光信號(hào)在漏液檢測(cè)中的深度應(yīng)用

林祥龍 馮博

[摘 ? ?要]漏液檢測(cè)是一項(xiàng)十分重要的監(jiān)測(cè)工作，應(yīng)用的領(lǐng)域非常廣泛，然而在一些特殊環(huán)境如電磁干擾等情況下，漏液檢測(cè)會(huì)失去靈敏和準(zhǔn)確，難以完成需求。為了攻克這一問題，將穩(wěn)定可靠的光信號(hào)融入漏夜檢測(cè)設(shè)備中的技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸發(fā)展出了優(yōu)秀的側(cè)向耦合漏液檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)基于STM32光纖，由上位機(jī)模塊與硬件模塊共同組成。上位機(jī)通過濾波算法比較漏液信號(hào)的均差，能夠去除偶發(fā)脈沖造成的干擾，降低系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間和誤報(bào)幾率，提升傳感帶的靈敏度。硬件系統(tǒng)囊括了信號(hào)轉(zhuǎn)換器模塊以及光纖傳感器模塊，將STM32作為信號(hào)變換器的控制芯片，做到光信號(hào)的傳輸與放大。整個(gè)系統(tǒng)通過傳感帶進(jìn)行級(jí)聯(lián)安裝，充分保障工作穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)每一個(gè)傳感點(diǎn)單點(diǎn)標(biāo)定，將誤差控制在2%以內(nèi)。

[關(guān)鍵詞]光信號(hào)技術(shù);漏液檢測(cè);應(yīng)用

[中圖分類號(hào)]TN249 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2022）03–0–03

Deep Application of Optical Signal in Leak Detection

Lin Xiang-long，F(xiàn)eng Bo

[Abstract]Liquid leakage detection is a very important monitoring task， and it has a wide range of applications. However， in some special environments such as electromagnetic interference， liquid leakage detection will lose its sensitivity and accuracy， making it difficult to meet the requirements. In order to overcome this problem， the technology of integrating stable and reliable optical signals into night leakage detection equipment came into being， and developed an excellent laterally coupled liquid leakage detection system year by year. modules together. The host computer compares the average difference of the leakage signal through the filtering algorithm， which can remove the interference caused by the occasional pulse， reduce the system response time and false alarm probability， and improve the sensitivity of the sensor strip. The hardware system includes a signal converter module and an optical fiber sensor module， and uses stm32 as the control chip of the signal converter to transmit and amplify the optical signal. The whole system is installed in cascade through the sensing belt， which fully guarantees the stability of the work， realizes the single-point calibration of each sensing point， and controls the error within 2%.

[Keywords]optical signal technology; liquid leakage detection; application

光信號(hào)技術(shù)與漏液系統(tǒng)的結(jié)合具有十分廣闊的發(fā)展前景，成為了漏液檢測(cè)研究的熱門。本文主要以通過POF光纖外部光源側(cè)向耦合掃描傳感方式，實(shí)現(xiàn)使用STM32光纖的漏液檢測(cè)系統(tǒng)的案例，闡述光信號(hào)技術(shù)的應(yīng)用在漏液檢測(cè)方面的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 利用光信號(hào)的特殊性實(shí)現(xiàn)漏液檢測(cè)

1.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由下位機(jī)硬件和上位機(jī)兩部分構(gòu)成整個(gè)漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將傳感器制作成帶式結(jié)構(gòu)，有效的測(cè)量范圍可以達(dá)到1m，漏液時(shí)發(fā)出的光功率變化信號(hào)，會(huì)被用光纖制作的傳感帶里面的敏感單元捕獲到。變換器會(huì)將捕獲的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并通過中央處理器進(jìn)行處理，再通過總線的通信方式，傳到下1條傳感帶再到上位機(jī)，最終在操作人員的顯示屏中呈現(xiàn)每條傳感探頭的狀態(tài)，可以讓用戶清楚地了解到各標(biāo)定點(diǎn)的漏水情況、基準(zhǔn)點(diǎn)和閾值。

1.2 光信號(hào)實(shí)現(xiàn)漏夜檢測(cè)的原理

光分為可見光與不可見光，在均勻介質(zhì)中沿直線傳播，具有速度快、精度高等特點(diǎn)，不同的光還具有特定的波長(zhǎng)，當(dāng)波長(zhǎng)受到干擾時(shí)便會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。通過光纖人們便能對(duì)光的特性進(jìn)行利用，光纖傳側(cè)向耦合漏液檢測(cè)系統(tǒng)便離不開光纖的作用，光纖傳側(cè)向耦合漏液檢測(cè)探頭的主要構(gòu)成便是聚合物光纖（plastic optical fiber，POF）以及LED燈帶、傳感探針、柔性PGB光纖包層。在Pof光纖的側(cè)面施加光源，可以在光纖的尾端收集到側(cè)向光源耦合的光功率變化。將透明的有機(jī)硅樹脂封裝在LED燈珠的表面可以調(diào)節(jié)發(fā)光的強(qiáng)度與角度分布，讓LED光通過空氣介質(zhì)和樹脂耦合到光纖當(dāng)中。在光纖與LED燈帶中留有一定空隙，以便光的傳播和反射，有機(jī)硅樹脂與空氣介質(zhì)、光纖芯兒、和光纖包層的折射率大有不同，記作N1、N2、N3、N4。光源每一次通過不同介質(zhì)的時(shí)候，都會(huì)因其折射率而發(fā)生改變。從LED燈中發(fā)出的光芒，首先會(huì)通過有機(jī)硅樹脂來到耦合區(qū)域，光源會(huì)在耦合區(qū)域內(nèi)因折射發(fā)生路線改變，如果沒有漏液，該折射以空氣介質(zhì)的折射率為準(zhǔn)，此時(shí)的各個(gè)入射角和反射角記作θ1、θ2、θ3、θ4。一旦發(fā)生漏液情況，便會(huì)以漏液介質(zhì)的折射率發(fā)生改變，繼而改變光線照到光纖入射角，使θ3增大或是減小，能夠射進(jìn)光纖的光線數(shù)量也會(huì)隨之發(fā)生改變。當(dāng)θ3到達(dá)一定的角度，光線才能順利通過光纖，在光纖芯中傳輸，否則會(huì)散射到外界的環(huán)境當(dāng)中，借此原理來推算出光功率的改變，便能判斷漏液檢測(cè)位置是否發(fā)生漏液。以光線其獨(dú)特的物理性質(zhì)，可以保證獲得結(jié)果的可靠性與準(zhǔn)確性。其原理和過程如圖1所示。

2 結(jié)合光信號(hào)技術(shù)對(duì)系統(tǒng)硬件的改變

2.1 光信號(hào)應(yīng)用于傳感帶的設(shè)計(jì)

由于要實(shí)現(xiàn)光技術(shù)的應(yīng)用，以往的漏液檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)已經(jīng)無法達(dá)到光信號(hào)實(shí)現(xiàn)的要求，必須對(duì)材料加以改進(jìn)。選用長(zhǎng)1m寬2mm帶缺陷的POF光纖，分布在光纖傳感帶上，加上LED燈帶和傳感封裝外殼，共同組建傳感裝置。使用銑床對(duì)細(xì)的光纖進(jìn)行加工，把光纖側(cè)面帶缺陷的結(jié)構(gòu)和LED燈珠相對(duì)應(yīng)，形成完美的耦合區(qū)域。LED燈帶方面也有著特定的要求，需要用三通道恒流單線2586級(jí)的ws2811LED驅(qū)動(dòng)芯片與寬5mm的方形貼片式RGB燈珠，2GB燈珠能夠向外散發(fā)，波長(zhǎng)為650nm的紅色穩(wěn)定光源，電路板的材料選為聚酰亞胺，這種材料具有高度的可柔性和可靠性，能夠制作柔性電路板。在燈帶上燈珠之間的距離要保持5cm的距離，用每1珠L(zhǎng)ED燈都要用1片ws2811芯片來控制，使用變換器提供穩(wěn)定的5V電源和燈帶掃描控制信號(hào)。為了能夠充分保護(hù)光纖和LED燈以及實(shí)現(xiàn)導(dǎo)流功能，外殼必須選用PVC材料制作。完成后的整個(gè)漏液檢測(cè)裝置，便能實(shí)現(xiàn)掃描檢測(cè)。

2.2 光信號(hào)應(yīng)用于變換器的設(shè)計(jì)

2.2.1 電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

區(qū)別于傳統(tǒng)的變換器，要想利用光信號(hào)，必須改進(jìn)變換器使之增加光電轉(zhuǎn)換能力和信息處理能力。故而側(cè)面耦合漏液監(jiān)測(cè)裝置的變換器，具有中央控制模塊、傳感帶光源、控制模塊、總線傳輸模塊、信號(hào)調(diào)離和采集模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊以及電源轉(zhuǎn)換模塊。提供12V的穩(wěn)定電源供電，首先通過電源轉(zhuǎn)換模塊，將電壓調(diào)整到內(nèi)部所需值，使用STM32的單片機(jī)作為變換器電路中央處理器，控制LED燈珠進(jìn)行一定頻度的閃爍，LED燈發(fā)出的光會(huì)經(jīng)過光纖缺陷結(jié)構(gòu)的耦合區(qū)域到光纖內(nèi)部進(jìn)行傳輸，再到光電轉(zhuǎn)換模塊把光信號(hào)再轉(zhuǎn)換回電流信號(hào)，通過電流就可以獲得電壓信號(hào)，將信號(hào)放大傳入STM32芯片進(jìn)行分析和編幀處理，再到總線傳輸模塊完成數(shù)據(jù)打包傳送到下1條傳感帶，最終通過多條傳感帶級(jí)聯(lián)和串聯(lián)變換器的方式，將全部數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)進(jìn)行處理和顯示。其中，變換器中不同部分的模塊需要的供電電壓有所不同，信號(hào)調(diào)理電路的正向供電電壓為2.5V，總線傳輸模塊和中控制芯片STM32需要的供電電壓為3.3V，負(fù)向電壓需要達(dá)到-3.3V，LED燈帶所需要的電壓為5V。電源轉(zhuǎn)換模塊是整個(gè)電路中為所有模塊提供穩(wěn)定電壓的重要保障，若想讓其保持正常、高效、穩(wěn)定的工作，必須要配備各種轉(zhuǎn)換電壓的芯片。將電壓轉(zhuǎn)換為5V的lm7805轉(zhuǎn)化芯片，將電壓由5V轉(zhuǎn)化為-3.3V的AMS1117-3.3電源轉(zhuǎn)換芯片，將電壓由5V轉(zhuǎn)為2.5V的AMS117-2.5電源轉(zhuǎn)換芯片，將5V轉(zhuǎn)為-3.3V的lm27761電源轉(zhuǎn)換芯片，可以作為整個(gè)電源變換模塊所需轉(zhuǎn)換芯片的參考。

2.2.2 光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電路設(shè)計(jì)

至于光纖傳感帶方面，想要采集光信號(hào)并通過光電放大器轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)傳輸?shù)叫盘?hào)調(diào)整模塊，想實(shí)現(xiàn)這一過程還需要非常巧妙的設(shè)計(jì)。首先使用sm05pd1a光電放大器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再通過信號(hào)調(diào)理模塊，將信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)并進(jìn)行放大，需要整體電路中具有作為前級(jí)跨導(dǎo)放大電路的主芯片AD8691芯片。再為整個(gè)電路配備相應(yīng)的跨導(dǎo)電阻、匹配電容，來達(dá)到抑制噪聲和降低轉(zhuǎn)換時(shí)間的目的。根據(jù)輸入光強(qiáng)的量級(jí)選擇適當(dāng)阻值、精度的低溫漂電阻，來獲得穩(wěn)定電壓值，并在后面通過放大電路進(jìn)行二級(jí)放大處理，使用AD8666芯片調(diào)整電路內(nèi)阻值的配比，讓傳感探測(cè)獲得的信號(hào)最終放大到足以呈現(xiàn)出來。

3 應(yīng)用光信號(hào)技術(shù)改良上位機(jī)

3.1 上位機(jī)的總體設(shè)計(jì)

總的來說，上位機(jī)軟件主要使用編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)，首先配置串口波特率，到下一步采集基準(zhǔn)值A(chǔ)，設(shè)定傳感點(diǎn)閥值N，監(jiān)測(cè)并采集實(shí)測(cè)值S，然后判斷是否為偶發(fā)尖峰，如果為不是則進(jìn)行判斷基準(zhǔn)值只差與閾值比較是否符合S-A>N，如果不符合直接點(diǎn)亮漏水狀態(tài)指示燈并顯示漏液位置，如果所有判斷條件與預(yù)料相反，則斷定未發(fā)生漏液循環(huán)到監(jiān)測(cè)并采集實(shí)測(cè)值這一步?；鶞?zhǔn)值的應(yīng)對(duì)位點(diǎn)在無漏液的情況下取前120次的平均值，因?yàn)樵谝话闱闆r下，光信號(hào)還是會(huì)因?yàn)橥饨绲沫h(huán)境多少發(fā)生一些改變，所以采集回來的數(shù)值并不一定是固定不變的，需要確立1個(gè)閾值防止出現(xiàn)漏報(bào)。

3.2 上位機(jī)濾波設(shè)計(jì)

濾波設(shè)計(jì)是用光信號(hào)技術(shù)改良后漏液檢測(cè)設(shè)備的特有設(shè)計(jì)。以采集的基準(zhǔn)值和表示檢測(cè)漏水事件變化的曲線圖做比較，隨著時(shí)間的推移，在未漏液的時(shí)候，兩條線基本重合，一旦發(fā)生漏液現(xiàn)象，采集的數(shù)值便會(huì)陡然升高并維持一段時(shí)間，通過這種圖像的形式可以明確的判斷出漏液情況。然而在實(shí)際的使用中發(fā)現(xiàn)沒有發(fā)生漏水情況時(shí)，由于設(shè)備的部分位置過于敏感產(chǎn)生噪聲干擾，進(jìn)而影響采集數(shù)值的準(zhǔn)確性，讓圖像發(fā)生類似于漏液現(xiàn)象的變化。所以要設(shè)計(jì)出不受噪聲干擾，可以過濾無效波段的功能，同時(shí)還要識(shí)別有效的漏液信號(hào)。需要用傳感點(diǎn)的基準(zhǔn)值和閾值，通過采用漏液信號(hào)比干擾波段保持時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出采用差值比較的濾波算法篩選出準(zhǔn)確的漏液信號(hào)。在這一點(diǎn)上，基于STM32的光纖側(cè)向耦合漏液監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)逐步成熟。

4 光信號(hào)改良的漏液檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試與應(yīng)用

將整個(gè)漏液檢測(cè)設(shè)備安置在檢測(cè)的區(qū)域，各個(gè)傳感帶通過串聯(lián)的方式連在一起，然后通過USB接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)連接，監(jiān)視點(diǎn)位會(huì)以表格的形式呈現(xiàn)在界面中，一旦有點(diǎn)位發(fā)生漏液現(xiàn)象，便會(huì)點(diǎn)亮相應(yīng)表格。為了測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)方面，操作人員為系統(tǒng)的檢測(cè)添加了種種困難條件，隨機(jī)抽查50個(gè)測(cè)試點(diǎn)位，以加注水和海水等液體的形式模擬漏液，甚至還調(diào)整實(shí)驗(yàn)溫度來模擬極端環(huán)境，得到的結(jié)果和響應(yīng)時(shí)間記錄下來（如表1所示），如此反復(fù)多次，最終得出了1組可靠的數(shù)據(jù)。通過對(duì)比數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)操作，發(fā)現(xiàn)漏液監(jiān)測(cè)設(shè)備能夠正常工作，而且準(zhǔn)確率和響應(yīng)時(shí)間都遠(yuǎn)高于一般的漏液檢測(cè)裝置，并且在零下20 ℃到50 ℃之間（表2），該裝置依然能夠準(zhǔn)確工作，各個(gè)傳感點(diǎn)獲取的基準(zhǔn)值不會(huì)產(chǎn)生太大的變化。由此可見，應(yīng)用光信號(hào)技術(shù)的漏液檢測(cè)裝置，能夠適應(yīng)更加極端惡劣的環(huán)境適用范圍也會(huì)隨之變廣。

5 光信號(hào)改良的漏液檢測(cè)設(shè)備更具發(fā)展前景

科技在進(jìn)步時(shí)代在發(fā)展，在光信號(hào)的領(lǐng)域人類也不敢說是完全掌握，待日后光信號(hào)技術(shù)得到突破，或許還能將漏夜檢測(cè)裝置的精準(zhǔn)度和響應(yīng)速度再次提升一個(gè)臺(tái)階。像漏液檢測(cè)這類工作對(duì)精準(zhǔn)度和響應(yīng)速度有著極高的要求，尤其是一些輸送產(chǎn)業(yè)，例如石油化工、智能化家居、大型數(shù)據(jù)中心等，漏液檢測(cè)尤為重要，開發(fā)比一般的漏液檢測(cè)設(shè)備效率更好、更優(yōu)秀的光信號(hào)漏液檢測(cè)設(shè)備，對(duì)各行各業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展都有著極大的推動(dòng)作用。

6 結(jié)束語

通過STM32的光纖側(cè)向耦合漏液檢測(cè)裝置這一成功案例，講述傳感單元如何利用光信號(hào)技術(shù)實(shí)現(xiàn)漏液的精確定位和檢查，以及如何通過濾波算法，攻克光信號(hào)技術(shù)受到的影響和問題，進(jìn)一步提高了準(zhǔn)確率和響應(yīng)時(shí)間。最終的實(shí)驗(yàn)表明，用光信號(hào)技術(shù)改良漏液檢測(cè)裝置不僅在精度上比其他漏液檢測(cè)裝置更有保障，而且更能適應(yīng)極端環(huán)境，尤其是電子干擾，在許多輸送管道大型水下設(shè)備等環(huán)境中會(huì)有著極為良好的表現(xiàn)，意味著我國(guó)的科研領(lǐng)域能夠繼續(xù)向著更深層次發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 顏上取，湯昊，劉備，等.基于壓縮感知的HIFU回波信號(hào)降噪研究[J].電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2020，34（11）：19-25.

[2] 侯鈺龍，姚嘉迪，邱婉琳，等.基于光纖多源掃描定位的準(zhǔn)分布式漏水傳感器[J].光學(xué)技術(shù)，2020，46（5）：557-561.

[3] 樊偉，吳定祥，唐立軍.多角度多陣列LED光源控制電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2020，20（8）：69-72，76.