CN104697609B - 光纤干涉水位传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤干涉水位传感器，其是由由半导体激光器，3dB耦合器，敏感元件，法拉第旋光镜，导光光纤，光电探测器，计算机组成。其中，敏感元件是水位传感器的关键部分，它把水位的变化转换成光纤的纵向应变和径向应变，从而引起两条干涉臂相位差的变化，最后利用相位差变化反演出水位的变化。本发明不仅能实现高精度的水位测量，同时具有可靠性、抗电磁干扰、抗腐蚀性、灵敏度高和结构简单精巧等优点，适合应用于需高精度水位监测的环境。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，具体涉及一种基于迈克尔逊干涉仪结构的光纤水位传感系统。
背景技术
高精度的水位传感器可用于监测水库的水位。当发生洪水或是台风等异常情况时，如果没有提前进行有效地水位监测，水位达到警戒线，就会造成江堤决口、大水冲毁堤坝等恶性事故，这些灾害不仅会造成重大的经济损失，还会威胁到人民的生命安全，所以对高精度水位传感器的研制具有重要意义。
随着光纤通信与光纤传感技术的飞速发展，光纤传感器也得到了广泛的应用。由于光纤传感器具有体积小、重量轻、抗电磁干扰，耐腐蚀等优点，使得光纤水位传感器在水位监测领域发挥了巨大的作用。
目前，应用较为广泛的水位传感器有几种，主要包括浮子式水位传感器、压阻式压力水位传感器、电容式水位传感器等等。在公开的专利号为CN102889914A的中国专利中，就提出了一种采用基准水位的浮子式水位计，这种浮子式水位计存在一些缺陷，首先不抗电磁干扰，测量精度较低、误差偏大，其次由于采用浮子的结构，浮子在水中浮动导致它的机械结构会受到很大的磨损，可靠性会降低。在公开的专利号为CN201731918U的中国专利中，提出了一种超声波式水位传感器，它利用了超声波发射接收的原理来测量液位，其缺点是超声波的发射接收对环境要求比较高，不能应用于比较恶劣或者是复杂的环境下。就水位监测而言，现有的这些电类传感器存在着很多的局限性，例如安全性不高、传输距离有限、使用寿命短、不易组网以及不能适用于电磁干扰、强腐蚀等恶劣环境下。所以，这些水位传感器越来越不能满足实际应用的需要。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种结构简单精巧、灵敏度高、可靠性强的光纤干涉水位传感器。
本发明包括如下技术方案：
一种光纤干涉水位传感器，包括半导体激光器(1)，第一导光单模光纤(2)，3dB耦合器(3)，第二导光单模光纤(4)，敏感元件(5)，第一法拉第旋光镜(6)，第二法拉第旋光镜(7)，参考光纤(8)，第三导光单模光纤(9)，光电探测器(10)。其特征在于：3dB耦合器(3)的输入端与半导体激光器(1)相连，耦合器(3)输出端分成两路，其中一路经单模光纤(4)与敏感元件(5)、第一法拉第旋镜(6)相连，构成探测臂；另一路则经参考光纤(8)直接与第二法拉第旋镜(7)相连，构成参考臂，3dB耦合器(3)经导光光纤(9)连接到光电探测器(10)，光电探测器(10)则连接到相位解调系统上。系统中的敏感元件采用在顺变柱体上紧密缠绕单模光纤的结构。上述的结构构成了迈克尔逊干涉仪的结构。
本发明的原理是：水位传感器采用了相位调制型传感器的原理。相位调制型传感器通过外界物理场来调制光纤干涉仪的干涉臂中所传光波的相位，而干涉仪把相位变化转化成光强变化，可利用光电转换技术及相位检测技术解调出外界待测的物理信号。在此发明中，把由顺变柱体制成的敏感元件置于水中，它受到水的压力，当水位发生变化时，顺变柱体受到的压力也随之改变，影响了缠绕光纤的应变，从而导致了光波的相位变化。通过光电探测器可直接探测到的光强表达式为：
上式中I0激光器发出的光强，为光纤干涉的两个干涉臂的相位差。那么敏感元件在水中所受的压力表达式为：
该式子中，k为顺变柱体的弹性系数，N为顺变柱体上缠绕光纤匝数，β为光波在光纤中的传播常数，σ为泊松比。最后得到水位的变化表达式如下：
式中，ρ为水的密度，g为顺变柱体在水中的重力加速度。
根据上面的公式，可以明显的看出，干涉臂的相位变化与水位变化的关系。该水位传感器通过敏感元件把水位的变化转换成光纤的纵向应变和径向应变，从而引起光波的相位变化，而迈克尔逊干涉仪把相位变化(光波的相位变化即为两条干涉臂相位差的变化)转换成光强变化，通过光电转换技术与相位解调技术可以得到相位差的变化，利用相位差变化可以反演得到水位的变化。
有益效果：
与现有技术相比，该发明具有以下优点，该水位传感器应用了光纤干涉技术，1)具有抗电磁干扰、抗腐蚀性，2)采用迈克尔逊干涉仪的结构，灵敏度较高，3)该水位传感器结构简单精巧，利于生产投入实际应用，4)该传感器结构安全性高，传输距离长，使用寿命较长，5)可实现对水位的高精度测量。
附图说明
图1光纤干涉水位传感器系统框图；
图2光纤干涉水位传感器结构图；
图3敏感元件结构图；
图4敏感元件剖面图。
图中的标记：
1.半导体激光器，2.第一导光单模光纤，3.3dB耦合器，4.第二导光单模光纤，5.敏感元件，6.第一法拉第旋镜，7.第二法拉第旋镜，8.参考光纤，9.第三导光单模光纤，10.光电探测器，11.相位解调系统，12.硅胶顺变柱体，13.探测光纤，14.不锈钢薄板，15.传感探头，16.参考元件。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限于此。
实施例1
如图1所示，一种基于光纤干涉法的水位传感器的系统框图。该发明包括光源模块，耦合器，传感探头，参考元件，光电检测电路，相位解调系统这六大部分。光源发出的光进入耦合器，耦合器把光均分为两路，一路光进入传感探头后被反射回来，另一路通过参考元件后被反射回来，耦合器的输出端与光电检测电路相连，光电检测电路的输出信号进入相位解调系统中进行解调。最后，通过解调出来的相位差变化反演得出水位的变化。
实施例2
如图2所示，一种基于光纤干涉法的水位传感器结构图。该传感器结构包括半导体激光器1，导光单模光纤2、4、9，3dB耦合器3，敏感元件5，第一法拉第旋光镜6，第二法拉第旋光镜7，参考光纤8，光电探测器10。其特征在于：3dB耦合器3的输入端与半导体激光器1相连，耦合器3输出端分成两路，其中一路经单模光纤4与敏感元件5、第一法拉第旋镜6相连，构成探测臂；另一路则经单模光纤8直接与第二法拉第旋镜7相连，构成参考臂，3dB耦合器3经导光光纤9连接到光电探测器10，由光电探测器10输出的信号被采集卡采集、进入上位机软件解调系统。
该光纤干涉水位传感器是基于迈克尔逊干涉仪的原理制成的。其工作原理是：半导体激光器发出的一束窄带相干光被耦合进干涉仪后，经双Y型分支波导被分为两路：上一路为探测臂，下一路为参考臂。信号光经过置于水中的敏感元件，被探测臂末端的法拉第旋镜反射后沿沿路返回；参考光则经参考光纤后直接被法拉第旋镜反射回来。两束光在耦合器中重新汇聚、发生干涉，从而将对应于水位信息的光波相位变化转化成光强变化，再由PIN光电探测器将光信号转化为电信号。信号被采集卡采集，经过上位机软件系统的解调，最后输出被测信号。
实施例3
如图3、图4所示，为该光纤干涉水位传感器的敏感元件，及传感探头的结构图以及剖面图。在图3中，清晰了展示了敏感元件是由单模探测光纤13紧密缠绕顺变柱体12的结构，在探测光纤的一端连接第一法拉第旋镜6，另一端连接导光光纤4，在硅胶柱体上下表面固定两块不锈钢薄板14。不锈钢薄板的作用是增大传感探头在水中的受力面积，从而增大敏感元件的灵敏度。顺变柱体是敏感元件中的关键部件，其转换效率及其性能的优劣直接决定敏感元件的特性，之所以选取硅胶这种材料，因其弹性模量随频率的变化比较小，并且它在“-50℃～150℃”温度范围内，弹性模量随温度变化很小，可以满足实验的要求。在实际的实验中，把系统的传感探头放入水中，敏感元件会因受水的压力而压缩，该顺变柱体上缠绕的光纤会外扩，就像图4剖面图所展示的那样，从而干涉仪的两条干涉臂会产生相位差；当水位发生变化时，敏感元件受到的水的压力也会随之改变，导致两条干涉臂的相位差会发生变化，从而系统通过解调出这种变化，就可测得水位的变化。
实施例4
在上述实施例1—3中，所提到的导光光纤或是探测光纤，都是纤芯直径为9μm、包层直径为125μm的普通单模光纤。半导体光源采用DFB光源，发出中心波长为1550nm的光。传感器中所使用的法拉第旋镜可反射中心波长为1550nm的光，反射率可达95％以上。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和发明构思，做出相应改变和替代，而且性能或用途相同，都应当视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种光纤干涉水位传感器，包括半导体激光器（1）、第一导光单模光纤（2）、3dB耦合器（3）、第二导光单模光纤（4）、敏感元件（5）、第一法拉第旋光镜（6）、第二法拉第旋光镜（7）、参考光纤（8）、第三导光单模光纤（9）和光电探测器（10），3dB耦合器（3）的输入端通过第一导光单模光纤（2）与半导体激光器（1）相连，3dB耦合器（3）输出端分成两路，其中一路经第二导光单模光纤（4）与敏感元件（5）、第一法拉第旋光镜（6）相连，构成探测臂；另一路则经参考光纤（8）直接与第二法拉第旋光镜（7）相连，构成参考臂，3dB耦合器（3）经第三导光单模光纤（9）连接到光电探测器（10），光电探测器（10）则连接到相位解调系统上，其特征在于：敏感元件是采用在顺变柱体上紧密缠绕单模光纤的结构，在硅胶柱体上下表面固定两块不锈钢薄板，将敏感元件置于水中，作为传感探头，不锈钢薄板的作用是增大传感探头在水中的受力面积，从而增大敏感元件的灵敏度，该敏感元件可把水位的变化转化成光纤的纵向应变和径向应变，光纤的应变使两条干涉臂的相位差发生变化，该系统通过相位差变化可反演得到水位的变化。
2.根据权利要求1所述的一种光纤干涉水位传感器，其特征在于：所述的第一法拉第旋光镜和第二法拉第旋光镜是相同的，用来反射中心波长为1550nm的光，反射率可达95%以上，同时可减少偏振光对干涉系统的影响。
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