[实用新型]光纤干涉水位传感器

说明书

技术领域

本实用新型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。

实用新型内容

本实用新型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。

本实用新型包括如下技术方案：

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)，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，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。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。

本实用新型的原理是：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。在此实用新型中，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：

Δh=ΔFρg]]>

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得到相位差的变化，利用相位差变化反演得到水位的变化。

有益效果：