激光式液位测量装置和激光式光纤液位检测系统的制作方法

本发明涉及液位检测领域，特别涉及一种激光式液位测量装置和激光式光纤液位检测系统。

背景技术：

液位传感监测在民用和军用方面均有广泛应用。从石油、化工、天然气等大型企业到油库、城市油库，机场油库，港口油库，国家储备油库，加油站、从酒厂、饮料业厂、牛奶供应厂到造纸厂、监控环保、火灾监控报警、保安监控等行业，几乎涵盖国民经济中所有领域。

目前市面上大量的机械类的液位传感器和电类传感器可以用于检测液位高度，但由于电类传感器引入了电这个易燃因素，对石油、石化等易燃、易爆的产品是十分致命的，会引起极大的安全隐患。目前为止，我国在石油石化等产品为主的易燃、易爆领域里，还不得不使用原始的机械仪表测量液位高度，测量精度和测量量程有限，测量系统不够智能。

技术实现要素：

本发明的主要目的是提出一种激光式液位测量装置，旨在检测液位高度。

为实现上述目的，本发明提出的激光式液位测量装置，包括发射测量控制主机和光路准直发射与接收单元，所述光路准直发射与接收单元连接所述发射测量控制主机；所述发射测量控制主机包括：发射测量控制单元；主振晶体振荡信号发生器，连接所述发射测量控制单元；主振调制频率处理单元，连接所述主振晶体振荡信号发生器；第一激光发射元件及第二激光发射元件，分别连接所述主振调制频率处理单元，第一光纤适配器模块，用于接收所述第一激光发射元件发出的激光；第二光纤适配器模块，用于接收所述第二激光发射元件发出的激光；第二光路耦合器，分别连接所述第一光纤适配器模块与所述第二光纤适配器模块；第一光路耦合器，连接所述第二光路耦合器；光路环形器，连接所述第一光路耦合器；光路准直发射与接收单元,连接所述光路环形器；第一光路衰减器，连接所述第一光路耦合器；第二光路衰减器，连接所述光路环形器；所述第一光路衰减器和所述第二光路衰减器分别连接电控光开关，且所述电控光开关还连接所述发射测量控制单元，所述发射测量控制单元用于控制所述电控光开关的导通与关闭；光检测二极管组件，连接所述电控光开关；自动增益调节单元,连接所述光检测二极管组件，且所述自动增益调节单元还连接所述发射测量控制单元；以及本振晶体振荡信号发生器，连接所述光检测二极管组件。

优选地，所述发射测量控制单元为单片机。

优选地，所述第一激光发射元件与所述第二激光发射元件具体是通过分别连接模拟开关来连接所述主振调制频率处理单元。

优选地，所述第一激光发射元件与所述第二激光发射元件均为激光二极管。

优选地，所述第二光路耦合器具体是通过光纤分别连接所述第一光纤适配器模块与所述第二光纤适配器模块。

优选地，所述光检测二极管组件包括光检测二极管和用于控制所述光检测二极管的控制单元。

优选地，所述光检测二极管为雪崩光电二极管。

优选地，所述光路准直发射与接收单元的个数为多个，多个所述所述光路准直发射与接收单元分别连接所述发射测量控制主机。

优选地，还包括光开关矩阵，所述发射测量控制主机的所述光路环形器通过所述光开关矩阵分别连接所述多个光路准直发射与接收单元。

本发明还提出一种激光式光纤液位检测系统，包括：数据监控中心和上述的激光式液位测量装置，所述数据监控中心连接所述激光式液位测量装置的所述发射测量控制主机。

本发明技术方案通过参考光路或测量光路信号通过光检测二极管组件光电混频、滤波、放大处理，在通过自动增益调节单元采样分析和处理。光检测二极管组件光电混频把光转换为电信号，并通过滤波得到低频率的测量信号，然后对其进行放大滤波处理使适合自动增益调节单元采样和处理，自动增益调节单元把带相位信息的模拟测量信号转换为数字信号，通过对参考和测量信号的分析和处理，在通过应用算法分析和处理即得到测量的液位距离。通过上述的激光式液位测量装置可以完成对液面高度的准确测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明激光式液位测量装置一实施例的结构示意图；

图2为本发明激光式光纤液位检测系统一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

101 发射测量控制主机

1 光路准直发射与接收单元

2 发射测量控制单元

3 光检测二极管组件

4 自动增益调节单元

5 主振晶体振荡信号发生器

6 主振调制频率处理单元

7 模拟开关

81 第一激光发射元件

82 第二激光发射元件

91 第一光纤适配器模块

92 第二光纤适配器模块

10 第二光路耦合器

11 第一光路耦合器

16 光路环形器

22 本振晶体振荡信号发生器

23 电控光开关

24 第二光路衰减器

25 第一光路衰减器

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种激光式液位测量装置。

图1为本发明激光式液位测量装置一实施例的结构示意图。请参照图1，在本发明实施例中，该激光式液位测量装置包括包括发射测量控制主机101和光路准直发射与接收单元1，该光路准直发射与接收单元1(激光液位检测探头)连接该发射测量控制主机1。

该发射测量控制主机101包括发射测量控制单元2、主振晶体振荡信号发生器5、主振调制频率处理单元6、第一激光发射元件81及第二激光发射元件82、第一光纤适配器模块91、第二光纤适配器模块92、第二光路耦合器10、第一光路耦合器11、光路环形器16、第一光路衰减器25、第二光路衰减器24、光检测二极管组件3、自动增益调节单元4以及本振晶体振荡信号发生器22。

其中，主振晶体振荡信号发生器5连接该发射测量控制单元2。

主振调制频率处理单元6连接该主振晶体振荡信号发生器5。该发射测量控制单元2为单片机。

第一激光发射元件81及第二激光发射元件82分别连接该主振调制频率处理单元6。具体地，该第一激光发射元件81与该第二激光发射元件82具体是通过分别连接模拟开关7来连接该主振调制频率处理单元6。该第一激光发射元件81与该第二激光发射元件82均为激光二极管。

第一光纤适配器模块91用于接收该第一激光发射元件81发出的激光；第二光纤适配器模块92用于接收该第二激光发射元件82发出的激光。

第二光路耦合器10分别连接该第一光纤适配器模块91与该第二光纤适配器模块92。在本实施例中，具体是通过光纤分别连接该第一光纤适配器模块91与该第二光纤适配器模块92。

第一光路耦合器11连接该第二光路耦合器10。

光路环形器16连接该第一光路耦合器11，光路准直发射与接收单元1连接该光路环形器16。

第一光路衰减器25连接该第一光路耦合器11。

第二光路衰减器24连接该光路环形器16。

该第一光路衰减器25和该第二光路衰减器24分别连接电控光开关23，且该电控光开关23还连接该发射测量控制单元2，该发射测量控制单元2用于控制该电控光开关23的导通与关闭。

光检测二极管组件3连接该电控光开关23。在本实施例中，该光检测二极管组件3包括光检测二极管和用于控制该光检测二极管的控制单元。例如，该光检测二极管为雪崩光电二极管。

自动增益调节单元4连接该光检测二极管组件3，且该自动增益调节单元4还连接该发射测量控制单元2。

本振晶体振荡信号发生器22，连接该光检测二极管组件3。

在其它实施例中，为了该激光式液位测量装置能够同时测量多个液位，该光路准直发射与接收单元1的个数可以为多个，该多个该光路准直发射与接收单元1分别连接该发射测量控制主机101。具体地，例如可以采用一开关矩阵，该发射测量控制主机101的该光路环形器16通过该光开关矩阵分别连接所述多个光路准直发射与接收单元1。

如上所述，请继续参照图1，在本实施例中，首先是由发射测量控制单元2控制主振晶体振荡信号发生器5及主振调制频率处理单元6驱动第二激光发射元件82发射出带调制驱动载波的波长为λ2的激光光波，该激光光波传输给第二光纤适配器模块92，通过第二光纤适配器模块92耦合进光纤以传输至第二光路耦合器10，再由第二光路耦合器10分出两路激光光波；其中一路激光光波通过的信号路径为：第二光路耦合器10→第一光路耦合器11→第一光路衰减器25→电控光开关23→光检测二极管组件3→自动增益调节单元4→发射测量控制单元2。在该路光传输给光检测二极管组件3的路径中，电控光开关23来控制第一光路衰减器25与光检测二极管组件3之间的导通，同时本振晶体振荡信号发生器22产生本地调制信号于光检测二极管组件3处进行光电混频，并通过自动增益调节单元4把电载波信号传给发射测量控制单元2以便进行采样和处理得到第二激光发射元件82的本质初始参数，用做测量算法的参考参数。

其中第二路激光光波通过的光纤光路与电信号路径为：第二光路耦合器10→第一光路耦合器11→光路环形器16→光路准直发射与接收单元1→光路环形器16→第二光路衰减器24→电控光开关23→光检测二极管组件3→自动增益调节单元4→发射测量控制单元2。在这第二路光传输给光检测二极管组件3的路径中，电控光开关23来控制第二光路衰减器24与光检测二极管组件3之间的导通，同时本振晶体振荡信号发生器22产生本地调制信号于部件3处进行光电混频，并通过自动增益调节单元4把电载波信号传给发射测量控制单元2以便进行采样和处理得到第二激光发射元件82的光纤测量路径参考初始参数，用做测量算法的参考参数；波长为λ2的调制光载波信号沿现有光纤光路返回并耦合进同一根光纤是通过在光路准直发射与接收单元1中的光学反射膜片实现的。

同时，由主振晶体振荡信号发生器5及主振调制频率处理单元6驱动第一激光发射元件81发射出带调制驱动载波的波长为λ1的激光光波，调制激光光波通过第一光纤适配器模块91耦合进光纤以传输至第二光路耦合器10，由第二光路耦合器10分出2路激光光波，其中1路激光光波通过的信号路径为：第二光路耦合器10→第一光路耦合器11→第一光路衰减器25→电控光开关23→光检测二极管组件3→自动增益调节单元4→发射测量控制单元2。在这一路光传输给光检测二极管组件3的路径中，发射测量控制单元2要配置电控光开关23来控制第一光路衰减器25与光检测二极管组件3之间的导通，同时本振晶体振荡信号发生器22产生本地调制信号于光检测二极管组件3处进行光电混频，并通过自动增益调节单元4把电载波信号传给发射测量控制单元2以便进行采样和处理得到第一激光发射元件81的本质初始参数，用做测量算法的参考参数。

其中第二路激光光波通过的光纤光路与电信号路径为：第二光路耦合器10→第一光路耦合器11→光路环形器16→光路准直发射与接收单元1→光路环形器16→第二光路衰减器24→电控光开关23→光检测二极管组件3→自动增益调节单元4→发射测量控制单元2，在这第二路光传输给光检测二极管组件3的路径中，电控光开关23来控制第二光路衰减器24与光检测二极管组件3之间的导通，同时本振晶体振荡信号发生器22产生本地调制信号于部件3处进行光电混频，并通过自动增益调节单元4把电载波信号传给发射测量控制单元2以便进行采样和处理得到第一激光发射元件81的光纤测量路径参考初始参数。

第二光路衰减器24与第一光路衰减器25是在预定时序控制下分时回收和测量的，为了有效控制回路光信号和测量光信号的测量和处理，需对电控光开关23精确控制。

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、以及该光路环形器16还可以另外由四个2x1的耦合器实现本发明的第一激光发射元件81、第二激光发射元件82的参考光路；即光路环形器16可以由2X1耦合器替代。

如上所述，通过光路准直发射与接收单元1直接把波长为λ1的光波通过发射镜片出射到被测面(可借鉴参照图2)，光路准直发射与接收单元1同时接收从被测面反射射回的光路信号并耦合进同一根光纤，通过第一光路衰减器25、电控光开关23把回路测量光信号送入光检测二极管组件3进行检测。参考光信号与测量光信号是在预定时序控制下分时回收和测量的，为了有效控制回路光信号和测量光信号的测量和处理，需对光路开关精确控制。

测量数据的处理和算法分析是由发射测量控制单元2完成的，其依据的测量理论是相位测距理论，根据相位测距理论原理可知，激光光波在传输路径上往返一次的时间T以及调制光波经过的传输距离D与时间T的关系可以得到D＝1/2*CT。由调制光波与调制频率之间的关系可推出D的表达式为：

测尺长度L＝λ/2，其中λ为调制波长，为已知量，由调制频率决定，求出N和即可求出D。

由图1可知，参考光路或测量光路信号通过光检测二极管组件3光电混频、滤波、放大处理，在通过自动增益调节单元4采样分析和处理。光检测二极管组件3光电混频把光转换为电信号，并通过滤波得到低频率的测量信号，然后对其进行放大滤波处理使适合自动增益调节单元4采样和处理，自动增益调节单元4把带相位信息的模拟测量信号转换为数字信号，通过对参考和测量信号的分析和处理，在通过应用算法分析和处理即得到测量的液位距离D。通过上述的激光式液位测量装置可以完成对液面高度的准确测量。

本发明还提出一种激光式光纤液位检测系统。图2为本发明激光式光纤液位检测系统一实施例的结构示意图。请参照图2，本实施例提供的激光式光纤液位检测系统包括：数据监控中心19和如图1所述的激光式液位测量装置，该数据监控中心19连接所述激光式液位测量装置的该发射测量控制主机101。本实施例中，通过控制数据监控中心19可以随意选择控制显示任意一个储液容器的液位情况，设置适当的监测参数用于液位实时连续监测，液位报警监测、储油罐液位数据报表管理和服务等。开发的激光光纤液位应用监测系统，用于针对多通道多目标液位监测系统的有效管理。一个技术员就可以同时监测几十乃至上百个储液容器，并且对所有储液容器的液位数据进行记录，适合远程监控测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。