基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统论文和设计-梁利

全文摘要

本实用新型公开了一种基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统，包括用于测量液位的光纤光栅(3)和测量温度的光纤光栅(2)，竖直地安装在铝制圆筒的传感头外壳(4)内，液位传感光纤光栅(3)上设置有滑轨(6)及可在其中自有移动的浮子(5)，使用光电振荡器解调模块(1)进行信号解调。本实用新型优点是光纤光栅电隔离、耐腐蚀，在水中有着很强耐受性，寿命长和稳定性好，同时光信号在光纤中衰减极小，能够实现即千米乃至几十千米的远程监测。

设计方案

1.基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统，包括用于测量液位的光纤光栅一和用于测量水的温度的光纤光栅二，两光纤光栅为普通光纤光栅，其具有不同的中心波长，两光栅使用光跳线引出，连接到光电振荡器解调模块，两只光纤光栅垂直设置在圆筒形外壳中，在圆筒外壳内部一侧位置开一竖直方向的细槽，将一圆柱形套筒固定在开槽上，光纤光栅一平铺在圆柱形套筒内，圆柱形套筒内安装滑轨和球形浮子，浮子可在其中自由活动，其特征在于，圆筒形外壳上开设有孔使得水体能够自由流通且两光纤光栅的传感头部分整个浸没在液体中，两个光纤光栅的栅区在同一水平面上，位于报警水位平面，大坝水位较低时，浮子仅与液位传感光栅的非栅区接触；当大坝内水位到达警戒水位，浮子升起，对液位传感光栅施加径向压力，使其中心波长改变。

2.如权利要求1所述的基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统，其特征在于，即在安全水位与报警水位两状况时，光纤光栅的中心波长是不同的。

3.如权利要求1所述的基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统，其特征在于，两只光纤光栅连接到光电振荡器上，光纤光栅在其中作为光信号的滤波器。

4.如权利要求1所述的基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统，其特征在于，水位的变化使两光纤光栅形成的帯通滤波器的通频带改变，光电振荡器输出的电信号发生变化，产生报警信号。

5.如权利要求1所述的基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统，其特征在于，所述光纤光栅中心波长1510-1560nm。

6.如权利要求1所述的基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统，其特征在于，使用液位传感光栅和温度传感光栅作为光电振荡器解调模块的滤波器。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统，适用于监测大坝水位，在水位升高时及时报警。

背景技术

光纤光栅是一种新型光无源器件。它不仅在通信领域有重要应用，本身也是一种信息转换元件，不需要任何外部设备就可以将被测量与光信号的性质联系起来。

当今，光纤光栅传感器的应用范围非常广泛，在工业、国防军事、科研、医疗等等各个领域有着广泛的应用。相比传统的电、磁传感器，光纤光栅传感器具有以下优点：

1.传感器结构简单、体积小，外形柔软可变，能够贴付到被测结构表面也可埋入到结构内部中。

2.电绝缘，基本不影响被测物，抗腐蚀、抗电磁干扰，能够在恶劣、极端、危险条件下工作

3.与光纤天然耦合，损耗低，可靠性好，能实现传感网络的全光化。

4.以光作为信息载体，灵敏度好，分辨率高，精度高。

5.光信号不易受电、磁信号干扰，可靠性好，稳定性高。

光纤光栅的传感原理是环境的变化改变光栅本身的固有属性，引起在其中传导的光信号的改变，获取传感信息。Bragg光纤光栅是最常见的一种光栅，其基本原理是使用某种手段使光纤内部折射率以某种固定周期分布，当一束光通过时，满足Bragg波长条件的光被反射回来。Bragg条件为：

λ_{B<\/sub>＝2n_{eff<\/sub>Λ (1)}}

式中，λ_{b<\/sub>称为Bragg波长，是光纤光栅反射波的波峰，n_{eff<\/sub>是光栅的有效折射率，Λ是光栅的周期。任何使n_{eff<\/sub>和Λ发生改变的物理量都将引起波长调制，都可以作为待测物理量。}}}

目前，在大坝水位监测报警应用中，通常广泛应用各种基于机械、电子结构的液位传感器，它们的缺点是较容易受到液体的腐蚀，通电元器件易受导电液体短路而损坏，寿命、稳定性较差。专利CN207991649U是基于霍尔元件磁性开关实现的一种液位传感器，然而该专利中电子元件、电路板均距离待测量液体很近，极易受到液体腐蚀或者遭短路。专利CN208109284U是一种基于热敏电阻测温的温度传感器，使用金属外壳封装，无法在酸性等腐蚀性液体中使用，另外弱外壳发生泄漏，内部元器件极易短路而损坏。而光纤光栅正具有着耐腐蚀、电绝缘等优点。因此，应用光纤传感技术，使用光纤光栅作为敏感元件，可以解决传统液位易受液体侵蚀而损坏的缺点。

大多数光纤光栅传感器都是基于波长解调原理，需要使用光谱仪或光栅解调仪才能将光信号转换为电信号或者人能识别的信息。然而，此类设备通常极为昂贵，往往可达数十乃至数百万元，而一只光纤光栅传感器不过数百乃至数千元。专利CN108593137A、CN201820575034、CN201810098093等光纤光栅传感器都是如此。本实用新型将光电振荡器与传感光栅结合起来，使用简单的电路和光路就可以将光信号解调，大大降低了成本，并成功应用于大坝远程水位的监测工程中，极大降低了工程应用中的成本。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光纤光栅大坝远程水位监测系统，该监测系统通过光线光栅与光电振动器的配合使用及电路设计，低成本地实现了高水位时大坝远程水位的监测。

为了实现以上目的，本实用新型采用了如下的技术方案：

基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统，包括用于测量液位的光纤光栅一和用于测量水的温度的光纤光栅二，两光纤光栅为普通光纤光栅，其具有不同的中心波长，两光栅使用光跳线引出，连接到光电振荡器解调模块，两只光纤光栅垂直设置在圆筒形外壳中，在圆筒外壳内部一侧位置开一竖直方向的细槽，将一圆柱形套筒固定在开槽上，光纤光栅一平铺在圆柱形套筒内，圆柱形套筒内安装滑轨和球形浮子，浮子可在其中自由活动，其中，圆筒形外壳上开设有孔使得水体能够自由流通且两光纤光栅的传感头部分整个浸没在液体中，两个光纤光栅的栅区在同一水平面上，位于报警水位平面，大坝水位较低时，浮子仅与液位传感光栅的非栅区接触；当大坝内水位到达警戒水位，浮子升起，对液位传感光栅施加径向压力，使其中心波长改变。

其中，即在安全水位与报警水位两状况时，光纤光栅的中心波长是不同的。

进一步地，两只光纤光栅连接到光电振荡器上，这是一种利用光学原理产生高频电震荡信号的器件，光纤光栅在其中作为光信号的滤波器。

其中，水位的变化使两光纤光栅形成的帯通滤波器的通频带改变，光电振荡器输出的电信号发生变化，产生报警信号。

具体的，所述光纤光栅中心波长1510-1560nm。

具体的，使用液位传感光栅和温度传感光栅作为光电振荡器解调模块的滤波器。

具体的，使用基于光电振荡器的信号解调系统将光信号转换成电信号。

与现有技术相比，本实用新型具有较高的可靠性和寿命，能够实现远程监测报警，以解决现有电、机械液位传感器不耐受液体等的缺陷，同时避免传统光纤光栅传感器需要使用昂贵仪器进行解调的缺点，大大降低了成本。其中：

1.光纤传感具有着电隔离、耐腐蚀等优势，在液体中有很高的耐受性，解决了传统液位、温度传感器易损的问题，提高了寿命和稳定性。

2.光信号在光纤中衰减极小，能够实现即千米乃至几十千米的远程监测。

3.使用光电振荡器进行信号解调，成本低，速度高，适合工程应用。

附图说明

图1为本实用新型的基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统结构示意图。

图2是本实用新型的液位传感光栅与套筒、浮子部分的俯视图。

其中，1-光电振荡器解调模块，2-温度传感光栅,3-液位传感光栅,4-传感头外壳，5-浮子，6-浮子套筒，7-套筒内滑轨。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统结构进行详细说明，但这些说明仅仅是示例性的，并不旨在限制本实用新型的保护范围。

参见图1，图1显示了本实用新型的基于光电振荡器的光纤光栅大坝远程水位监测系统，该水位监测系统，包括用于测量温度的温度传感光栅2和用于测量液位的液位传感光栅3，两光纤光栅使用光跳线引出，连接到光电振荡器解调模块1，两只光纤光栅在圆筒形外壳中均垂直放置固定。在圆筒外壳内部偏左的位置开一竖直方向的细槽，将一圆柱形套筒固定在开槽上，液位传感光栅2平铺在套筒内，浮子套筒6内安装滑轨和球形浮子，浮子可在其中自由活动。图2是从俯视方向观察，是将液位传感光栅3的临近部分放大之后的俯视图。浮子套筒6固定在外壳4上，内安装液位传感光栅3和三条滑轨7，竖直方向安装，滑轨7的外径与液位传感光栅3相等。滑轨7、液位传感光栅3可以使浮子5自由地在浮子套筒6中滑动(垂直图2纸面方向)。光纤光栅的中心波长λ_{B<\/sub>＝2n_{eff<\/sub>Λ，而n_{eff<\/sub>和Λ都会受到环境的影响。本实用新型中使用了两支光栅作为传感元件，其中温度传感光栅2是用于温度补偿，液位传感光栅3 用于测量水位并报警，两只光栅竖直地安装在铝制圆筒传感头中，且栅区在同一水平面上，位于报警水位平面。传感头部分整个浸没在液体中，传感头外壳 4开洞使得液体能够自由流通。当水位有变化时，浮子5随水位变化而在套筒内滑轨7中上下移动，水位较低时，浮子5仅与液位传感光栅3的非栅区接触。当大坝内水位到达警戒水位，浮子升起，对液位传感光栅3施加一个径向压力。设两光栅的中心波长分别为λ _{1<\/sub>,λ_{2<\/sub>，波长改变量为Δλ，则光纤光栅只受温度影响时：}}}}}

Δλ＝λ(α+ξ)ΔT

其中α和ξ分别是光纤光栅的膨胀系数和热光系数，ΔT是温度的变化量。

当在光纤光栅上施加应力时：

Δλ＝λ(1-p_e<\/sub>)ε

其中p_{e<\/sub>是光纤光栅弹光系数，ε是光纤光栅的应变(受施加在光纤光栅上的应力影响)。当水位达到警戒线时，浮子施加给液位传感光栅3一个应力，使其中心波长改变。}

光电振荡器是一种基于正反馈将光信号转换成电信号的装置。在本实用新型中，使用液位传感光栅3和温度传感光栅2作为光电振荡器的滤波器。这样，光电振荡器输出的电信号频率就和两光纤光栅形成的帯通滤波器的频带相关。当水位低于警戒水位时，浮子不对液位传感光栅施加应力，此时，两光纤光栅的中心波长同步变化：

Δλ_{1,2<\/sub>＝λ_{1,2<\/sub>(α+ξ)ΔT}}

两光纤光栅形成的帯通滤波器的通频带不变，输出的电信号也不变。若水位升高，浮子升起至警戒水位，对液位传感光栅3施加一个应力，在温度造成的中心波长变化下又有附加的应变造成的中心波长变化，此时：

Δλ_{1<\/sub>＝λ_{1<\/sub>(α+ξ)ΔT}}

Δλ_{2<\/sub>＝λ_{2<\/sub>(α+ξ)ΔT+δλ}}

其中δλ是附加的应变造成的中心波长变化。此时两光纤光栅形成的帯通滤波器的通频带改变，输出的电信号发生变化，产生报警信号。

尽管上文对本实用新型的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本实用新型的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。

设计图

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