基于光纖側向耦合效應的漏液監測系統設計*

楊雪華，李亦軍

(中北大學理學院，山西 太原 030051)

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

和傳統的傳感器相比，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可比擬的優勢，使其在易燃易爆、高危險特種行業安全生產監測等領域具有重大的應用潛力[4-5]。

綜合考慮，本文提出了一種基于光纖傳感實現的新型漏液監測方案。通過在光纖側面刻蝕側向耦合結構，同時結合柔性LED 光源，形成光纖側向耦合效應。通過光電轉換以及后續信號處理等單元，搭建了一套完整的漏液監測系統。實驗結果表明，所提出的光纖漏液監測系統可以直接根據檢測到的耦合介質的折射率變化，將漏液信息轉換為光信號，系統測量范圍和空間分辨率分別為1.0 m 和0.1 m。而其中的改進型準分布式光纖液漏傳感器具有結構簡單，響應速度快，成本低，可以彎曲并固定在任何表面上等優點。

1 基于側向耦合效應的傳感原理

1.1 傳感探針漏液檢測原理

光纖漏液監測系統的設計包含兩個要素: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，通過后端信號調理電路，最后將信號傳輸到用戶界面，便于實時監測。

圖1(a)所示為所提出的準分布式光纖漏液監測系統敏感探針的剖面結構。

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處表示耦合區域為空氣時進入光纖纖芯的光線，②處表示耦合區域為漏液時進入光纖纖芯的光線，當漏液滲入耦合區域后，折射率n1將會發生改變，通過耦合區域進入光纖中的光強也會隨之改變。耦合區域由空氣(n＝1.00)變為漏液(如水，n＝1.33)時，折射率增大，更多的光線折射到耦合介質中。根據斯涅爾定律，可以推導出折射角θt1表示為

式中:θi是入射角。當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，否則光線會通過多次反射輻射到周圍環境。從上面的等式可以推出，當折射角從θt1增加到θt2，n1從1.00 變為1.33 時(如③處的光路)，耦合到聚合物光纖中的光線也會越多，增加了聚合物光纖中的耦合光強。

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

原理實驗中，主要影響輸出光強的還有液體透明度，如果透明度較低，液體的物質會吸收一部分光強，則輸出光強會降低。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，經過外部導流裝置，流過耦合區域的液體量會相對穩定，所以在液體填滿耦合區域過程中，輸出光強會先增加然后穩定，本文后面實驗結果證明了這一點。

圖2 光源與傳感光纖位置關系

同時對于通過耦合區域的液體流速，由于液體通過的耦合區域間隙較小(大約為1 mm)，所以液體幾乎為滲漏，流速穩定，在一段時間內有持續性，所以輸出光強穩定可靠。若耦合區域間隙過寬，流速過大則輸出光強會高于無液體狀態，但是持續性不好，輸出光強增加會出現間斷性，不利于信號捕捉監測。

1.2 漏液位點定位原理

圖3 為漏液位點定位示意圖，傳感光纖分布多個傳感探針，光纖的一端安裝光功率計以檢測每個側向耦合結構的耦合光強。當LED 光源以一定順序掃描，測試區域的介質折射率發生變化，其相應的輸出光脈沖強度也發生變化，將LED 掃描編號與其對應的光脈沖采樣信號編碼輸出，則可以實現漏液位點定位。

圖3 漏點定位示意圖

1.3 傳感檢測帶設計

通過設計外形結構，將傳感光纖封裝，形成漏液檢測傳感帶，如圖4 所示。每條傳感帶包括多個傳感探針點位，每個傳感探針點位的間距，即為設計的空間檢測分辨率。當傳感探針工作，傳感帶輸出連續的掃描光強脈沖，采集對應的光強脈沖，則可以收集傳感探針的數據狀態，完成監測。

圖4 檢測帶結構三視圖

1.4 傳感監測范圍與光纖損耗的關系

圖5(a)為在2 m 范圍內設計20 個傳感探針的光脈沖采樣輸出結果，光纖耦合結構加工參數一致，傳感探針距離探測器逐漸增加，輸出光強逐漸衰減，表明傳感探針設計的數量會增加光衰。耦合結構破壞光纖包層和纖芯，會造成光傳輸的外泄，增加光衰。

為了減小光衰，加工參數可變的耦合結構，如圖5(b)所示，距離探測距離較遠，則增加耦合結構的深度來增加耦合光強，同時增加監測范圍。監測范圍與光纖損耗需要一個合適的參數。由于傳感系統主要應用于水下潛航器的易滲漏處，根據具體環境，設計單條傳感帶監測范圍為1 m，分辨率為10 cm，便于通過總線級聯安裝，組合為長監測范圍。傳感帶外殼設計有導流結構，匯集分辨范圍內的液體到某一個傳感探針，實現長距離監測和具體位點的定位。

圖5 不同耦合結構參數對應的輸出光強脈沖

2 漏液監測系統硬件設計

傳感系統的設計如圖6 所示，系統主要包含傳感檢測帶，變換器(信號調理采集)，和軟件上位機三大部分內容。

圖6 監測系統總體設計框圖

2.1 信號調理

信號調理主要的作用是實現弱光信號的放大，使之可以達到采樣芯片的分辨率。弱光檢測常用的方法有以下幾種:鎖相檢測法[6]、相關檢測法[7]、積分取樣法[8]、線性檢測法等。對比這幾種方法，鎖相檢測法的鎖相放大電路設計難度較大，成本很高，通常多是購買集成模塊，不適合本設計；相關檢測法中會多次使用模擬乘法器，電路的設計難度較大；積分取樣法為信號時域的累加平均，取樣點數與頻率有關，設計難度較大；而線性檢測法為比例放大與數字濾波的結合設計，難度較小，易于實現，本設計應用線性檢測法。

對于弱光信號，動態范圍較大，且噪聲和信號處于同一個量級甚至更大，如何提高信噪比是一個關鍵問題[9]。

通過設計跨導放大電路模塊，如圖7 所示，實現弱光信號的前級放大，實現光電流到電壓信號的轉換，同時將信號放大到毫伏量級。輸出信號為:

圖7 弱光檢測前置電路

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

2.2 采集編幀

傳感系統需要實現對每一個傳感探針的狀態收集，因此需要設計編幀模塊，將傳感探針的位置編幀成地址信息，傳輸到上位機，漏點位置定位的功能，具體實現框圖如圖8 所示。

圖8 位點定位原理框圖

主控芯片通過發送循環的地址遞增碼，控制傳感探針依次工作。ADC 采集對應傳感探針輸出的傳感器信號，通過主控芯片將傳感探針的地址與對應ADC 采集值編幀打包，通過通信端口發送給上位機。幀結構包括幀頭、傳感帶序號地址、傳感探針地址、ADC 采集值和校驗信息。

上位機將有效的傳感帶序號和傳感探針地址，以及對應的采集值從幀結構解碼，實時將數據顯示出來，這樣通過上位機的檢測就可以知道哪一個具體的傳感探針和傳感帶檢測到漏液事件發生。這就是尋址定位的具體實現過程。

2.3 數字濾波

本次設計參照消抖濾波[10]的方式，對消抖的方式進行改進，由于尖峰脈沖的出現會與漏液檢測的有效信號混淆，因此可能出現誤判的可能，為了規避這個設計誤差，濾波算法的設計應該滿足以下兩點:

(1)濾除信號采集到的尖峰脈沖；

(2)將無效的尖峰脈沖與真正有效的漏液信號區分；

只有滿足以上兩點，濾波的目的才能真正的實現。

如圖9 所示，其中③表示正常情況下采集值的基準線，①處表示一個偶發尖峰，②處表示檢測到有漏液事件的一個變化曲線。對于①處與②處，兩處的曲線都有一個變化，如果單純應用消抖濾波可能會連真正的漏液信號也濾除掉。有效信號與偶發尖峰在持續時間上有著明顯的區別，一般尖峰脈沖快速閃爍一次后會回歸正常信號，而真正的漏液信號則會持續好多個周期，因此通過設計一個檢測脈沖寬度的濾波算法就可以有效地抑制偶發尖峰。濾波算法設計框圖如圖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 數字濾波算法設計框圖

圖11 濾波后的采集值顯示

3 (漏液監測系統上位機設計)實驗結果

3.1 上位機流程框圖

上位機設計流程如圖12 所示。上位機界面如圖13 所示，主要包括串口波特率配置界面、基準值設定界面、標定界面、閾值判斷界面、狀態顯示界面等組成。其中數據標定根據基準值設定，基準值與測試數據多次比較，設定合理的基準值，只需要設置一次，后續不用再重新標定，標定的閾值是判斷漏液狀態的主要指標。

圖12 上位機流程圖

圖13 上位機軟件監測界面

3.2 漏液判斷原理

漏液監測系統的輸出結果為有和無兩種，即漏液事件發生和沒有發生。如圖14 所示，為漏液監測閾值設定模擬圖。

圖14 漏液監測閾值設定

在沒有漏液時，系統采集值為常規狀態，由于光源的不穩定性，監測值會在一定范圍內波動，出現最大值和最小值；而當系統監測到漏液事件，其采集值也是在一定范圍內波動，為了能合理地設定監測閾值，將波動采集值通過均值擬合，得出可以表示漏液監測值和未漏液監測值的均值ave2 和ave1 兩個測量值，然后將兩個參數作差，取其平均值，得到監測閾值，當某些點位的漏液與未漏液的差值較小時，閾值的設定可以設定為高于理論均值。由于工藝的誤差，系統的一致性還不夠好，因此需要對其每一個監測點位對應的閾值進行擬合標定，以保證系統可以識別漏液事件。

3.3 漏液檢測結果

如圖15 所示，將傳感探針的采集數據回傳給上位界面，可以看到采集數據的幀結構，將幀結構解包，讀取傳感探針的地址信息(位置)。

圖15 上位機采集結果

圖16 顯示了某兩個傳感探針的狀態監測結果，當某兩個傳感探針的監測狀態發生改變，狀態指示燈的結果點亮，可以觀察到采集到的譜線也出現明顯的上升趨勢，表示檢測正常，可以檢測到漏液信息。

圖16 某兩個傳感探針的狀態監測結果

搭建檢測系統，測試4 條傳感帶的某些傳感探針的結果，在實驗室環境下，對測試的結果一一列表，給每個傳感測試點位一一加水測試，通過上位機監測測試狀態，如表1。

表1 4 條傳感帶20 個傳感探針的監測結果

由于傳感探針的工藝控制不夠精密，測試結果20 個傳感探針有1 個沒有檢測到結果。漏檢率5%，后期可以通過控制工藝，提高檢測率。

4 結論

本文提出了一種基于光纖傳感實現的新型漏液監測方案，并在實驗室環境下進行了實驗演示。當傳感探針工作時，輸出前端傳感探針的采集值到上位機，根據上位機的解算，得出每一個傳感探針的狀態值以及位置信息。如果監測到漏液信息，傳感探針輸出的光強增大，變化效果明顯，通過上位機閾值判斷機制，輸出報警信號和漏點位置。并且系統實現了響應時間小于1 s，空間測試分辨率小于10 cm。同時分析傳感探針的輸出光強與漏液的特性(如透明度、折射率、流速)等物理量的關系，并指出監測范圍和光衰的關系。通過多次測試傳感單元以及漏液監測系統，系統魯棒性良好，適合多種環境監測，為提高光纖測量應用提供了寶貴的經驗。為進一步開發分布式光纖傳感器奠定基礎。