基于光纖側(cè)向耦合效應(yīng)的漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊雪華，李亦軍

(中北大學(xué)理學(xué)院，山西 太原 030051)

近年來(lái)，由于泄漏的液體對(duì)設(shè)備的危害越來(lái)越大，液漏檢測(cè)設(shè)備廣泛應(yīng)用于石油化工、半導(dǎo)體廠房、通信機(jī)房、電力設(shè)施、圖書館等一切需要防水的場(chǎng)所[1]。光波在光纖中傳播時(shí)，表征光波的特征參量(如振幅、頻率、相位、偏振等)會(huì)因外界因素(如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、位移等)的作用而直接或間接地發(fā)生變化，因此可以將光纖用做敏感元件來(lái)探測(cè)各種物理量[2-3]。

和傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器因其抗電磁干擾、本征絕緣以及分布式傳感等特性具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，使其在易燃易爆、高危險(xiǎn)特種行業(yè)安全生產(chǎn)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域具有重大的應(yīng)用潛力[4-5]。

綜合考慮，本文提出了一種基于光纖傳感實(shí)現(xiàn)的新型漏液監(jiān)測(cè)方案。通過在光纖側(cè)面刻蝕側(cè)向耦合結(jié)構(gòu)，同時(shí)結(jié)合柔性LED 光源，形成光纖側(cè)向耦合效應(yīng)。通過光電轉(zhuǎn)換以及后續(xù)信號(hào)處理等單元，搭建了一套完整的漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提出的光纖漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以直接根據(jù)檢測(cè)到的耦合介質(zhì)的折射率變化，將漏液信息轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，系統(tǒng)測(cè)量范圍和空間分辨率分別為1.0 m 和0.1 m。而其中的改進(jìn)型準(zhǔn)分布式光纖液漏傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，成本低，可以彎曲并固定在任何表面上等優(yōu)點(diǎn)。

1 基于側(cè)向耦合效應(yīng)的傳感原理

1.1 傳感探針漏液檢測(cè)原理

光纖漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含兩個(gè)要素:傳感探針和定位方法。本文引入了一種基于外源耦合的光纖傳感方式及定位方法，主要的給光方式是外部給光。兩端輸出光強(qiáng)，通過后端信號(hào)調(diào)理電路，最后將信號(hào)傳輸?shù)接脩艚缑?，便于?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1(a)所示為所提出的準(zhǔn)分布式光纖漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)敏感探針的剖面結(jié)構(gòu)。

圖1 傳感探針和耦合原理

入射光的典型光線界面如圖1(b)所示，耦合區(qū)域的折射率為n1，光纖纖芯和光纖包層的折射率分別為n2、n3，①處表示耦合區(qū)域?yàn)榭諝鈺r(shí)進(jìn)入光纖纖芯的光線，②處表示耦合區(qū)域?yàn)槁┮簳r(shí)進(jìn)入光纖纖芯的光線，當(dāng)漏液滲入耦合區(qū)域后，折射率n1將會(huì)發(fā)生改變，通過耦合區(qū)域進(jìn)入光纖中的光強(qiáng)也會(huì)隨之改變。耦合區(qū)域由空氣(n＝1.00)變?yōu)槁┮?如水，n＝1.33)時(shí)，折射率增大，更多的光線折射到耦合介質(zhì)中。根據(jù)斯涅爾定律，可以推導(dǎo)出折射角θt1表示為

式中:θi是入射角。當(dāng)θt1等于或大于聚合物光纖的臨界角(αc＝sin-1(n3/n2))，光線才能真正耦合到聚合物光纖中并在纖芯中傳輸，否則光線會(huì)通過多次反射輻射到周圍環(huán)境。從上面的等式可以推出，當(dāng)折射角從θt1增加到θt2，n1從1.00 變?yōu)?.33 時(shí)(如③處的光路)，耦合到聚合物光纖中的光線也會(huì)越多，增加了聚合物光纖中的耦合光強(qiáng)。

圖1(a)中的①和②光路圖，其中①為無(wú)液體光路，②為間隙有液體(水)光路，由于折射率的改變，形成光路聚集現(xiàn)象，因此光纖兩端的輸出光強(qiáng)增大。實(shí)驗(yàn)室對(duì)比純凈水和含鹽比例為5%的淡鹽水，在光源穩(wěn)定、漏液一定的情況，鹽水所產(chǎn)生的輸出光強(qiáng)略高一些，大約為幾十nW 左右，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)室條件下，液體為透明液體，此耦合原理同樣適用。

原理實(shí)驗(yàn)中，主要影響輸出光強(qiáng)的還有液體透明度，如果透明度較低，液體的物質(zhì)會(huì)吸收一部分光強(qiáng)，則輸出光強(qiáng)會(huì)降低。傳感探針中光源與耦合光纖間距較小，安裝方式如圖2 所示，經(jīng)過外部導(dǎo)流裝置，流過耦合區(qū)域的液體量會(huì)相對(duì)穩(wěn)定，所以在液體填滿耦合區(qū)域過程中，輸出光強(qiáng)會(huì)先增加然后穩(wěn)定，本文后面實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這一點(diǎn)。

圖2 光源與傳感光纖位置關(guān)系

同時(shí)對(duì)于通過耦合區(qū)域的液體流速，由于液體通過的耦合區(qū)域間隙較小(大約為1 mm)，所以液體幾乎為滲漏，流速穩(wěn)定，在一段時(shí)間內(nèi)有持續(xù)性，所以輸出光強(qiáng)穩(wěn)定可靠。若耦合區(qū)域間隙過寬，流速過大則輸出光強(qiáng)會(huì)高于無(wú)液體狀態(tài)，但是持續(xù)性不好，輸出光強(qiáng)增加會(huì)出現(xiàn)間斷性，不利于信號(hào)捕捉監(jiān)測(cè)。

1.2 漏液位點(diǎn)定位原理

圖3 為漏液位點(diǎn)定位示意圖，傳感光纖分布多個(gè)傳感探針，光纖的一端安裝光功率計(jì)以檢測(cè)每個(gè)側(cè)向耦合結(jié)構(gòu)的耦合光強(qiáng)。當(dāng)LED 光源以一定順序掃描，測(cè)試區(qū)域的介質(zhì)折射率發(fā)生變化，其相應(yīng)的輸出光脈沖強(qiáng)度也發(fā)生變化，將LED 掃描編號(hào)與其對(duì)應(yīng)的光脈沖采樣信號(hào)編碼輸出，則可以實(shí)現(xiàn)漏液位點(diǎn)定位。

圖3 漏點(diǎn)定位示意圖

1.3 傳感檢測(cè)帶設(shè)計(jì)

通過設(shè)計(jì)外形結(jié)構(gòu)，將傳感光纖封裝，形成漏液檢測(cè)傳感帶，如圖4 所示。每條傳感帶包括多個(gè)傳感探針點(diǎn)位，每個(gè)傳感探針點(diǎn)位的間距，即為設(shè)計(jì)的空間檢測(cè)分辨率。當(dāng)傳感探針工作，傳感帶輸出連續(xù)的掃描光強(qiáng)脈沖，采集對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)脈沖，則可以收集傳感探針的數(shù)據(jù)狀態(tài)，完成監(jiān)測(cè)。

圖4 檢測(cè)帶結(jié)構(gòu)三視圖

1.4 傳感監(jiān)測(cè)范圍與光纖損耗的關(guān)系

圖5(a)為在2 m 范圍內(nèi)設(shè)計(jì)20 個(gè)傳感探針的光脈沖采樣輸出結(jié)果，光纖耦合結(jié)構(gòu)加工參數(shù)一致，傳感探針距離探測(cè)器逐漸增加，輸出光強(qiáng)逐漸衰減，表明傳感探針設(shè)計(jì)的數(shù)量會(huì)增加光衰。耦合結(jié)構(gòu)破壞光纖包層和纖芯，會(huì)造成光傳輸?shù)耐庑梗黾庸馑ァ?/p>

為了減小光衰，加工參數(shù)可變的耦合結(jié)構(gòu)，如圖5(b)所示，距離探測(cè)距離較遠(yuǎn)，則增加耦合結(jié)構(gòu)的深度來(lái)增加耦合光強(qiáng)，同時(shí)增加監(jiān)測(cè)范圍。監(jiān)測(cè)范圍與光纖損耗需要一個(gè)合適的參數(shù)。由于傳感系統(tǒng)主要應(yīng)用于水下潛航器的易滲漏處，根據(jù)具體環(huán)境，設(shè)計(jì)單條傳感帶監(jiān)測(cè)范圍為1 m，分辨率為10 cm，便于通過總線級(jí)聯(lián)安裝，組合為長(zhǎng)監(jiān)測(cè)范圍。傳感帶外殼設(shè)計(jì)有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，匯集分辨范圍內(nèi)的液體到某一個(gè)傳感探針，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)和具體位點(diǎn)的定位。

圖5 不同耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的輸出光強(qiáng)脈沖

2 漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

傳感系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖6 所示，系統(tǒng)主要包含傳感檢測(cè)帶，變換器(信號(hào)調(diào)理采集)，和軟件上位機(jī)三大部分內(nèi)容。

圖6 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.1 信號(hào)調(diào)理

信號(hào)調(diào)理主要的作用是實(shí)現(xiàn)弱光信號(hào)的放大，使之可以達(dá)到采樣芯片的分辨率。弱光檢測(cè)常用的方法有以下幾種:鎖相檢測(cè)法[6]、相關(guān)檢測(cè)法[7]、積分取樣法[8]、線性檢測(cè)法等。對(duì)比這幾種方法，鎖相檢測(cè)法的鎖相放大電路設(shè)計(jì)難度較大，成本很高，通常多是購(gòu)買集成模塊，不適合本設(shè)計(jì)；相關(guān)檢測(cè)法中會(huì)多次使用模擬乘法器，電路的設(shè)計(jì)難度較大；積分取樣法為信號(hào)時(shí)域的累加平均，取樣點(diǎn)數(shù)與頻率有關(guān)，設(shè)計(jì)難度較大；而線性檢測(cè)法為比例放大與數(shù)字濾波的結(jié)合設(shè)計(jì)，難度較小，易于實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)應(yīng)用線性檢測(cè)法。

對(duì)于弱光信號(hào)，動(dòng)態(tài)范圍較大，且噪聲和信號(hào)處于同一個(gè)量級(jí)甚至更大，如何提高信噪比是一個(gè)關(guān)鍵問題[9]。

通過設(shè)計(jì)跨導(dǎo)放大電路模塊，如圖7 所示，實(shí)現(xiàn)弱光信號(hào)的前級(jí)放大，實(shí)現(xiàn)光電流到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換，同時(shí)將信號(hào)放大到毫伏量級(jí)。輸出信號(hào)為:

圖7 弱光檢測(cè)前置電路

式中:Ip為硅光電二極管D1的輸出電流；R1、R2、R3組成T 型電阻網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)R1?R3，R2?R1，R1/R3不能過大，R4與T 型網(wǎng)絡(luò)的阻抗匹配。

2.2 采集編幀

傳感系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)對(duì)每一個(gè)傳感探針的狀態(tài)收集，因此需要設(shè)計(jì)編幀模塊，將傳感探針的位置編幀成地址信息，傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，漏點(diǎn)位置定位的功能，具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖8 所示。

圖8 位點(diǎn)定位原理框圖

主控芯片通過發(fā)送循環(huán)的地址遞增碼，控制傳感探針依次工作。ADC 采集對(duì)應(yīng)傳感探針輸出的傳感器信號(hào)，通過主控芯片將傳感探針的地址與對(duì)應(yīng)ADC 采集值編幀打包，通過通信端口發(fā)送給上位機(jī)。幀結(jié)構(gòu)包括幀頭、傳感帶序號(hào)地址、傳感探針地址、ADC 采集值和校驗(yàn)信息。

上位機(jī)將有效的傳感帶序號(hào)和傳感探針地址，以及對(duì)應(yīng)的采集值從幀結(jié)構(gòu)解碼，實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，這樣通過上位機(jī)的檢測(cè)就可以知道哪一個(gè)具體的傳感探針和傳感帶檢測(cè)到漏液事件發(fā)生。這就是尋址定位的具體實(shí)現(xiàn)過程。

2.3 數(shù)字濾波

本次設(shè)計(jì)參照消抖濾波[10]的方式，對(duì)消抖的方式進(jìn)行改進(jìn)，由于尖峰脈沖的出現(xiàn)會(huì)與漏液檢測(cè)的有效信號(hào)混淆，因此可能出現(xiàn)誤判的可能，為了規(guī)避這個(gè)設(shè)計(jì)誤差，濾波算法的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下兩點(diǎn):

(1)濾除信號(hào)采集到的尖峰脈沖；

(2)將無(wú)效的尖峰脈沖與真正有效的漏液信號(hào)區(qū)分；

只有滿足以上兩點(diǎn)，濾波的目的才能真正的實(shí)現(xiàn)。

如圖9 所示，其中③表示正常情況下采集值的基準(zhǔn)線，①處表示一個(gè)偶發(fā)尖峰，②處表示檢測(cè)到有漏液事件的一個(gè)變化曲線。對(duì)于①處與②處，兩處的曲線都有一個(gè)變化，如果單純應(yīng)用消抖濾波可能會(huì)連真正的漏液信號(hào)也濾除掉。有效信號(hào)與偶發(fā)尖峰在持續(xù)時(shí)間上有著明顯的區(qū)別，一般尖峰脈沖快速閃爍一次后會(huì)回歸正常信號(hào)，而真正的漏液信號(hào)則會(huì)持續(xù)好多個(gè)周期，因此通過設(shè)計(jì)一個(gè)檢測(cè)脈沖寬度的濾波算法就可以有效地抑制偶發(fā)尖峰。濾波算法設(shè)計(jì)框圖如圖10 所示，消抖后采集值如圖11 所示。

圖9 濾波前采集值顯示

圖10 數(shù)字濾波算法設(shè)計(jì)框圖

圖11 濾波后的采集值顯示

3 (漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì))實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 上位機(jī)流程框圖

上位機(jī)設(shè)計(jì)流程如圖12 所示。上位機(jī)界面如圖13 所示，主要包括串口波特率配置界面、基準(zhǔn)值設(shè)定界面、標(biāo)定界面、閾值判斷界面、狀態(tài)顯示界面等組成。其中數(shù)據(jù)標(biāo)定根據(jù)基準(zhǔn)值設(shè)定，基準(zhǔn)值與測(cè)試數(shù)據(jù)多次比較，設(shè)定合理的基準(zhǔn)值，只需要設(shè)置一次，后續(xù)不用再重新標(biāo)定，標(biāo)定的閾值是判斷漏液狀態(tài)的主要指標(biāo)。

圖12 上位機(jī)流程圖

圖13 上位機(jī)軟件監(jiān)測(cè)界面

3.2 漏液判斷原理

漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的輸出結(jié)果為有和無(wú)兩種，即漏液事件發(fā)生和沒有發(fā)生。如圖14 所示，為漏液監(jiān)測(cè)閾值設(shè)定模擬圖。

圖14 漏液監(jiān)測(cè)閾值設(shè)定

在沒有漏液時(shí)，系統(tǒng)采集值為常規(guī)狀態(tài)，由于光源的不穩(wěn)定性，監(jiān)測(cè)值會(huì)在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，出現(xiàn)最大值和最小值；而當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到漏液事件，其采集值也是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，為了能合理地設(shè)定監(jiān)測(cè)閾值，將波動(dòng)采集值通過均值擬合，得出可以表示漏液監(jiān)測(cè)值和未漏液監(jiān)測(cè)值的均值ave2 和ave1 兩個(gè)測(cè)量值，然后將兩個(gè)參數(shù)作差，取其平均值，得到監(jiān)測(cè)閾值，當(dāng)某些點(diǎn)位的漏液與未漏液的差值較小時(shí)，閾值的設(shè)定可以設(shè)定為高于理論均值。由于工藝的誤差，系統(tǒng)的一致性還不夠好，因此需要對(duì)其每一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)的閾值進(jìn)行擬合標(biāo)定，以保證系統(tǒng)可以識(shí)別漏液事件。

3.3 漏液檢測(cè)結(jié)果

如圖15 所示，將傳感探針的采集數(shù)據(jù)回傳給上位界面，可以看到采集數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)，將幀結(jié)構(gòu)解包，讀取傳感探針的地址信息(位置)。

圖15 上位機(jī)采集結(jié)果

圖16 顯示了某兩個(gè)傳感探針的狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)某兩個(gè)傳感探針的監(jiān)測(cè)狀態(tài)發(fā)生改變，狀態(tài)指示燈的結(jié)果點(diǎn)亮，可以觀察到采集到的譜線也出現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，表示檢測(cè)正常，可以檢測(cè)到漏液信息。

圖16 某兩個(gè)傳感探針的狀態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果

搭建檢測(cè)系統(tǒng)，測(cè)試4 條傳感帶的某些傳感探針的結(jié)果，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，對(duì)測(cè)試的結(jié)果一一列表，給每個(gè)傳感測(cè)試點(diǎn)位一一加水測(cè)試，通過上位機(jī)監(jiān)測(cè)測(cè)試狀態(tài)，如表1。

表1 4 條傳感帶20 個(gè)傳感探針的監(jiān)測(cè)結(jié)果

由于傳感探針的工藝控制不夠精密，測(cè)試結(jié)果20 個(gè)傳感探針有1 個(gè)沒有檢測(cè)到結(jié)果。漏檢率5%，后期可以通過控制工藝，提高檢測(cè)率。

4 結(jié)論

本文提出了一種基于光纖傳感實(shí)現(xiàn)的新型漏液監(jiān)測(cè)方案，并在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)演示。當(dāng)傳感探針工作時(shí)，輸出前端傳感探針的采集值到上位機(jī)，根據(jù)上位機(jī)的解算，得出每一個(gè)傳感探針的狀態(tài)值以及位置信息。如果監(jiān)測(cè)到漏液信息，傳感探針輸出的光強(qiáng)增大，變化效果明顯，通過上位機(jī)閾值判斷機(jī)制，輸出報(bào)警信號(hào)和漏點(diǎn)位置。并且系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了響應(yīng)時(shí)間小于1 s，空間測(cè)試分辨率小于10 cm。同時(shí)分析傳感探針的輸出光強(qiáng)與漏液的特性(如透明度、折射率、流速)等物理量的關(guān)系，并指出監(jiān)測(cè)范圍和光衰的關(guān)系。通過多次測(cè)試傳感單元以及漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)魯棒性良好，適合多種環(huán)境監(jiān)測(cè)，為提高光纖測(cè)量應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。為進(jìn)一步開發(fā)分布式光纖傳感器奠定基礎(chǔ)。