本發(fā)明涉及一種液位測量裝置及方法，具體涉及一種光纖液位測量裝置及方法，屬于光學技術領域。

背景技術：

液位的測量在工業(yè)生產(chǎn)、石油儲運以及制造業(yè)等領域有著廣泛的應用，是保證設備安全運行的一個重要手段。目前，基于機械和電氣技術的液位傳感器已被廣泛采用，在實際應用中已經(jīng)證明了其可靠性，然而這類傳感器不能滿足在苛刻(導電，爆炸性或腐蝕性)環(huán)境中對于液位測量的要求。光纖傳感器作為一種光學傳感器件可以解決上述問題，具有抗電磁干擾、高耐腐蝕性和高靈敏度等特性。

早期人們提出了一些光纖液位傳感器，如布拉格光纖光柵、長周期光纖光柵和傾斜布拉格光纖光柵，然而由于其制造工藝要求高、設備復雜、測量范圍小，導致應用受到限制。近年來，研究人員使用無芯光纖與單模光纖拼接的結構，研制出了利用模間干涉測量液位的光纖傳感器，但其測量范圍不高且無芯光纖易斷；此外，使用一小段氫氟酸蝕刻的熊貓型保偏光纖，將其兩端分別與單模光纖熔接，利用馬赫-曾德干涉儀的原理制成液位傳感器，但光纖的錯位熔接操作復雜，并且熔接的保偏光纖長度不能夠太長，導致了測量液位的范圍很小。

此外，針對傳統(tǒng)光纖傳感系統(tǒng)空間分辨率不高的問題，一系列新的編碼技術被相繼提出，在一定程度上改善了空間分辨率，同時也提高了系統(tǒng)的信噪比。本發(fā)明提出一種將布里淵光時域分析技術與自加熱式光纖結合進行液位測量的方法及裝置，可以達到厘米量級的分辨率，并且具有較大的測量范圍。

技術實現(xiàn)要素：

在下文中給出了關于本發(fā)明的簡要概述，以便提供關于本發(fā)明的某些方面的基本理解。應當理解，這個概述并不是關于本發(fā)明的窮舉性概述。它并不是意圖確定本發(fā)明的關鍵或重要部分，也不是意圖限定本發(fā)明的范圍。其目的僅僅是以簡化的形式給出某些概念，以此作為稍后論述的更詳細描述的前序。

鑒于此，本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的光學液位傳感器制作過程復雜、測量精度不高、測量范圍小以及裝置結構不穩(wěn)定的問題，進而提供一種將布里淵光時域分析技術與自加熱式光纖相結合的液位測量裝置及方法，可以達到厘米量級的分辨率，并且具有較大的測量范圍，從而實現(xiàn)高分辨率、高精度的液位測量。

本發(fā)明所采取的方案為：一種光纖液位測量裝置，包括一號激光器、二號激光器、光纖耦合器、一號偏振控制器、二號偏振控制器、一號電光調(diào)制器、二號電光調(diào)制器、一號摻鉺光纖放大器、二號摻鉺光纖放大器、微波源、任意函數(shù)發(fā)生器、一號環(huán)行器、二號環(huán)行器、光纖布拉格光柵、光隔離器、傳感光纖、自加熱式光纖、光電探測器、數(shù)據(jù)采集卡和功率計；一號激光器的光信號輸出端與耦合器輸入端連通，耦合器的兩個光信號輸出端分別與一號偏振控制器和二號偏振控制器連通，一號偏振控制器與一號電光調(diào)制器的光信號輸入端連通，一號電光調(diào)制器同時與任意函數(shù)發(fā)生器和一號摻鉺光纖放大器的光信號輸入端連通，一號摻鉺光纖放大器的光信號輸出端與一號環(huán)行器的一號光信號端口連通，環(huán)行器的三號光信號端口與光電探測器連通，光電探測器的輸出端口與數(shù)據(jù)采集卡連通，環(huán)行器的二號光信號端口與傳感光纖的一端連通；二號偏振控制器與二號電光調(diào)制器的光信號輸入端連通，二號電光調(diào)制器同時與微波源和環(huán)行器的一號光信號端口連通，環(huán)行器的二號光信號端口與光纖布拉格光柵連通，環(huán)行器的三號光信號端口與光隔離器的光信號輸入端口連通，光隔離器的光信號輸出端口與傳感光纖的另一端連通；二號激光器的光信號輸出端與二號摻鉺光纖放大器的輸入端口連通，二號摻鉺光纖放大器的光信號輸出端與自加熱式光纖的一端連通，自加熱式光纖的另一端與功率計連通；傳感光纖與自加熱式光纖平行接觸。

進一步地：所述一號激光器采用窄線寬光纖激光器，工作波長為1550nm，二號激光器采用半導體激光器，輸出波長為1550nm的連續(xù)光。

進一步地：所述光經(jīng)過一號電光調(diào)制器調(diào)制為消光比大于40dB的脈沖泵浦光，一號偏振控制器調(diào)節(jié)進入電光晶體的偏振態(tài)與晶體偏振態(tài)一致；所述光經(jīng)過二號電光調(diào)制器進行頻率調(diào)制，產(chǎn)生上下兩個邊帶與載波之間的頻率間隔等于傳感光纖的布里淵頻移，由微波源控制。

進一步地：所述光纖布拉格光柵的3dB帶寬為0.03nm，用于濾出下邊帶作為探測光。

進一步地：所述二號摻鉺光纖放大器輸出功率最大可達2W。

進一步地：所述傳感光纖為一段熊貓型保偏光纖，在25℃時其布里淵頻移為10.88GHz。

進一步地：所述自加熱式光纖為一段衰減系數(shù)為20dB/m的纖芯摻雜稀有金屬鈷和鍺的單模光纖。

進一步地：所述傳感光纖與自加熱式光纖之間使用膠水粘貼在一起，用以加熱傳感光纖。

本發(fā)明所采取的方案為：一種光纖液位測量方法，該方法是基于上述光纖液位測量裝置實現(xiàn)的，具體步驟為：

采用一號激光器作為光源，一號激光器輸出的光經(jīng)過耦合器被分為上中兩路分別提供泵浦光和探測光；一號激光器為窄線寬光纖激光器工作波長為1550nm，泵浦光經(jīng)高消光比一號電光調(diào)制器，通過任意函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動調(diào)制出消光比大于40dB的脈沖泵浦光，并由一號摻鉺光纖放大器放大后入射至傳感光纖；中路光經(jīng)過加載微波源的二號電光調(diào)制器調(diào)制出上下兩個邊帶，邊帶和載波之間的頻率間隔與傳感光纖的布里淵頻移相同，由加載的微波信號頻率控制，然后經(jīng)一個3dB帶寬為0.03nm的光纖布拉格光柵濾波，濾出下邊帶作為探測光與泵浦光在傳感光纖中發(fā)生受激布里淵散射作用，放大后的探測光通過一號環(huán)行器發(fā)射到光電探測器，通過數(shù)據(jù)采集卡采集信號，通過對傳感光纖各點布里淵增益譜的測量得到各點布里淵頻移量；下路光由二號激光器作為加熱光源經(jīng)二號摻鉺光纖放大器放大后進入自加熱式光纖，用于對傳感光纖加熱；所述二號激光器為半導體激光器，輸出波長為1550nm的連續(xù)光。

將傳感光纖浸入待測液體中，由于液體和空氣的熱擴散速度不同，在二者的交界面會形成一個溫度的突變點；通過掃頻獲得傳感光纖各位置處的布里淵頻移，由于光纖的布里淵頻移與溫度之間具有線性關系，溫度的突變即反映為該位置上布里淵頻移的突變。因此測出光纖上布里淵頻移的突變位置即為液面所處的位置。

本發(fā)明所達到的效果為：

本發(fā)明將布里淵光時域分析技術與自加熱式光纖相結合的液位測量裝置及方法，可以達到厘米量級的分辨率，并且具有較大的測量范圍，從而實現(xiàn)高分辨率、高精度的液位測量，具體達到厘米量級的分辨率，并且具有數(shù)十厘米的測量范圍。本發(fā)明還具有傳感光纖探頭制作簡單，結構穩(wěn)定的優(yōu)點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的一種光纖液位測量裝置的結構示意圖；

圖2為具體實施方式一所述自加熱式光纖與傳感光纖的熱傳導原理圖；

圖3為具體實施方式一所述的液位測量突變點示意圖。

圖中：1一號激光器、2光纖耦合器、3一號偏振控制器、4一號電光調(diào)制器、5任意函數(shù)發(fā)生器、6一號摻鉺光纖放大器、7一號環(huán)行器、8光電探測器、9數(shù)據(jù)采集卡、10二號偏振控制器、11微波源、12二號電光調(diào)制器、13二號環(huán)行器、14光纖布拉格光柵、15光隔離器、16二號激光器、17二號摻鉺光纖放大器、18功率計、19傳感光纖、20自加熱式光纖。

具體實施方式

為了清楚和簡明起見，在說明書中并未描述實際實施方式的所有特征。然而，應該了解，在開發(fā)任何這種實際實施例的過程中必須做出很多特定于實施方式的決定，以便實現(xiàn)開發(fā)人員的具體目標，例如，符合與系統(tǒng)及業(yè)務相關的那些限制條件，并且這些限制條件可能會隨著實施方式的不同而有所改變。此外，還應該了解，雖然開發(fā)工作有可能是非常復雜和費時的，但對得益于本發(fā)明公開內(nèi)容的本領域技術人員來說，這種開發(fā)工作僅僅是例行的任務。

在此，還需要說明的一點是，為了避免因不必要的細節(jié)而模糊了本發(fā)明，在申請文件中僅僅示出了與根據(jù)本發(fā)明的方案密切相關的裝置結構和/或處理步驟，而省略了與本發(fā)明關系不大的其他細節(jié)。

具體實施方式一：參照圖1說明本實施方式，本實施方式所述一種光纖液位測量裝置，包括一號激光器1、二號激光器16、光纖耦合器2、一號偏振控制器3、二號偏振控制器10、一號電光調(diào)制器4、二號電光調(diào)制器12、一號摻鉺光纖放大器6、二號摻鉺光纖放大器17、微波源11、任意函數(shù)發(fā)生器5、一號環(huán)行器7、二號環(huán)行器13、光纖布拉格光柵14、光隔離器15、傳感光纖19、自加熱式光纖20、光電探測器8、數(shù)據(jù)采集卡9和功率計18；一號激光器1的光信號輸出端與耦合器2輸入端連通，耦合器2的兩個信號輸出端將光分為上中兩路光，上路光提供泵浦光與一號偏振控制器3連通，一號偏振控制器3與一號電光調(diào)制器4的光信號輸入端連通，一號電光調(diào)制器4同時與任意函數(shù)發(fā)生器5和一號摻鉺光纖放大器6的光信號輸入端連通，一號摻鉺光纖放大器6的光信號輸出端與一號環(huán)行器7的一號光信號端口7-1連通，環(huán)行器7的三號光信號端口7-3與光電探測器8連通，光電探測器8的輸出端口與數(shù)據(jù)采集卡9連通，環(huán)行器7的二號光信號端口7-2與傳感光纖19的一端連通；中路光提供探測光，由二號偏振控制器10與二號電光調(diào)制器12的光信號輸入端連通，二號電光調(diào)制器12同時與微波源11和環(huán)行器13的一號光信號端口13-1連通，環(huán)行器13的二號光信號端口13-2與光纖布拉格光柵14連通，環(huán)行器13的三號光信號端口與光隔離器15的光信號輸入端口連通，光隔離器15的光信號輸出端口與傳感光纖19的另一端連通；下路光提供加熱光源，由二號激光器16的光信號輸出端與二號摻鉺光纖放大器17的輸入端口連通，二號摻鉺光纖放大器17的光信號輸出端與自加熱式光纖20的一端連通，自加熱式光纖20的另一端與功率計18連通。

本發(fā)明采用一號激光器1作為光源，一號激光器1輸出的光經(jīng)過耦合器2被分為上中兩路分別提供泵浦光和探測光。所述一號激光器1為窄線寬光纖激光器工作波長為1550nm，上路光經(jīng)高消光比一號電光調(diào)制器4，通過任意函數(shù)發(fā)生器5驅(qū)動調(diào)制出消光比大于40dB的脈沖泵浦光，并由一號摻鉺光纖放大器6放大后入射至傳感光纖19；中路光經(jīng)過加載微波源11的二號電光調(diào)制器12調(diào)制出上下兩個邊帶，邊帶和載波之間的頻率間隔與傳感光纖的布里淵頻移相同，由加載的微波信號頻率控制，然后經(jīng)一個3dB帶寬為0.03nm的光纖布拉格光柵14濾波，濾出下邊帶作為探測光與泵浦光在傳感光纖中發(fā)生受激布里淵散射作用，放大后的探測光通過一號環(huán)行器7發(fā)射到光電探測器8，通過數(shù)據(jù)采集卡9采集信號，通過對傳感光纖19各點布里淵增益譜的測量得到各點布里淵頻移量。下路光由二號激光器16作為加熱光源經(jīng)二號摻鉺光纖放大器17放大后進入自加熱式光纖20，用于對傳感光纖19加熱。所述二號激光器為半導體激光器，輸出波長為1550nm的連續(xù)光。

參照圖2說明本實施方式，本實施方式所述的傳感光纖與自加熱式光纖用膠水粘貼在一起。自加熱式光纖是在纖芯中摻雜較多的鈷和鍺以增加光子的散射和吸收，從而獲得較大的衰減系數(shù)。當光束注入其中時，光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑹崃繌淖约訜崾焦饫w的纖芯傳遞到表面，再傳遞到傳感光纖，從而使后者溫度升高，即可在傳感光纖中產(chǎn)生溫度的分布。

具體實施方式二：結合圖3說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式一一種光纖液位測量裝置的進一步限定，將傳感光纖19浸入待測液體中，由于液體和空氣的熱擴散速度不同，在二者的交界面會形成一個溫度的突變點；通過掃頻獲得傳感光纖各位置處的布里淵頻移，由于光纖的布里淵頻移與溫度之間具有線性關系，溫度的突變即反映為該位置上布里淵頻移的突變。因此測出光纖上布里淵頻移的突變位置即為液面所處的位置。

具體實施方式三：本實施方式是對具體實施方式一一種光纖液位測量裝置的進一步限定，傳感光纖19為熊貓型保偏光纖，在25℃時其布里淵頻移為10.88GHz。

具體實施方式四：本實施方式是對具體實施方式一一種光纖液位測量裝置的進一步限定，二號摻鉺光纖放大器17輸出功率最大可達2W。

具體實施方式五：本實施方式是對具體實施方式一一種光纖液位測量裝置的進一步限定，自加熱式光纖20為一段衰減系數(shù)為20dB/m纖芯摻雜稀有金屬鈷和鍺的單模光纖。

具體實施方式六：本實施方式的光纖液位測量方法是采用具體實施方式一中所述的光纖液位測量裝置實現(xiàn)的，具體方法為：采用一號激光器1作為光源，一號激光器1輸出的光經(jīng)過耦合器2被分為上中兩路分別提供泵浦光和探測光；一號激光器1為窄線寬光纖激光器工作波長為1550nm，泵浦光經(jīng)高消光比一號電光調(diào)制器4，通過任意函數(shù)發(fā)生器5驅(qū)動調(diào)制出消光比大于40dB的脈沖泵浦光，并由一號摻鉺光纖放大器6放大后入射至傳感光纖19；中路光經(jīng)過加載微波源11的二號電光調(diào)制器12調(diào)制出上下兩個邊帶，邊帶和載波之間的頻率間隔與傳感光纖的布里淵頻移相同，由加載的微波信號頻率控制，然后經(jīng)一個3dB帶寬為0.03nm的光纖布拉格光柵14濾波，濾出下邊帶作為探測光與泵浦光在傳感光纖中發(fā)生受激布里淵散射作用，放大后的探測光通過一號環(huán)行器7發(fā)射到光電探測器8，通過數(shù)據(jù)采集卡9采集信號，通過對傳感光纖19各點布里淵增益譜的測量得到各點布里淵頻移量；下路光由二號激光器16作為加熱光源經(jīng)二號摻鉺光纖放大器17放大后進入自加熱式光纖20，用于對傳感光纖19加熱；所述二號激光器為半導體激光器，輸出波長為1550nm的連續(xù)光；將傳感光纖浸入待測液體中，由于液體和空氣的熱擴散速度不同，在二者的交界面會形成一個溫度的突變點；通過掃頻獲得傳感光纖各位置處的布里淵頻移，由于光纖的布里淵頻移與溫度之間具有線性關系，溫度的突變即反映為該位置上布里淵頻移的突變；測出光纖上布里淵頻移的突變位置即為液面所處的位置。

雖然本發(fā)明所揭示的實施方式如上，但其內(nèi)容只是為了便于理解本發(fā)明的技術方案而采用的實施方式，并非用于限定本發(fā)明。任何本發(fā)明所屬技術領域內(nèi)的技術人員，在不脫離本發(fā)明所揭示的核心技術方案的前提下，可以在實施的形式和細節(jié)上做任何修改與變化，但本發(fā)明所限定的保護范圍，仍須以所附的權利要求書限定的范圍為準。