本發(fā)明屬于液位測量領(lǐng)域，更具體地，涉及一種可實時故障監(jiān)測的多路光纖液位測量系統(tǒng)及故障監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

液位測量技術(shù)在工業(yè)上有廣泛且重要的應(yīng)用。例如在石油化工領(lǐng)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(jiān)測。傳統(tǒng)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(shù)的發(fā)展，應(yīng)用與液位測量的光纖傳感器越來越多，相比傳統(tǒng)液位傳感器，具有體積小、重量輕、絕緣性好、安全性好、抗電磁干擾、耐腐蝕等優(yōu)點。

常見的光纖液位傳感器主要有光纖微結(jié)構(gòu)液位傳感器、光纖光柵液位傳感器、光纖法布里-珀羅液位傳感器等。這些光纖液位傳感器受制于光纖微結(jié)構(gòu)長度、光柵柵區(qū)長度、法布里-珀羅干涉腔長度等因素，測量范圍較小。已報道的光纖液位傳感器及液位傳感系統(tǒng)通常測量范圍只能達到幾十毫米，且只能對單點的液位進行測量。此外，由于光纖液位傳感器通常要浸沒在待測液體中，這些液體通常成分復(fù)雜甚至具有腐蝕性，光纖的斷裂易于發(fā)生；在復(fù)雜的光纖傳感系統(tǒng)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(tǒng)進行故障監(jiān)測和故障定位就顯得尤為重要。傳統(tǒng)的光纖液位傳感系統(tǒng)通常缺乏故障監(jiān)測與定位功能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種可進行實時故障監(jiān)測的多路光纖液位測量系統(tǒng)及故障監(jiān)測方法，旨在解決傳統(tǒng)光纖液位傳感系統(tǒng)測量范圍小、只能進行單點液位測量，且難以對測量系統(tǒng)進行故障監(jiān)測與定位的問題。

本發(fā)明提供了一種可實時故障監(jiān)測的多路光纖液位測量系統(tǒng)，包括：環(huán)腔型探測光源、摻鉺光纖放大器、第一光纖耦合器、光環(huán)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(huán)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(huán)形器的第一端口與所述第一光纖耦合器的第一輸出端連接，所述環(huán)形器的第二端口與所述1×N光分路器的輸入端口連接，1×N光分路器具有多個輸出端口，分別與多個不同長度的所述光纖延時線的第一端口相連，所述光纖延時線的第二端口與液位傳感器相連；所述光電探測器的第一輸入端與所述光環(huán)形器的第三端口相連，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(shù)據(jù)采集處理設(shè)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(huán)腔型探測光源包括：半導(dǎo)體光放大器、光隔離器和第二光纖耦合器；所述半導(dǎo)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(dǎo)體光放大器的輸入端，形成環(huán)腔結(jié)構(gòu)，第二光纖耦合器的第二輸出端則作為環(huán)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端口；所述無芯光纖部分浸沒在待測液體中，當(dāng)液位發(fā)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泄漏也會發(fā)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(fā)明還提供了一種基于上述的多路光纖液位測量系統(tǒng)的故障監(jiān)測方法，包括下述步驟：

(1)探測光源輸出的光經(jīng)過放大后分為兩路，一路作為參考光被光電探測器接收后獲得第一電信號，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，并分別進入各個傳感支路；

(3)每個傳感支路的探測光經(jīng)過液位傳感器后，反射光再經(jīng)過光環(huán)形器被光電探測器接收后獲得第二電信號；

(4)將所述第一電信號和所述第二電信號進行相關(guān)運算后，獲得每條支路的傳感點的位置信息和液位信息；并通過傳感點的位置信息判斷該支路的光纖是否出現(xiàn)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(jù)公式進行所述相關(guān)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)，R_x(τ)為計算后得出的相關(guān)曲線。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

(1)本發(fā)明采用基于混沌光源的相關(guān)算法進行解調(diào)，通過互相關(guān)運算得出的相關(guān)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?qū)崿F(xiàn)傳感參量與傳感點位置的同時解調(diào)，因此可進行多點的同時傳感。

(2)當(dāng)光纖鏈路中有斷點出現(xiàn)時，相關(guān)曲線中會出現(xiàn)一個與斷點位置對應(yīng)的相關(guān)峰，因此能對光纖中出現(xiàn)的斷點進行實時監(jiān)測與定位，由于采用的混沌光源具有光強隨機起伏的特性，定位精度可高達厘米級。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例1的帶環(huán)腔反饋的探測光源示意圖。

圖2為本發(fā)明實施例1的單模-無芯-單模光纖結(jié)構(gòu)的液位傳感器示意圖。

圖3為本發(fā)明實施例1的探測系統(tǒng)示意圖。

圖中，1為半導(dǎo)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(huán)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(shù)據(jù)采集處理設(shè)備。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種光纖液位測量系統(tǒng)，克服傳統(tǒng)光纖液位傳感系統(tǒng)測量范圍小、只能進行單點液位測量，并且難以對測量系統(tǒng)進行故障監(jiān)測與定位的缺點。

本發(fā)明提供了一種光纖液位測量系統(tǒng)，該光纖液位測量系統(tǒng)采用相關(guān)算法作為解調(diào)方法，可同時對液位信息和位置信息進行解調(diào)，此外當(dāng)光纖傳感系統(tǒng)中發(fā)生故障時，也可以通過相關(guān)算法解調(diào)出來。

光纖液位測量系統(tǒng)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(huán)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(shù)據(jù)采集處理設(shè)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(huán)形器11的第一端口連接，環(huán)形器11的第二端口與1×N光分路器12的輸入端口連接，1×N光分路器12的各個輸出端口與不同長度的光纖延時線14的第一端口相連，光纖延時線14的第二端口與液位傳感器13相連，光環(huán)形器11的第三端口與光電探測器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(shù)據(jù)采集處理設(shè)備16相連。

探測光源8包括：半導(dǎo)體光放大器1、光隔離器2和80：20光纖耦合器3；半導(dǎo)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(dǎo)體光放大器1的輸入端，形成環(huán)腔結(jié)構(gòu)，80：20光纖耦合器3的80％的輸出端則作為環(huán)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(shù)據(jù)采集處理設(shè)備可以采用數(shù)據(jù)采集卡進行實時的采集、處理和顯示，也可以用示波器將數(shù)據(jù)存儲下來，然后再用電腦進行離線處理。

以下結(jié)合實施例1提供的可實時故障監(jiān)測的多路光纖液位測量系統(tǒng)，進一步闡述本發(fā)明：本發(fā)明實施例1的多路光纖液位測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(huán)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(shù)據(jù)采集處理設(shè)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(huán)形器11第一端口連接，光環(huán)形器11第二端口與1×N光分路器12輸入端口連接，1×N光分路器12各輸出端口與不同長度的光纖延時線14的第一端口相連，光纖延時線14的第二端口與液位傳感器13相連，環(huán)形器11第三端口與光電探測器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(shù)據(jù)采集處理設(shè)備16相連。本發(fā)明實施例1的探測光源8結(jié)構(gòu)如圖1，包括半導(dǎo)體光放大器1、光隔離器2、和80：20光纖耦合器3；半導(dǎo)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(dǎo)體光放大器1的輸入端，形成環(huán)腔結(jié)構(gòu)，80％的輸出端則作為光源的輸出。本發(fā)明實施例1的液位傳感器13結(jié)構(gòu)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(jié)合實施例1對可實時故障監(jiān)測的多路光纖液位測量系統(tǒng)的工作原理進行闡述。

在探測光源8中，半導(dǎo)體光放大器1的輸出光經(jīng)過光隔離器2，保證了光在環(huán)腔中傳輸?shù)膯蜗蛐?。此輸出光?0：20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(huán)腔中循環(huán)后，作為反饋重新輸入半導(dǎo)體光放大器1中，80％的光則作為環(huán)腔光源的輸出光。由于部分光反饋帶來的擾動，輸出光呈現(xiàn)出動態(tài)不穩(wěn)定特性，即光強隨機起伏，為連續(xù)非周期信號。

在液位傳感器13中，由于第一單模光纖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(fā)包層模式，無芯光纖5部分浸沒在待測液體中，當(dāng)液位發(fā)生變化時，無芯光纖5被浸沒的長度改變，無芯光纖5中包層模式的泄漏也會發(fā)生變化，影響其傳輸光強；無芯光纖5的長度即為液位傳感范圍，可達十幾厘米。光纖全反鏡7則將通過光纖微結(jié)構(gòu)的探測光反射回去，便于進一步的接收和處理。因此當(dāng)傳感點的液位發(fā)生變化時，該支路的探測光反射強度發(fā)生變化。

探測光源8的輸出光經(jīng)過摻鉺光纖放大器9放大后，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(huán)形器11后，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(jīng)過液位傳感器13后，其反射光再經(jīng)過光環(huán)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(zhuǎn)化為電信號，輸入數(shù)據(jù)采集處理設(shè)備16，經(jīng)過相關(guān)運算后，得到的相關(guān)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(qū)分不同的支路；當(dāng)某一支路的光纖出現(xiàn)斷裂時，在相關(guān)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(wǎng)絡(luò)的健康監(jiān)測。

相關(guān)運算的基本原理為：探測光的輸出光為連續(xù)非周期信號，具有寬頻譜特性，其自相關(guān)函數(shù)具有單一、尖銳的峰，類似沖激函數(shù)(δ函數(shù))。信號x(t)與其時移副本x(t-τ)的相關(guān)函數(shù)的一般形式：相關(guān)函數(shù)可體現(xiàn)兩信號之間的時延差τ及信號的強度。

本發(fā)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(dāng)于無時移的信號x(t)。探測信號則進入多支路液位傳感網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)液位傳感器13末端的光纖全反鏡7或光纖斷點反射后傳回。由于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?shù)臅r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(guān)運算后，由于探測光與參考光之間的時延決定了相關(guān)峰的位置，各傳感點對應(yīng)的相關(guān)峰的位置也各不相同，不會重疊，相關(guān)曲線中出現(xiàn)多個相關(guān)峰，與各支路一一對應(yīng)，相關(guān)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(dāng)傳感點的液位發(fā)生變化時，該支路的探測光強度發(fā)生變化，對應(yīng)相關(guān)峰的強度也發(fā)生相應(yīng)變化，通過觀測特定相關(guān)峰就可以解調(diào)出特定傳感點的液位高度。故障監(jiān)測的原理：故障監(jiān)測實際上與傳感過程是同時進行。具體監(jiān)測方法是：對探測光與參考光做了相關(guān)運算之后，正常情況下(即沒有光纖斷點出現(xiàn))，相關(guān)曲線上會有N個互不重疊的相關(guān)峰，與N個傳感點一一對應(yīng)；如果某一條支路出現(xiàn)了光纖斷點，那么該支路原有的相關(guān)峰就會消失，而在斷點對應(yīng)的位置處就會出現(xiàn)一個新的相關(guān)峰，這樣就可以同時知道是哪一條支路出現(xiàn)了斷點，以及斷點的具體位置。由于混沌光源的相關(guān)峰很窄，因此分辨率較高，可以達到厘米級。該故障監(jiān)測的優(yōu)點在于：(1)可以實時故障監(jiān)測，不需要額外的操作；(2)定位精度高。本發(fā)明具有以下優(yōu)點：液位測量范圍較大，實現(xiàn)了多路液位傳感并具有液位傳感系統(tǒng)的實時故障監(jiān)測與定位功能。

最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。