[实用新型]一种基于三光纤光栅结构的水位监测装置

说明书

技术领域

本实用新型是一种基于光纤光栅技术的水位监测装置，涉及液位的测量和水利工程技术领域。

背景技术

水位作为指示河流、库区汛情的基本水文要素之一，是水情信息的重要组成部分和水文测验中最基本的项目之一，也是堤库大坝安全、水利排灌、蓄水泄洪、防洪调度及洪水预报的主要参数和重要依据。改进洪水预报、预报洪水路径和控制洪水的基本要求之一便在于水位的精确测量。如果没有提前进行有效的水位监测，则在遇到洪水、台风等异常天气状况下，因水位达到警戒线而造成江堤决口、大水冲毁堤坝、库岸滑坡等恶性事故时有发生，由此给国家和人民生命财产带来巨大的损失。

现有的水位测量采用了各种传感器技术，常见的有浮子式水位计、压阻式水位计、气泡式水位计、电子水尺等，这些传统的监测方式虽然能够实现水位测量，但都存在一定的局限性，如监测精度不高，系统耗材多、功耗大、抗干扰能力低、易老化或遭到腐蚀、磨损等，扩展性能差，布线繁琐，安装与维护复杂等；对于一些新兴的非接触式水位计，如雷达式、激光式、声波式等，虽然具有测量精度高、量程大、技术先进等特点，但价格相对昂贵，对设备安装要求高，测量范围受到探测角度的限制，设备故障发生率和误报率高，需定时率定。

光纤光栅是近几年发展最为迅速的光纤无源器件。它是利用光纤材料的光敏特性在光纤的纤芯上建立的一种空间周期性折射率分布，其作用在于改变或控制光在该区域的传播行为方式。除具有普通光纤抗电磁干扰、尺寸小、重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等特点外，光纤光栅还具有其独特的特性：易于与光耦合、耦合损耗小、易于波分复用等。因而使得光纤光栅在光纤通讯和光纤传感等领域有着广阔的前景。作为光子研究领域的一种新兴技术，以光纤光栅为基本传感器件的传感技术近年来受到普遍关注，各国研究者积极开展有关研究工作。目前，已报道的光纤光栅传感器可以监测的物理量有：温度、应变、压力、位移、压强、扭角、扭矩(扭应力)、加速度、电流、电压、磁场、频率、浓度、热膨胀系数、振动等，其中一部分光纤光栅传感系统已经实际应用。

光纤布拉格光栅（Fiber Bragg Grating）是最简单、最普遍的一种光纤光栅。它是一段折射率呈周期性变化的光纤，其折射率调制深度和光栅周期一般都是常数。温度、应变的变化会引起光纤布拉格光栅的周期和折射率的变化，从而使光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱发生变化。通过检测光纤布拉格光栅的反射谱和透射谱的变化，就可以获得相应的温度和应变的信息，这就是用光纤布拉格光栅测量温度和应变的基本原理。

由耦合模理论可知，均匀的光纤布拉格光栅可以将其中传输的一个导模耦合到另一个沿相反方向传输的导模而形成窄带反射，峰值反射波长（布拉格波长）λw为：

λ_w＝2n_effΛ    （1）

式中：λ_w为布拉格波长；n_eff为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅栅距。

对式(1)微分可得光栅的中心波长与温度和应变的关系：

Δλwλw=(αf+ξ)ΔT+(1-Pe)ϵ---(2)]]>

式中：α_f为光纤的热膨胀系数；ξ为光纤材料的热光系数；P_e为光纤材料的弹光系数。由式（2）可知，应变ε是由于光纤布拉格光栅周期的伸缩和弹光效应引起布拉格波长的变化，而温度T是由于光纤布拉格光栅热膨胀效应和热光效应引起布拉格波长的变化。