實施例1的單模-無芯-單模光纖結構的液位傳感器示意圖。
圖3為本發明實施例1的探測系統示意圖。
圖中，1為半導體光放大器，2為光隔離器，3為80：20光纖耦合器，4為第一單模光纖，5為無芯光纖，6為第二單模光纖，7為光纖全反鏡，8為探測光源，9為摻鉺光纖放大器，10為90：10光纖耦合器，11為光環形器，12為1×N光分路器，13為液位傳感器，14為光纖延時線，15為光電探測器，16為數據採集處理設備。
具體實施方式
為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。
本發明所要解決的技術問題是提供一種光纖液位測量系統，克服傳統光纖液位傳感系統測量範圍小、只能進行單點液位測量，並且難以對測量系統進行故障監測與定位的缺點。
本發明提供了一種光纖液位測量系統，該光纖液位測量系統採用相關算法作為解調方法，可同時對液位信息和位置信息進行解調，此外當光纖傳感系統中發生故障時，也可以通過相關算法解調出來。
光纖液位測量系統包括：探測光源8、摻鉺光纖放大器9、90：10光纖耦合器10、光環形器11、1×N光分路器12、液位傳感器13、光纖延時線14、光電探測器15和數據採集處理設備16。其中，探測光源8的輸出端與摻鉺光纖放大器9輸入端連接，摻鉺光纖放大器9的輸出端與90:10光纖耦合器10的輸入端連接，90：10光纖耦合器10的90％輸出端與環形器11的第一埠連接，環形器11的第二埠與1×N光分路器12的輸入埠連接，1×N光分路器12的各個輸出埠與不同長度的光纖延時線14的第一埠相連，光纖延時線14的第二埠與液位傳感器13相連，光環形器11的第三埠與光電探測器15的輸入端相連，90：10光纖耦合器10的10％輸出端直接與光電探測器15的輸入端相連，光電探測器15的輸出端與數據採集處理設備16相連。
探測光源8包括：半導體光放大器1、光隔離器2和80：20光纖耦合器3；半導體光放大器1的輸出端連接光隔離器2的輸入端，光隔離器2的輸出端連接80：20光纖耦合器3的輸入端，80：20光纖耦合器3的20％輸出端連接半導體光放大器1的輸入端，形成環腔結構，80：20光纖耦合器3的80％的輸出端則作為環腔光源的輸出。
液位傳感器13包括：第一單模光纖、無芯光纖、第二單模光纖及光纖全反鏡；無芯光纖的兩端分別與第一單模光纖和第二單模光纖連接，第二單模光纖的另一端連接光纖全反鏡。
數據採集處理設備可以採用數據採集卡進行實時的採集、處理和顯示，也可以用示波器將數據存儲下來，然後再用電腦進行離線處理。
以下結合實施例1提供的可實時故障監測的多路光纖液位測量系統，進一步闡述本發明：本發明實施例1的多路光纖液位測量系統結構如圖3，包括探測光源8、摻鉺光纖放大器9、90：10光纖耦合器10、光環形器11、1×N光分路器12、液位傳感器13、光纖延時線14、光電探測器15和數據採集處理設備16。探測光源8的輸出端與摻鉺光纖放大器9的輸入端連接，摻鉺光纖放大器9的輸出端與90：10光纖耦合器10的輸入端連接，90：10光纖耦合器10的90％輸出端與光環形器11第一埠連接，光環形器11第二埠與1×N光分路器12輸入埠連接，1×N光分路器12各輸出埠與不同長度的光纖延時線14的第一埠相連，光纖延時線14的第二埠與液位傳感器13相連，環形器11第三埠與光電探測器15輸入端相連，90：10光纖耦合器10的10％輸出端直接與光電探測器15輸入端相連，光電探測器15的輸出端與數據採集處理設備16相連。本發明實施例1的探測光源8結構如圖1，包括半導體光放大器1、光隔離器2、和80：20光纖耦合器3；半導體光放大器1的輸出端連接光隔離器2的輸入端，光隔離器2的輸出端連接80：20光纖耦合器3的輸入端，80：20光纖耦合器3的20％輸出端連接半導體光放大器1的輸入端，形成環腔結構，80％的輸出端則作為光源的輸出。本發明實施例1的液位傳感器13結構如圖2，包括第一單模光纖4、無芯光纖5、第二單模光纖6及光纖全反鏡7。無芯光纖5的兩端分別與第一單模光纖4和第二單模光纖6連接，第二單模光纖6的另一端連接光纖全反鏡7。
下面結合實施例1對可實時故障監測的多路光纖液位測量系統的工作原理進行闡述。
在探測光源8中，半導體光放大器1的輸出光經過光隔離器2，保證了光在環腔中傳輸的單向性。此輸出光被80：20光纖耦合器3分為強度比為80：20的兩部分，其中20％的光在環腔中循環後，作為反饋重新輸入半導體光放大器1中，80％的光則作為環腔光源的輸出光。由於部分光反饋帶來的擾動，輸出光呈現出動態不穩定特性，即光強隨機起伏，為連續非周期信號。
在液位傳感器13中，由於第一單模光纖4及第二單模光纖6與無芯光纖5的纖芯直徑不匹配，會在無芯光纖5中激發包層模式，無芯光纖5部分浸沒在待測液體中，當液位發生變化時，無芯光纖5被浸沒的長度改變，無芯光纖5中包層模式的洩漏也會發生變化，影響其傳輸光強；無芯光纖5的長度即為液位傳感範圍，可達十幾釐米。光纖全反鏡7則將通過光纖微結構的探測光反射回去，便於進一步的接收和處理。因此當傳感點的液位發生變化時，該支路的探測光反射強度發生變化。
探測光源8的輸出光經過摻鉺光纖放大器9放大後，被90：10光纖耦合器10分為強度比為90：10的兩部分，其中10％的光作為參考光直接被光電探測器15接收。90％的光則作為探測光，通過光環形器11後，被1×N光分路器12分為N路，進入各傳感支路。每個傳感支路的末端接有液位傳感器13，液位高度的變化會影響探測光強度，探測光經過液位傳感器13後，其反射光再經過光環形器11被光電探測器15接收。參考光和探測光分別被光電探測器15轉化為電信號，輸入數據採集處理設備16，經過相關運算後，得到的相關曲線可同時反映傳感點的位置信息和液位信息。每條支路接有不同長度的光纖延時線14，因此傳感點的位置各不相同，可通過傳感點的位置信息區分不同的支路；當某一支路的光纖出現斷裂時，在相關曲線上也會反映出斷點的位置信息，因此可便捷地進行傳感網絡的健康監測。
相關運算的基本原理為：探測光的輸出光為連續非周期信號，具有寬頻譜特性，其自相關函數具有單一、尖銳的峰，類似衝激函數(δ函數)。信號x(t)與其時移副本x(t-τ)的相關函數的一般形式：相關函數可體現兩信號之間的時延差τ及信號的強度。
本發明中，探測光源8的輸出光被分為參考信號和探測信號兩路，參考信號直接被光電探測器15接收，相當於無時移的信號x(t)。探測信號則進入多支路液位傳感網絡中，經液位傳感器13末端的光纖全反鏡7或光纖斷點反射後傳回。由於各支路接有不同長度的光纖延時線14，探測光在每條支路傳輸的時間不一樣，因此探測信號相比參考信號，為一系列與參考信號具有相同時域波形和不同時延的信號x(t-τ1)，x(t-τ2)，x(t-τ3)，……的疊加，因此進行相關運算後，由於探測光與參考光之間的時延決定了相關峰的位置，各傳感點對應的相關峰的位置也各不相同，不會重疊，相關曲線中出現多個相關峰，與各支路一一對應，相關峰的位置定量地反映了各支路探測信號相對參考信號的時延。將每個支路信號的時延按照光纖中的光速換算為距離，就可以確定各支路傳感點的位置。當傳感點的液位發生變化時，該支路的探測光強度發生變化，對應相關峰的強度也發生相應變化，通過觀測特定相關峰就可以解調出特定傳感點的液位高度。故障監測的原理：故障監測實際上與傳感過程是同時進行。具體監測方法是：對探測光與參考光做了相關運算之後，正常情況下(即沒有光纖斷點出現)，相關曲線上會有N個互不重疊的相關峰，與N個傳感點一一對應；如果某一條支路出現了光纖斷點，那麼該支路原有的相關峰就會消失，而在斷點對應的位置處就會出現一個新的相關峰，這樣就可以同時知道是哪一條支路出現了斷點，以及斷點的具體位置。由於混沌光源的相關峰很窄，因此解析度較高，可以達到釐米級。該故障監測的優點在於：(1)可以實時故障監測，不需要額外的操作；(2)定位精度高。本發明具有以下優點：液位測量範圍較大，實現了多路液位傳感並具有液位傳感系統的實時故障監測與定位功能。
最後所應說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本發明的權利要求範圍當中。