激光式液位測量裝置和激光式光纖液位檢測系統的制作方法

本發明涉及液位檢測領域，特別涉及一種激光式液位測量裝置和激光式光纖液位檢測系統。

背景技術：

液位傳感監測在民用和軍用方面均有廣泛應用。從石油、化工、天然氣等大型企業到油庫、城市油庫，機場油庫，港口油庫，國家儲備油庫，加油站、從酒廠、飲料業廠、牛奶供應廠到造紙廠、監控環保、火災監控報警、保安監控等行業，幾乎涵蓋國民經濟中所有領域。

目前市面上大量的機械類的液位傳感器和電類傳感器可以用于檢測液位高度，但由于電類傳感器引入了電這個易燃因素，對石油、石化等易燃、易爆的產品是十分致命的，會引起極大的安全隱患。目前為止，我國在石油石化等產品為主的易燃、易爆領域里，還不得不使用原始的機械儀表測量液位高度，測量精度和測量量程有限，測量系統不夠智能。

技術實現要素：

本發明的主要目的是提出一種激光式液位測量裝置，旨在檢測液位高度。

為實現上述目的，本發明提出的激光式液位測量裝置，包括發射測量控制主機和光路準直發射與接收單元，所述光路準直發射與接收單元連接所述發射測量控制主機；所述發射測量控制主機包括：發射測量控制單元；主振晶體振蕩信號發生器，連接所述發射測量控制單元；主振調制頻率處理單元，連接所述主振晶體振蕩信號發生器；第一激光發射元件及第二激光發射元件，分別連接所述主振調制頻率處理單元，第一光纖適配器模塊，用于接收所述第一激光發射元件發出的激光；第二光纖適配器模塊，用于接收所述第二激光發射元件發出的激光；第二光路耦合器，分別連接所述第一光纖適配器模塊與所述第二光纖適配器模塊；第一光路耦合器，連接所述第二光路耦合器；光路環形器，連接所述第一光路耦合器；光路準直發射與接收單元,連接所述光路環形器；第一光路衰減器，連接所述第一光路耦合器；第二光路衰減器，連接所述光路環形器；所述第一光路衰減器和所述第二光路衰減器分別連接電控光開關，且所述電控光開關還連接所述發射測量控制單元，所述發射測量控制單元用于控制所述電控光開關的導通與關閉；光檢測二極管組件，連接所述電控光開關；自動增益調節單元,連接所述光檢測二極管組件，且所述自動增益調節單元還連接所述發射測量控制單元；以及本振晶體振蕩信號發生器，連接所述光檢測二極管組件。

優選地，所述發射測量控制單元為單片機。

優選地，所述第一激光發射元件與所述第二激光發射元件具體是通過分別連接模擬開關來連接所述主振調制頻率處理單元。

優選地，所述第一激光發射元件與所述第二激光發射元件均為激光二極管。

優選地，所述第二光路耦合器具體是通過光纖分別連接所述第一光纖適配器模塊與所述第二光纖適配器模塊。

優選地，所述光檢測二極管組件包括光檢測二極管和用于控制所述光檢測二極管的控制單元。

優選地，所述光檢測二極管為雪崩光電二極管。

優選地，所述光路準直發射與接收單元的個數為多個，多個所述所述光路準直發射與接收單元分別連接所述發射測量控制主機。

優選地，還包括光開關矩陣，所述發射測量控制主機的所述光路環形器通過所述光開關矩陣分別連接所述多個光路準直發射與接收單元。

本發明還提出一種激光式光纖液位檢測系統，包括：數據監控中心和上述的激光式液位測量裝置，所述數據監控中心連接所述激光式液位測量裝置的所述發射測量控制主機。

本發明技術方案通過參考光路或測量光路信號通過光檢測二極管組件光電混頻、濾波、放大處理，在通過自動增益調節單元采樣分析和處理。光檢測二極管組件光電混頻把光轉換為電信號，并通過濾波得到低頻率的測量信號，然后對其進行放大濾波處理使適合自動增益調節單元采樣和處理，自動增益調節單元把帶相位信息的模擬測量信號轉換為數字信號，通過對參考和測量信號的分析和處理，在通過應用算法分析和處理即得到測量的液位距離。通過上述的激光式液位測量裝置可以完成對液面高度的準確測量。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖示出的結構獲得其他的附圖。

圖1為本發明激光式液位測量裝置一實施例的結構示意圖；

圖2為本發明激光式光纖液位檢測系統一實施例的結構示意圖。

附圖標號說明：

101 發射測量控制主機

1 光路準直發射與接收單元

2 發射測量控制單元

3 光檢測二極管組件

4 自動增益調節單元

5 主振晶體振蕩信號發生器

6 主振調制頻率處理單元

7 模擬開關

81 第一激光發射元件

82 第二激光發射元件

91 第一光纖適配器模塊

92 第二光纖適配器模塊

10 第二光路耦合器

11 第一光路耦合器

16 光路環形器

22 本振晶體振蕩信號發生器

23 電控光開關

24 第二光路衰減器

25 第一光路衰減器

本發明目的的實現、功能特點及優點將結合實施例，參照附圖做進一步說明。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

需要說明，若本發明實施例中有涉及方向性指示(諸如上、下、左、右、前、后……)，則該方向性指示僅用于解釋在某一特定姿態(如附圖所示)下各部件之間的相對位置關系、運動情況等，如果該特定姿態發生改變時，則該方向性指示也相應地隨之改變。

另外，若本發明實施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，則該“第一”、“第二”等的描述僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示其相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。另外，各個實施例之間的技術方案可以相互結合，但是必須是以本領域普通技術人員能夠實現為基礎，當技術方案的結合出現相互矛盾或無法實現時應當認為這種技術方案的結合不存在，也不在本發明要求的保護范圍之內。

本發明提出一種激光式液位測量裝置。

圖1為本發明激光式液位測量裝置一實施例的結構示意圖。請參照圖1，在本發明實施例中，該激光式液位測量裝置包括包括發射測量控制主機101和光路準直發射與接收單元1，該光路準直發射與接收單元1(激光液位檢測探頭)連接該發射測量控制主機1。

該發射測量控制主機101包括發射測量控制單元2、主振晶體振蕩信號發生器5、主振調制頻率處理單元6、第一激光發射元件81及第二激光發射元件82、第一光纖適配器模塊91、第二光纖適配器模塊92、第二光路耦合器10、第一光路耦合器11、光路環形器16、第一光路衰減器25、第二光路衰減器24、光檢測二極管組件3、自動增益調節單元4以及本振晶體振蕩信號發生器22。

其中，主振晶體振蕩信號發生器5連接該發射測量控制單元2。

主振調制頻率處理單元6連接該主振晶體振蕩信號發生器5。該發射測量控制單元2為單片機。

第一激光發射元件81及第二激光發射元件82分別連接該主振調制頻率處理單元6。具體地，該第一激光發射元件81與該第二激光發射元件82具體是通過分別連接模擬開關7來連接該主振調制頻率處理單元6。該第一激光發射元件81與該第二激光發射元件82均為激光二極管。

第一光纖適配器模塊91用于接收該第一激光發射元件81發出的激光；第二光纖適配器模塊92用于接收該第二激光發射元件82發出的激光。

第二光路耦合器10分別連接該第一光纖適配器模塊91與該第二光纖適配器模塊92。在本實施例中，具體是通過光纖分別連接該第一光纖適配器模塊91與該第二光纖適配器模塊92。

第一光路耦合器11連接該第二光路耦合器10。

光路環形器16連接該第一光路耦合器11，光路準直發射與接收單元1連接該光路環形器16。

第一光路衰減器25連接該第一光路耦合器11。

第二光路衰減器24連接該光路環形器16。

該第一光路衰減器25和該第二光路衰減器24分別連接電控光開關23，且該電控光開關23還連接該發射測量控制單元2，該發射測量控制單元2用于控制該電控光開關23的導通與關閉。

光檢測二極管組件3連接該電控光開關23。在本實施例中，該光檢測二極管組件3包括光檢測二極管和用于控制該光檢測二極管的控制單元。例如，該光檢測二極管為雪崩光電二極管。

自動增益調節單元4連接該光檢測二極管組件3，且該自動增益調節單元4還連接該發射測量控制單元2。

本振晶體振蕩信號發生器22，連接該光檢測二極管組件3。

在其它實施例中，為了該激光式液位測量裝置能夠同時測量多個液位，該光路準直發射與接收單元1的個數可以為多個，該多個該光路準直發射與接收單元1分別連接該發射測量控制主機101。具體地，例如可以采用一開關矩陣，該發射測量控制主機101的該光路環形器16通過該光開關矩陣分別連接所述多個光路準直發射與接收單元1。

如上所述，請繼續參照圖1，在本實施例中，首先是由發射測量控制單元2控制主振晶體振蕩信號發生器5及主振調制頻率處理單元6驅動第二激光發射元件82發射出帶調制驅動載波的波長為λ2的激光光波，該激光光波傳輸給第二光纖適配器模塊92，通過第二光纖適配器模塊92耦合進光纖以傳輸至第二光路耦合器10，再由第二光路耦合器10分出兩路激光光波；其中一路激光光波通過的信號路徑為：第二光路耦合器10→第一光路耦合器11→第一光路衰減器25→電控光開關23→光檢測二極管組件3→自動增益調節單元4→發射測量控制單元2。在該路光傳輸給光檢測二極管組件3的路徑中，電控光開關23來控制第一光路衰減器25與光檢測二極管組件3之間的導通，同時本振晶體振蕩信號發生器22產生本地調制信號于光檢測二極管組件3處進行光電混頻，并通過自動增益調節單元4把電載波信號傳給發射測量控制單元2以便進行采樣和處理得到第二激光發射元件82的本質初始參數，用做測量算法的參考參數。

其中第二路激光光波通過的光纖光路與電信號路徑為：第二光路耦合器10→第一光路耦合器11→光路環形器16→光路準直發射與接收單元1→光路環形器16→第二光路衰減器24→電控光開關23→光檢測二極管組件3→自動增益調節單元4→發射測量控制單元2。在這第二路光傳輸給光檢測二極管組件3的路徑中，電控光開關23來控制第二光路衰減器24與光檢測二極管組件3之間的導通，同時本振晶體振蕩信號發生器22產生本地調制信號于部件3處進行光電混頻，并通過自動增益調節單元4把電載波信號傳給發射測量控制單元2以便進行采樣和處理得到第二激光發射元件82的光纖測量路徑參考初始參數，用做測量算法的參考參數；波長為λ2的調制光載波信號沿現有光纖光路返回并耦合進同一根光纖是通過在光路準直發射與接收單元1中的光學反射膜片實現的。

同時，由主振晶體振蕩信號發生器5及主振調制頻率處理單元6驅動第一激光發射元件81發射出帶調制驅動載波的波長為λ1的激光光波，調制激光光波通過第一光纖適配器模塊91耦合進光纖以傳輸至第二光路耦合器10，由第二光路耦合器10分出2路激光光波，其中1路激光光波通過的信號路徑為：第二光路耦合器10→第一光路耦合器11→第一光路衰減器25→電控光開關23→光檢測二極管組件3→自動增益調節單元4→發射測量控制單元2。在這一路光傳輸給光檢測二極管組件3的路徑中，發射測量控制單元2要配置電控光開關23來控制第一光路衰減器25與光檢測二極管組件3之間的導通，同時本振晶體振蕩信號發生器22產生本地調制信號于光檢測二極管組件3處進行光電混頻，并通過自動增益調節單元4把電載波信號傳給發射測量控制單元2以便進行采樣和處理得到第一激光發射元件81的本質初始參數，用做測量算法的參考參數。

其中第二路激光光波通過的光纖光路與電信號路徑為：第二光路耦合器10→第一光路耦合器11→光路環形器16→光路準直發射與接收單元1→光路環形器16→第二光路衰減器24→電控光開關23→光檢測二極管組件3→自動增益調節單元4→發射測量控制單元2，在這第二路光傳輸給光檢測二極管組件3的路徑中，電控光開關23來控制第二光路衰減器24與光檢測二極管組件3之間的導通，同時本振晶體振蕩信號發生器22產生本地調制信號于部件3處進行光電混頻，并通過自動增益調節單元4把電載波信號傳給發射測量控制單元2以便進行采樣和處理得到第一激光發射元件81的光纖測量路徑參考初始參數。

第二光路衰減器24與第一光路衰減器25是在預定時序控制下分時回收和測量的，為了有效控制回路光信號和測量光信號的測量和處理，需對電控光開關23精確控制。

值得指出的是，所述耦合器第一光路耦合器11、第二光路耦合器10、以及該光路環形器16還可以另外由四個2x1的耦合器實現本發明的第一激光發射元件81、第二激光發射元件82的參考光路；即光路環形器16可以由2X1耦合器替代。

如上所述，通過光路準直發射與接收單元1直接把波長為λ1的光波通過發射鏡片出射到被測面(可借鑒參照圖2)，光路準直發射與接收單元1同時接收從被測面反射射回的光路信號并耦合進同一根光纖，通過第一光路衰減器25、電控光開關23把回路測量光信號送入光檢測二極管組件3進行檢測。參考光信號與測量光信號是在預定時序控制下分時回收和測量的，為了有效控制回路光信號和測量光信號的測量和處理，需對光路開關精確控制。

測量數據的處理和算法分析是由發射測量控制單元2完成的，其依據的測量理論是相位測距理論，根據相位測距理論原理可知，激光光波在傳輸路徑上往返一次的時間T以及調制光波經過的傳輸距離D與時間T的關系可以得到D＝1/2*CT。由調制光波與調制頻率之間的關系可推出D的表達式為：

測尺長度L＝λ/2，其中λ為調制波長，為已知量，由調制頻率決定，求出N和即可求出D。

由圖1可知，參考光路或測量光路信號通過光檢測二極管組件3光電混頻、濾波、放大處理，在通過自動增益調節單元4采樣分析和處理。光檢測二極管組件3光電混頻把光轉換為電信號，并通過濾波得到低頻率的測量信號，然后對其進行放大濾波處理使適合自動增益調節單元4采樣和處理，自動增益調節單元4把帶相位信息的模擬測量信號轉換為數字信號，通過對參考和測量信號的分析和處理，在通過應用算法分析和處理即得到測量的液位距離D。通過上述的激光式液位測量裝置可以完成對液面高度的準確測量。

本發明還提出一種激光式光纖液位檢測系統。圖2為本發明激光式光纖液位檢測系統一實施例的結構示意圖。請參照圖2，本實施例提供的激光式光纖液位檢測系統包括：數據監控中心19和如圖1所述的激光式液位測量裝置，該數據監控中心19連接所述激光式液位測量裝置的該發射測量控制主機101。本實施例中，通過控制數據監控中心19可以隨意選擇控制顯示任意一個儲液容器的液位情況，設置適當的監測參數用于液位實時連續監測，液位報警監測、儲油罐液位數據報表管理和服務等。開發的激光光纖液位應用監測系統，用于針對多通道多目標液位監測系統的有效管理。一個技術員就可以同時監測幾十乃至上百個儲液容器，并且對所有儲液容器的液位數據進行記錄，適合遠程監控測量。

以上所述僅為本發明的優選實施例，并非因此限制本發明的專利范圍，凡是在本發明的發明構思下，利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構變換，或直接/間接運用在其他相關的技術領域均包括在本發明的專利保護范圍內。