CN113701853B - 一种基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，包括：获取分布式光纤液位传感器的每个测量点的中心波长和强度；根据获取的每个测量点的中心波长和强度，建立同步样本容量数据库；根据建立的同步样本容量数据库，确定转换累计数；根据转换累计数，判定得到突变点；根据突变点，确定分布式光纤液位传感器的实时液位。本发明解决了分布式光纤液位实时分析解算的关键技术难题，可满足未来液位感知与实时数据输出的需求。

Description

一种基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法。

背景技术

分布式光纤液位测量技术利用光纤作为敏感元件以及传输通道，测量光纤上每一点的光波参数，从而获得准分布式液位信息，具有灵敏度高、动态范围大、频带范围宽、功耗低、寿命长、耐腐蚀、耐高低温环境、抗电磁干扰等优点。在易燃易爆、超低温以及高压环境的液体推进剂贮箱内，光纤液位传感器可实现敏感头无源、本质安全的液位测量，同时光纤本身可以作为信号的远程传输通道，具有一般液位传感器所不具备的技术优势。

现阶段，传统的液位测量方法主要有热电偶以及电容测量方法。热电偶液位传感器为点式液位测量技术，主要利用待测液体的气体-液体流相之间的热变化原理感知液面高度。该技术受到热效应或热传感单元对温度变化的响应时间的影响，较难获得实时液位测量信息。同时，低温推进剂剂的过渡区域气体和液体之间的温差非常小。因此，仅通过温度测量很难满足液位测量对空间分辨率的需求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，解决了分布式光纤液位实时分析解算的关键技术难题，可满足未来液位感知与实时数据输出的需求。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，包括：

获取分布式光纤液位传感器的每个测量点的中心波长和强度；

根据获取的每个测量点的中心波长和强度，建立同步样本容量数据库；

根据建立的同步样本容量数据库，确定转换累计数；

根据转换累计数，判定得到突变点；

根据突变点，确定分布式光纤液位传感器的实时液位。

在上述基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法中，分布式光纤液位传感器为：连续刻写长周期光纤光栅的分布式光纤液位传感器，各长周期光纤光栅采用全同刻写方式。

在上述基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法中，测量点为：长周期光纤光栅；其中，在不同环境下，长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度不同，即液体环境下长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度与气体环境下长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度不同。

在上述基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法中，获取分布式光纤液位传感器的每个测量点的中心波长和强度，包括：

使用基于光频域反射法，定位每一个长周期光纤光栅，将定位的每一个长周期光纤光栅分别作为一个测量点；

获取每一个测量点的中心波长和强度。

在上述基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法中，根据获取的每个测量点的中心波长和强度，建立同步样本容量数据库，包括：

确定每个测量点的中心波长和强度：(λ₁,p₁)、(λ₂,p₂)、…、(λ_i,p_i)、…、(λ_q,p_q)；其中，q表示长周期光纤光栅的刻写容量，λ_i表示第i个测量点的中心波长，p_i表示第i个测量点的强度，i＝1,2,…,q；

根据(λ₁,p₁)、(λ₂,p₂)、…、(λ_i,p_i)、…、(λ_q,p_q)，通过如下公式(1)，依次计算得到相应的中心波长与强度的综合值x₁、x₂、…、x_i、…、x_q：

其中，x_i表示第i个测量点的中心波长与强度的综合值；

根据x₁、x₂、…、x_i、…、x_q，建立同步样本容量数据库。

在上述基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法中，根据建立的同步样本容量数据库，确定转换累计数，包括：

从同步样本容量数据库获取x₁、x₂、…、x_i、…、x_q；

根据x₁、x₂、…、x_i、…、x_q，通过如下公式(2)，依次计算得到相应的秩序列r₁、r₂、…、r_i、…、r_q：

其中，j＝1,2,...,i；

根据得到的秩序列r₁、r₂、…、r_i、…、r_q，通过如下公式(3)，依次计算得到相应的统计量S₁、S₂、…、S_k、…、S_q：

其中，k＝1,2,…,q；S_k表示第k个统计量，用于指示第i个测量点的综合值大于或小于第j个测量点的综合值的累计数，即转换累计数。

在上述基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法中，根据转换累计数，判定得到突变点，包括：

通过如下公式(4)，确定各统计量绝对值的最大值S_E：

S_E＝max(|S₁|,|S₂|,…,|S_k|,…,|S_q|)···(4)

其中，max()表示求最大值函数；

根据公式(4)，计算得到突变检测参数P：

P＝2exp{-6S_E ²/(q³+q²)}···(5)

当p≤0.05时，确定存在突变点，且突变点为S_E所在的测量点。

在上述基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法中，根据突变点，确定分布式光纤液位传感器的实时液位，包括：

确定S_E所在的测量点所对应的长周期光纤光栅，记作长周期光纤光栅E；

根据长周期光纤光栅E在容器内的位置信息，确定容器内的实时液位。

在上述基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法中，还包括：预先对各个长周期光纤光栅在容器内的位置信息进行标定。

在上述基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法中，当光入射到长周期光纤光栅后，光从纤芯衍射到包层；

衍射光的中心波长λ和衍射系数η的表达式如下：

λ＝(n_co-n_cl)Λ···(6)

其中，n_co表示光纤纤芯的有效折射率；n_cl表示光纤包层的有效折射率，n_cl的大小与包层材料和周围环境相关；Λ表示长周期光纤光栅折射率调制的周期；

液体环境下n_cl的值大于气体环境下n_cl的值，即：对于相同的纤芯，长周期光纤光栅衍射光在液体环境下有相对于气体环境更大的强度、以及更小的中心波长偏移；故，当光源开启时，长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度在单位时间t的变化率满足以下关系：

其中，λ_l表示长周期光纤光栅衍射光在液体环境下的中心波长，λ_G表示长周期光纤光栅衍射光在气体环境下的中心波长，p_l表示长周期光纤光栅衍射光在液体环境下的强度，p_G表示长周期光纤光栅衍射光在气体环境下的强度。

本发明具有以下优点：

(1)测量点多：本发明应用光频域反射原理，解调沿光纤长度方向上的每一个长周期光纤光栅的衍射波的中心波长以及强度，获得大容量光波参数信息。

(2)实时快速响应：本发明利用统计方法，对光纤液位传感器的每一个长周期光纤光栅的中心波长以及强度进行计算处理，找到测量信息突变点，从而实时获得溶液的液位信息，响应速度快。

(3)覆盖范围广：本发明将液位测量方式由点式传感提升至分布式传感，在全量程范围内实现高密度的分布式液位测量，显著提升了测量精度及覆盖范围。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法的步骤流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

如图1，在本实施例中，该基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，包括：

步骤101，获取分布式光纤液位传感器的每个测量点的中心波长和强度。

在本实施例中，分布式光纤液位传感器具体可以是指：连续刻写长周期光纤光栅的分布式光纤液位传感器，各长周期光纤光栅采用全同刻写方式。进一步的，测量点具体可以是指：长周期光纤光栅。其中，在不同环境下，长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度不同，即液体环境下长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度与气体环境下长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度不同。

优选的，当光入射到长周期光纤光栅后，光从纤芯衍射到包层。其中，衍射光的中心波长λ和衍射系数η的表达式如下：

λ＝(n_co-n_cl)Λ···(6)

其中，n_co表示光纤纤芯的有效折射率；Λ表示长周期光纤光栅折射率调制的周期。n_cl表示光纤包层的有效折射率，n_cl的大小与包层材料和周围环境相关，一般的，液体环境下n_cl的值大于气体环境下n_cl的值，即：对于相同的纤芯，长周期光纤光栅衍射光在液体环境下有相对于气体环境更大的强度、以及更小的中心波长偏移。

故，当光源开启时，长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度在单位时间t的变化率满足以下关系：

其中，λ_l表示长周期光纤光栅衍射光在液体环境下的中心波长，λ_G表示长周期光纤光栅衍射光在气体环境下的中心波长，p_l表示长周期光纤光栅衍射光在液体环境下的强度，p_G表示长周期光纤光栅衍射光在气体环境下的强度。

优选的，可以使用基于光频域反射法，定位每一个长周期光纤光栅，将定位的每一个长周期光纤光栅分别作为一个测量点；然后，获取每一个测量点的中心波长和强度。

步骤102，根据获取的每个测量点的中心波长和强度，建立同步样本容量数据库。

在本实施例中，可以先确定每个测量点的中心波长和强度：(λ₁,p₁)、(λ₂,p₂)、…、(λ_i,p_i)、…、(λ_q,p_q)；其中，q表示长周期光纤光栅的刻写容量，λ_i表示第i个测量点的中心波长，p_i表示第i个测量点的强度，i＝1,2,…,q。

然后，根据(λ₁,p₁)、(λ₂,p₂)、…、(λ_i,p_i)、…、(λ_q,p_q)，通过如下公式(1)，依次计算得到相应的中心波长与强度的综合值x₁、x₂、…、x_i、…、x_q：

其中，x_i表示第i个测量点的中心波长与强度的综合值。

最后，根据x₁、x₂、…、x_i、…、x_q，建立同步样本容量数据库。

步骤103，根据建立的同步样本容量数据库，确定转换累计数。

在本实施例中，可以从同步样本容量数据库获取x₁、x₂、…、x_i、…、x_q。

然后，根据x₁、x₂、…、x_i、…、x_q，通过如下公式(2)，依次计算得到相应的秩序列r₁、r₂、…、r_i、…、r_q：

其中，j＝1,2,...,i；每个测量点对应一个测量时刻，即这里的秩序列r_i具体可以是指第i测量时刻的数值大于或小于第j测量时刻的数值个数的累计数。

最后，根据得到的秩序列r₁、r₂、…、r_i、…、r_q，通过如下公式(3)，依次计算得到相应的统计量S₁、S₂、…、S_k、…、S_q：

其中，k＝1,2,…,q；S_k表示第k个统计量，用于指示第i个测量点的综合值大于或小于第j个测量点的综合值的累计数，即转换累计数。

步骤104，根据转换累计数，判定得到突变点。

在本实施例中，可以通过如下公式(4)，确定各统计量绝对值的最大值S_E：

S_E＝max(|S₁|,|S₂|,…,|S_k|,…,|S_q|)···(4)

其中，max()表示求最大值函数。

根据公式(4)，计算得到突变检测参数P：

P＝2exp{-6S_E ²/(q³+q²)}···(5)

当p≤0.05时，确定存在突变点，且突变点为S_E所在的测量点。

步骤105，根据突变点，确定分布式光纤液位传感器的实时液位。

在本实施例中，可以预先对各个长周期光纤光栅在容器内的位置信息进行标定。故，可以先确定S_E所在的测量点所对应的长周期光纤光栅，记作长周期光纤光栅E；然后，根据长周期光纤光栅E在容器内的位置信息，确定容器内的实时液位。

综上所述，本发明所述的基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，利用液体与气体环境的不同，通过区分光纤在不同环境下反射光中心波长的变化，获得液位的准确信息。该方法安全性更高、测量精度更高、测量范围更大。可用于腐蚀性或有毒液体而不会损坏传感器，同时也不会污染待测液体，比其他电学传感器更轻、更便捷、更安全。这种精度的提高、覆盖范围的增加以及安全性的提升将对液位测量领域的未来发展起到至关重要的作用。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (7)

1.一种基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，其特征在于，包括：

获取分布式光纤液位传感器的每个测量点的中心波长和强度；

根据获取的每个测量点的中心波长和强度，建立同步样本容量数据库；

根据建立的同步样本容量数据库，确定转换累计数；

根据转换累计数，判定得到突变点；

根据突变点，确定分布式光纤液位传感器的实时液位；

其中：

根据获取的每个测量点的中心波长和强度，建立同步样本容量数据库，包括：

确定每个测量点的中心波长和强度：(λ₁,p₁)、(λ₂,p₂)、…、(λ_i,p_i)、…、(λ_q,p_q)；其中，q表示长周期光纤光栅的刻写容量，λ_i表示第i个测量点的中心波长，p_i表示第i个测量点的强度，i＝1,2,...,q；

根据(λ₁,p₁)、(λ₂,p₂)、...、(λ_i,p_i)、...、(λ_q,p_q)，通过如下公式(1)，依次计算得到相应的中心波长与强度的综合值x₁、x₂、...、x_i、...、x_q：

其中，x_i表示第i个测量点的中心波长与强度的综合值；

根据x₁、x₂、...、x_i、...、x_q，建立同步样本容量数据库；

根据建立的同步样本容量数据库，确定转换累计数，包括：

从同步样本容量数据库获取x₁、x₂、…、x_i、…、x_q；

根据x₁、x₂、…、x_i、…、x_q，通过如下公式(2)，依次计算得到相应的秩序列r₁、r₂、…、r_i、…、r_q：

其中，j＝1,2,...,i；

根据得到的秩序列r₁、r₂、…、r_i、…、r_q，通过如下公式(3)，依次计算得到相应的统计量S₁、S₂、…、S_k、…、S_q：

其中，k＝1,2,…,q；S_k表示第k个统计量，用于指示第i个测量点的综合值大于或小于第j个测量点的综合值的累计数，即转换累计数；

根据转换累计数，判定得到突变点，包括：

通过如下公式(4)，确定各统计量绝对值的最大值S_E：

S_E＝max(|S₁|,|S₂|,...,|S_k|,...,|S_q|)…(4)

其中，max()表示求最大值函数；

根据公式(4)，计算得到突变检测参数P：

P＝2exp{-6S_E ²/(q³+q²)}…(5)

当p≤0.05时，确定存在突变点，且突变点为S_E所在的测量点。

2.根据权利要求1所述的基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，其特征在于，分布式光纤液位传感器为：连续刻写长周期光纤光栅的分布式光纤液位传感器，各长周期光纤光栅采用全同刻写方式。

3.根据权利要求2所述的基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，其特征在于，测量点为：长周期光纤光栅；其中，在不同环境下，长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度不同，即液体环境下长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度与气体环境下长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度不同。

4.根据权利要求3所述的基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，其特征在于，获取分布式光纤液位传感器的每个测量点的中心波长和强度，包括：

使用基于光频域反射法，定位每一个长周期光纤光栅，将定位的每一个长周期光纤光栅分别作为一个测量点；

获取每一个测量点的中心波长和强度。

5.根据权利要求4所述的基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，其特征在于，根据突变点，确定分布式光纤液位传感器的实时液位，包括：

确定S_E所在的测量点所对应的长周期光纤光栅，记作长周期光纤光栅E；

根据长周期光纤光栅E在容器内的位置信息，确定容器内的实时液位。

6.根据权利要求5所述的基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，其特征在于，还包括：预先对各个长周期光纤光栅在容器内的位置信息进行标定。

7.根据权利要求3所述的基于分布式光纤液位传感器的实时液位测量分析方法，其特征在于，当光入射到长周期光纤光栅后，光从纤芯衍射到包层；

衍射光的中心波长λ和衍射系数η的表达式如下：

λ＝(n_co-n_cl)Λ…(6)

其中，n_co表示光纤纤芯的有效折射率；n_cl表示光纤包层的有效折射率，n_cl的大小与包层材料和周围环境相关；Λ表示长周期光纤光栅折射率调制的周期；

液体环境下n_cl的值大于气体环境下n_cl的值，即：对于相同的纤芯，长周期光纤光栅衍射光在液体环境下有相对于气体环境更大的强度、以及更小的中心波长偏移；故，当光源开启时，长周期光纤光栅衍射光的中心波长和强度在单位时间t的变化率满足以下关系：

其中，λ_l表示长周期光纤光栅衍射光在液体环境下的中心波长，λ_G表示长周期光纤光栅衍射光在气体环境下的中心波长，p_l表示长周期光纤光栅衍射光在液体环境下的强度，p_G表示长周期光纤光栅衍射光在气体环境下的强度。

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