基于光纤侧向耦合效应的漏液监测系统设计*

杨雪华，李亦军

(中北大学理学院，山西 太原 030051)

近年来，由于泄漏的液体对设备的危害越来越大，液漏检测设备广泛应用于石油化工、半导体厂房、通信机房、电力设施、图书馆等一切需要防水的场所[1]。光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量(如振幅、频率、相位、偏振等)会因外界因素(如温度、压力、电场、磁场、位移等)的作用而直接或间接地发生变化，因此可以将光纤用做敏感元件来探测各种物理量[2-3]。

和传统的传感器相比，光纤传感器因其抗电磁干扰、本征绝缘以及分布式传感等特性具有无可比拟的优势，使其在易燃易爆、高危险特种行业安全生产监测等领域具有重大的应用潜力[4-5]。

综合考虑，本文提出了一种基于光纤传感实现的新型漏液监测方案。通过在光纤侧面刻蚀侧向耦合结构，同时结合柔性LED 光源，形成光纤侧向耦合效应。通过光电转换以及后续信号处理等单元，搭建了一套完整的漏液监测系统。实验结果表明，所提出的光纤漏液监测系统可以直接根据检测到的耦合介质的折射率变化，将漏液信息转换为光信号，系统测量范围和空间分辨率分别为1.0 m 和0.1 m。而其中的改进型准分布式光纤液漏传感器具有结构简单，响应速度快，成本低，可以弯曲并固定在任何表面上等优点。

1 基于侧向耦合效应的传感原理

1.1 传感探针漏液检测原理

光纤漏液监测系统的设计包含两个要素:传感探针和定位方法。本文引入了一种基于外源耦合的光纤传感方式及定位方法，主要的给光方式是外部给光。两端输出光强，通过后端信号调理电路，最后将信号传输到用户界面，便于实时监测。

图1(a)所示为所提出的准分布式光纤漏液监测系统敏感探针的剖面结构。

图1 传感探针和耦合原理

入射光的典型光线界面如图1(b)所示，耦合区域的折射率为n1，光纤纤芯和光纤包层的折射率分别为n2、n3，①处表示耦合区域为空气时进入光纤纤芯的光线，②处表示耦合区域为漏液时进入光纤纤芯的光线，当漏液渗入耦合区域后，折射率n1将会发生改变，通过耦合区域进入光纤中的光强也会随之改变。耦合区域由空气(n＝1.00)变为漏液(如水，n＝1.33)时，折射率增大，更多的光线折射到耦合介质中。根据斯涅尔定律，可以推导出折射角θt1表示为

式中:θi是入射角。当θt1等于或大于聚合物光纤的临界角(αc＝sin-1(n3/n2))，光线才能真正耦合到聚合物光纤中并在纤芯中传输，否则光线会通过多次反射辐射到周围环境。从上面的等式可以推出，当折射角从θt1增加到θt2，n1从1.00 变为1.33 时(如③处的光路)，耦合到聚合物光纤中的光线也会越多，增加了聚合物光纤中的耦合光强。

图1(a)中的①和②光路图，其中①为无液体光路，②为间隙有液体(水)光路，由于折射率的改变，形成光路聚集现象，因此光纤两端的输出光强增大。实验室对比纯净水和含盐比例为5%的淡盐水，在光源稳定、漏液一定的情况，盐水所产生的输出光强略高一些，大约为几十nW 左右，同时在实验室条件下，液体为透明液体，此耦合原理同样适用。

原理实验中，主要影响输出光强的还有液体透明度，如果透明度较低，液体的物质会吸收一部分光强，则输出光强会降低。传感探针中光源与耦合光纤间距较小，安装方式如图2 所示，经过外部导流装置，流过耦合区域的液体量会相对稳定，所以在液体填满耦合区域过程中，输出光强会先增加然后稳定，本文后面实验结果证明了这一点。

图2 光源与传感光纤位置关系

同时对于通过耦合区域的液体流速，由于液体通过的耦合区域间隙较小(大约为1 mm)，所以液体几乎为渗漏，流速稳定，在一段时间内有持续性，所以输出光强稳定可靠。若耦合区域间隙过宽，流速过大则输出光强会高于无液体状态，但是持续性不好，输出光强增加会出现间断性，不利于信号捕捉监测。

1.2 漏液位点定位原理

图3 为漏液位点定位示意图，传感光纤分布多个传感探针，光纤的一端安装光功率计以检测每个侧向耦合结构的耦合光强。当LED 光源以一定顺序扫描，测试区域的介质折射率发生变化，其相应的输出光脉冲强度也发生变化，将LED 扫描编号与其对应的光脉冲采样信号编码输出，则可以实现漏液位点定位。

图3 漏点定位示意图

1.3 传感检测带设计

通过设计外形结构，将传感光纤封装，形成漏液检测传感带，如图4 所示。每条传感带包括多个传感探针点位，每个传感探针点位的间距，即为设计的空间检测分辨率。当传感探针工作，传感带输出连续的扫描光强脉冲，采集对应的光强脉冲，则可以收集传感探针的数据状态，完成监测。

图4 检测带结构三视图

1.4 传感监测范围与光纤损耗的关系

图5(a)为在2 m 范围内设计20 个传感探针的光脉冲采样输出结果，光纤耦合结构加工参数一致，传感探针距离探测器逐渐增加，输出光强逐渐衰减，表明传感探针设计的数量会增加光衰。耦合结构破坏光纤包层和纤芯，会造成光传输的外泄，增加光衰。

为了减小光衰，加工参数可变的耦合结构，如图5(b)所示，距离探测距离较远，则增加耦合结构的深度来增加耦合光强，同时增加监测范围。监测范围与光纤损耗需要一个合适的参数。由于传感系统主要应用于水下潜航器的易渗漏处，根据具体环境，设计单条传感带监测范围为1 m，分辨率为10 cm，便于通过总线级联安装，组合为长监测范围。传感带外壳设计有导流结构，汇集分辨范围内的液体到某一个传感探针，实现长距离监测和具体位点的定位。

图5 不同耦合结构参数对应的输出光强脉冲

2 漏液监测系统硬件设计

传感系统的设计如图6 所示，系统主要包含传感检测带，变换器(信号调理采集)，和软件上位机三大部分内容。

图6 监测系统总体设计框图

2.1 信号调理

信号调理主要的作用是实现弱光信号的放大，使之可以达到采样芯片的分辨率。弱光检测常用的方法有以下几种:锁相检测法[6]、相关检测法[7]、积分取样法[8]、线性检测法等。对比这几种方法，锁相检测法的锁相放大电路设计难度较大，成本很高，通常多是购买集成模块，不适合本设计；相关检测法中会多次使用模拟乘法器，电路的设计难度较大；积分取样法为信号时域的累加平均，取样点数与频率有关，设计难度较大；而线性检测法为比例放大与数字滤波的结合设计，难度较小，易于实现，本设计应用线性检测法。

对于弱光信号，动态范围较大，且噪声和信号处于同一个量级甚至更大，如何提高信噪比是一个关键问题[9]。

通过设计跨导放大电路模块，如图7 所示，实现弱光信号的前级放大，实现光电流到电压信号的转换，同时将信号放大到毫伏量级。输出信号为:

图7 弱光检测前置电路

式中:Ip为硅光电二极管D1的输出电流；R1、R2、R3组成T 型电阻网络。同时R1≫R3，R2≫R1，R1/R3不能过大，R4与T 型网络的阻抗匹配。

2.2 采集编帧

传感系统需要实现对每一个传感探针的状态收集，因此需要设计编帧模块，将传感探针的位置编帧成地址信息，传输到上位机，漏点位置定位的功能，具体实现框图如图8 所示。

图8 位点定位原理框图

主控芯片通过发送循环的地址递增码，控制传感探针依次工作。ADC 采集对应传感探针输出的传感器信号，通过主控芯片将传感探针的地址与对应ADC 采集值编帧打包，通过通信端口发送给上位机。帧结构包括帧头、传感带序号地址、传感探针地址、ADC 采集值和校验信息。

上位机将有效的传感带序号和传感探针地址，以及对应的采集值从帧结构解码，实时将数据显示出来，这样通过上位机的检测就可以知道哪一个具体的传感探针和传感带检测到漏液事件发生。这就是寻址定位的具体实现过程。

2.3 数字滤波

本次设计参照消抖滤波[10]的方式，对消抖的方式进行改进，由于尖峰脉冲的出现会与漏液检测的有效信号混淆，因此可能出现误判的可能，为了规避这个设计误差，滤波算法的设计应该满足以下两点:

(1)滤除信号采集到的尖峰脉冲；

(2)将无效的尖峰脉冲与真正有效的漏液信号区分；

只有满足以上两点，滤波的目的才能真正的实现。

如图9 所示，其中③表示正常情况下采集值的基准线，①处表示一个偶发尖峰，②处表示检测到有漏液事件的一个变化曲线。对于①处与②处，两处的曲线都有一个变化，如果单纯应用消抖滤波可能会连真正的漏液信号也滤除掉。有效信号与偶发尖峰在持续时间上有着明显的区别，一般尖峰脉冲快速闪烁一次后会回归正常信号，而真正的漏液信号则会持续好多个周期，因此通过设计一个检测脉冲宽度的滤波算法就可以有效地抑制偶发尖峰。滤波算法设计框图如图10 所示，消抖后采集值如图11 所示。

图9 滤波前采集值显示

图10 数字滤波算法设计框图

图11 滤波后的采集值显示

3 (漏液监测系统上位机设计)实验结果

3.1 上位机流程框图

上位机设计流程如图12 所示。上位机界面如图13 所示，主要包括串口波特率配置界面、基准值设定界面、标定界面、阈值判断界面、状态显示界面等组成。其中数据标定根据基准值设定，基准值与测试数据多次比较，设定合理的基准值，只需要设置一次，后续不用再重新标定，标定的阈值是判断漏液状态的主要指标。

图12 上位机流程图

图13 上位机软件监测界面

3.2 漏液判断原理

漏液监测系统的输出结果为有和无两种，即漏液事件发生和没有发生。如图14 所示，为漏液监测阈值设定模拟图。

图14 漏液监测阈值设定

在没有漏液时，系统采集值为常规状态，由于光源的不稳定性，监测值会在一定范围内波动，出现最大值和最小值；而当系统监测到漏液事件，其采集值也是在一定范围内波动，为了能合理地设定监测阈值，将波动采集值通过均值拟合，得出可以表示漏液监测值和未漏液监测值的均值ave2 和ave1 两个测量值，然后将两个参数作差，取其平均值，得到监测阈值，当某些点位的漏液与未漏液的差值较小时，阈值的设定可以设定为高于理论均值。由于工艺的误差，系统的一致性还不够好，因此需要对其每一个监测点位对应的阈值进行拟合标定，以保证系统可以识别漏液事件。

3.3 漏液检测结果

如图15 所示，将传感探针的采集数据回传给上位界面，可以看到采集数据的帧结构，将帧结构解包，读取传感探针的地址信息(位置)。

图15 上位机采集结果

图16 显示了某两个传感探针的状态监测结果，当某两个传感探针的监测状态发生改变，状态指示灯的结果点亮，可以观察到采集到的谱线也出现明显的上升趋势，表示检测正常，可以检测到漏液信息。

图16 某两个传感探针的状态监测结果

搭建检测系统，测试4 条传感带的某些传感探针的结果，在实验室环境下，对测试的结果一一列表，给每个传感测试点位一一加水测试，通过上位机监测测试状态，如表1。

表1 4 条传感带20 个传感探针的监测结果

由于传感探针的工艺控制不够精密，测试结果20 个传感探针有1 个没有检测到结果。漏检率5%，后期可以通过控制工艺，提高检测率。

4 结论

本文提出了一种基于光纤传感实现的新型漏液监测方案，并在实验室环境下进行了实验演示。当传感探针工作时，输出前端传感探针的采集值到上位机，根据上位机的解算，得出每一个传感探针的状态值以及位置信息。如果监测到漏液信息，传感探针输出的光强增大，变化效果明显，通过上位机阈值判断机制，输出报警信号和漏点位置。并且系统实现了响应时间小于1 s，空间测试分辨率小于10 cm。同时分析传感探针的输出光强与漏液的特性(如透明度、折射率、流速)等物理量的关系，并指出监测范围和光衰的关系。通过多次测试传感单元以及漏液监测系统，系统鲁棒性良好，适合多种环境监测，为提高光纤测量应用提供了宝贵的经验。为进一步开发分布式光纤传感器奠定基础。