（计算机应用技术专业论文）光纤传感安全监测系统.pdf

摘要 油品储油罐是石化、储运等部门广泛用于储存易燃、易爆油料的重要设备，具 有极高的安全要求，而储油罐的主要参数储油液位的检测一直是个技术难 关。 本文针对储油液位的检测现状，提出利用光纤传感器的特点研制光纤液位计， 取代手工检测的方法，辅以光纤液位高位报警器，光纤温度传感器，并应用网络技 术构建光纤传感安全监测系统，实现石油罐区的智能监测，从而避免或减少事故的 发生，降低风险，为大中型油库的安全生产管理提供可靠的保障。 本文首先对安全监测系统中的核心硬件光纤液位计的工作原理及特点进 行了介绍。光纤液位计本质上是一种光纤液位传感器，它充分利用了光纤传感器的 原理，使检测现场无电信号，完全做到罐区无电检测，使光纤传感安全监测系统本 质安全防爆。 文中以m i c r o s o f tw i n d o w sn t 4 0 为操作系统；以m i c r o s o f te x c e l 2 0 0 0 为数 据管理系统，来进行数据交换，以及实现报表功能；以m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 为数据链接系统，来实现光纤液位计与工控机的r s 一2 3 2 的通讯；以通用监控系统 m c g s 为系统组态软件，来实现监控画面组态功能。这四个部分一起构成光纤传感 安全监测系统的软件平台。 在组网方面，以星型结构为网络拓扑结构，以广泛使用的t c p i p 作为网络协 议，以超5 类非屏蔽双绞线和光缆作为网络传输介质，采用以太网技术作为局域网 组网方案。 在本系统的软件部分，详细讨论了动态连接库，动态连接库与静态连接库，动 态连接库与应用程序的关系，以及动态连接库的建立和调用等内容；接着探讨t n 用组态软件m c g s 来开发设备驱动程序，介绍了先利用开发向导生成框架，然后通 过样例程序移植来快速开发设备驱动程序的方法。 文中最后介绍了光纤传感安全监测系统的功能，展示了系统的运行效果；并对 全文进行了总结，对下一步的工作进行了展望。 关键词：光纤液位计，光纤光栅温度传感器，光纤传感安全监测系统，动态连接库 a b s t ra c t t h eo i lt a n kw h i c hs t o r eo il p r o d u c ti st h ei m p o r t a n te q u i p m e n tt h a t i sw i d e l yu s e di nt h es i n o p e c ，p r e s e r v a t i o n 、t r a n s p o r t a t i o na n ds oo nt o s t o r et h ef l a m m a b l ea n d e x p l o s i v e o i lm a t e r i a l ，w h i c hn e e dt h e e x c e e d i n g l yh i g hs e c u r ed e m a n d ，b u tt h ee x a m i n a t i o no ft h em a i np a r a m e t e r o ft h eo i lt a n k o i ls t o r a g ef l u i di s a l w a y sat e c h n i q u ed i f f i c u l t y a i m e da tt h ep r e s e n ts t a t u so fd e t e c t i n go i ls t o r a g ef l u i d ，t h ea r t i c l e a d v a n c e sam e t h o dw h i c hu t i l i z e st h ed r a m a t i cf e a t u r eo fo p t i c a lf i b e r s e n s o rt od e v e l o pt h eo p t i c a lf i b e r1 i q u i dh e i g h tm e t e r ，a n dt os u b s t i t u t e t h em a n u a le x a m i n a t i o nm e a n s ，a n ds u p p l e m e n t st h e o p t i c a lf i h e rl i q u i d o v e r h e a da l a r me q u i p m e n t ，t h eo p t i c a lf i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r es e n s o r ， a n du s e st h en e t w o r kt e c h n i q u et ob u i i dt h eo p t i c a lf i b e r s e n s i n gs a f e t y s u p e r v i s o r ys y s t e m t or e a l i z et h e i n t e l l i g e n t e x a m i n a t i o no fo i l t a n k a r e a ，t h e r e b ya v o i d so rd e c r e a s e so c c u r r e n c ea n dt h er i s ko fa c c i d e n t ， a n d s u p p l i e st h er e l i a b l eg u a r a n t e ef o rt h eb i g a n d m i d d l e s i z e dt a n kf a r m s a f ep r o d u c t i o n f i r s t l yt h ew o r kp r i n c i p l ea n dd i s t i n g u i s h i n gf e a t u r eo ft h ek e r n e l h a r d w a r e o p t i c a lf i b e rl i q u i dh e i g h tm e t e ra r ei n t r o d u c e di nt h es a f e t y s u p e r v i s i o ns y s t e m i nn a t u r e ，t h eo p t i c a lf i b e r1 i q u i dh e i g h tm e t e ri so n e k i n do ft h eo p t i c a lf i b e rf l u i ds e n s o r ，a n di t s u f f i c i e n t l yu t i l i z e st h e p r i n c i p l e o ft h eo p t i c a lf i b e rs e n s o r ，m a k i n gt h ee x a m i n a t i o nf i e l dn o s i g n a lo fe l e c t r i c i t y ，a t t a i n i n gc o m p l e t e l ya na r e an oe l e c t r i c i t ye x a m i n e ， a n dm a k i n gt h e s a f e t ys u p e r v i s i o ns y s t e me s s e n t i a l l ys e c u r ee x p l o s i o n p r o o f i nt h i sp a p e rw et a k em i c r o s o f tw i n d o w sn t 4 0a so p e r a t i n gs y s t e m ，t a k e m i c r o s o f te x c e l 2 0 0 0a st h ed a t aa d m i n i s t r a t i o n s y s t e m t or e a l i z ed a t a e x c h a n g ea n dt h er e p o r tf u n c t i o n ：t a k em i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0a st h e d a t a1 i n ks y s t e mt or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o no ft h eo p t i c a lf i b e r1 i q u i d h e i g h tm e t e rw i t ht h er s 一2 3 2o ft h ew o r kc o n t r o l l i n gm a c h i n e ：t a k eg e n e r a l l l s u p e r v i s i o ns y s t e m m c g sa ss y s t e m a t i cc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et or e a l i z et h e c o n f i g u r a t i o n f u n c t i o no fs u p e r v i s i o na p p e a r a n c e t h e s e f o u r s e c t i o n s c o n s t i t u t et h es o f t w a r et e r r a c eo ft h eo p t i c a l f i b e r s e n s i n gs a f e t y s u p e r v i s o r ys y s t e m i nt h ea s p e c to fb u i l d i n gn e t w o r k w et a k et h es t a rt o p o l o g ya st h e n e t w o r kt o p o l o g y s t r u c t u r e ，t a k et c p i pw i d e l yu s e da st h en e t w o r kp r o t o c o l ， t a k et h es u p e r5t y p e sn os h i e l d st w is t e dp a i ra n dg l a s sf i b e r sa st h en e t w o r k t r a n s m i s s i o nm e d i a ，a n da d o p tt h ee t h e r n e tt e c h n o l o g ya st h el a nb u i l d i n g n e t w o r ks c h e m e i nt h ea s p e c to ft h es y s t e m a t i cs o f t w a r es e c t i o n ，w ed i s c u s st h ed y n a m i c l i n kl i b r a r yi nd e t a i l ，t h er e l a t i o 兀s h i p sb e t w e e nd y n a m i c1 i n kl i b r a r ya n d s t a t i cs t a t el i n kl i b r a r y ，d y n a m i cl i n ki i b r a r ya n da p p l i c a t i o np r o g r a m ， a n dt h ee s t a b l i s h m e n ta n dc a l lo fd y n a m i cl i n kl i b r a r y t h e nw ed i s c u s sh o wt od e v e l o pt h ee q u i p m e n td r i v e ru s i n g t h e c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r em c g s ，a n di n t r o d u c e am e t h o dt od e v e l o pt h ee q u i p m e n t d r i v e rq u i c k l y ，t h i si s ，f i r s t l yt ou t i l i z et h ed e v e l o pw i z a r dt of o r mt h e f r a m e ，a f t e r w a r d st ot r a n s p l a n tb ym e a n so ft h es a m p l ep r o g r a m i nt h ep a p e r ，w ef i n a l l yi n t r o d u c et h ef u n c t i o no ft h ef i b e ro p t i c s e n s i n gs a f e t ys u p e r v i s o r ys y s t e m ，d i s p l a yt h eo p e r a t i o ne f f e c t o ft h e s y s t e m ；m o r e o v e r ，w es u mu pt h ef u l l t e x ta n dp u tf o r w a r dt h eo u t l o o ko f t h ew o r ko ft h en e x ts t e p k e y w o r d ：o p t i c a l f i b e rl i q u i dh e i g h tm e t e r ，o p t i c a lf i b e rg r a t i n g t e m p e r a t u r es e n s o r ，f i b e ro p t i cs e n s i n gs a f e t ys u p e r v i s o r y s y s t e m ， d y n a m i e1 i n k1 i b r a r y i l l 武汉理工大学硕士学位论文 1 1前言 第一章绪论 石化企业的储罐区是企业生产、储存、运输过程中的重要环节，具有占 地面积广、布置密集和储存量大的显著特点。因其储存的物质大多具有易燃、 易爆和毒害性，属高能高危害性操作单元。而石油液化气罐是石油罐区的组 成部分，因起储存物品为压力液化或低温液化，一旦发生泄露事故，液化石 油气随风可弥散数千米以内的区域，如遇明火或高温体，便很难控制。因此， 石油液化气一般是石油罐区内的最高危险部位。 预防液化石油气罐区事故的发生，降低事故规模以及减少事故产生的恶 果是石油企业安全工作者为之奋斗的目标。由于罐区管线布置错综复杂、阀 i q 操作频繁，由于阀门的错误操作引起串线、串罐事情发生，从而导致恶性 泄露、爆炸事故。 油品储油罐是石油、化工、交通、储运等部门广泛用于储存易燃、易爆 油料的重要设备，具有极高的安全要求。对油罐区来说，储油液位的检测是 油库生产及安全管理的主要参数。但储油液位的检测一直是个技术难关，其 原因是： ( 1 ) 油料是易燃、易爆物，对防爆要求特别高，使用电测仪表难以安全 地实现检测； ( 2 ) 储油液位的测量范围大，大于0 1 0 m ； ( 3 ) 测量精度要求高，一般不能低于( 2 “j ) r a m 至今绝大部分油罐仍采用人工钢尺检测储油液位，这种测量方法不仅工 作强度大，精度不高，且很不安全。 光纤传感器是光纤传感技术、自动测量技术和智能仪表技术相结合的产 物，它具有测量精度高、灵敏度高、本质安全防爆、抗电磁干扰性强、耐高 压、耐腐蚀，适用于易燃、易爆、强电磁干扰等恶劣场合。采用光纤传感器 作为该系统的测量子系统具有无可比拟的优越性。 因此，可用光纤传感器采集石化企业的储罐区涉及的参数如液位、压力、 武汉理工大学硕士学位论文 温度、环境可燃气体浓度、阀门回讯等，然后对采集的信号进行处理，并将 信号送到值班室中的计算机中，实现实时监测功能，从而实现对罐区生产进 行在线安全分析和安全控制。可避免或减少事故的发生，降低风险，为大中 型油库的安全生产管理提供了更可靠的保障。 而且，研制和开发基于光纤传感技术的集储油液位、温度等安全检测功 能于一体的油罐区安全监测系统显得非常必要。 随着科学技术的发展，特别是计算机技术的广泛应用和迅猛发展，石化 行业的储油液位的检测方式也将会得到根本的改变，由传统的人工测量开始 逐步向计算机智能监测方向发展。相比较而言，国外的油罐区安全监测系统 性能较好，但其价格很高，远远超出了我国广大用户的承受能力。而国内研 制的系统大多计量精度低，稳定性和可靠性差。因此，研发出符合我国国情 的油罐区安全监测系统，不仅可以保障石油库区的安全生产，而且将加快石 化行业的现代化管理进程。 1 2 储油液位检测技术现状及发展趋势 储油液位的量僮范围差异很大，检测可以是接触式或非接触式，加之对 检测准确度、分辨率、使用条件等要求不同，因此有多种多样的检测方法【2 。 目前在工业领域内常见的有：机械式储油液位测量仪表，常以机械传动 机构( 杠杆、齿轮、齿条等) 对储油液位放大并进行测量的，有的还配以相 应的光学读数装置；储油液位使传感器结构发生变化，将储油液位变换成电 量，如电位器式传感器( 储油液位使滑动触头移动) 、电容传感器( 变距离 变面积型) 、电涡流传感器、霍尔传感器等传感器都能实现储油液位测量； 利用某些功能材料的效应，如压电传感器、金属应变片和半导体应变电阻， 通过将小的储油液位变换成压力使压电传感器的晶体片表面电荷或应变电 阻阻值变化等实现储油液位测量；磁电式的：磁栅( 直线圆盘) 合感应同步 器( 直线、圆盘) t 3 6 4 0 l 。 上述方法各有优缺点，比如，机械式，测量范围大，有的可达很高精度， 但多数不能在生产流程中使用：电阻式，包括电位器式和应变电阻式两类， 前者结构简单、使用方便，输出信号大，适于几毫米到几十毫米的储油液位 武汉理工大学硕士学位论文 测量，缺点是存在活动触点，不可靠，电阻随温度变化，产生附加误差。后 者仅适于毫米级的储油液位测量，反映速度较快；电容式储油液位测量仪表 结构简单、可靠、灵敏度较高、动态特性好，但寄生电容影响大。针对狭小 空间时的储油液位测量，上述方法都存在传感器体积较大，探头较长的缺点； 有些装置结构复杂，精密测量线路也较复杂：测量量程扩大传感器体积随之 增长分辨率降低：多数模拟式的储油液位传感器，存在结构上的固有缺点， 如回复量程时有迟滞现象，重复性不好等；部分储油液位测量方法受温度、 磁场等环境因素影响较大，可靠性较差。 随着光学检测元件和精密制造工艺的提高以及电子元器件的发展，伴随 计算机的更新换代和工业自动控制技术的不断进步，利用光电结合的方法是 解决上述问题的有效途径，如光栅、码盘、激光干涉法、三角法、光斑散射 法，其测量精度高、反映速度快、易于实现数字化测量，但后端电力及数字 化处理装置复杂，价格昂贵。 近年来，高精度、高速度测量物体储油液位越来越受到注重，特别是对 狭小空间的储油液位测量的测量正在进行大量研究和探讨。因而目前利用 光学方法进行储油液位测量的方法越来越多，特别是利用具有独特优势的光 纤传感技术的储油液位测量方法倍受人们重视。 光纤传感器是七十年代末期发展来的一项高科技产业。具有精度高、本 质防爆、抗腐蚀性强、灵敏度高、不受电磁干扰、可远距离传输等特点。特 别是在石油、化工、电机、核工业等行业具有传统传感器不可比拟的优点。 1 3 光纤传感技术进行储油液位测量的优点及意义 光纤测量技术相对于传统测量技术，是一种新型检测，其主要优点是【6 j ： 1 抗电磁干扰、耐腐蚀、适用于火险高危的环境 由于光纤传感器是利用光波传输信息，而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传 输媒质，因而不怕强电磁干扰，也不影响外界的电磁场，并且安全可靠。这 使它在各种大型机电、石油化工、冶金高压、强电磁干扰、易燃、易爆、强 腐蚀环境中能方便有效地传感。 2 灵敏度高、响应快 武汉理工大学硕士学位论文 利用长光纤和光波干涉技术使不少光纤传感器的灵敏度优于般的传 感器。其中有的已由理论证明，有的已经试验验证，如测量水声、加速度、 辐射、温度、磁场等物理量的光纤传感器，都有其独特的优点。 3 重量轻、体积小、外形可变 光纤除具有重量轻、体积小的特点外，还有可绕的优点，因此利用光纤 可制成外形各异、尺寸不同的各种光纤传感器。这有利于航空航天以及狭窄 空间的应用。 4 测量对象广泛 目前已有性能不同的测量温度、压力、速度、加速度、液面、流量、振 动、水声、电流、电场、磁场、电压、杂质含量、液体浓度、核辐射等各种 物理量、化学量的光纤传感器在现场使用。 这一系列优点，使人们能够在各种苛刻的条件下，对物体储油液位进行 实时监控。此外，光纤测试所具有的些其它长处，例如设计简单，稳定可 靠，易于用电路和计算机处理所获得的测量数据等，也使光纤传感器远好于 传统传感器【4 6 1 ，所以使用光纤传感器测量储油液位是储油液位测量的理想 方案。 1 4 本课题所要完成的主要工作 为了满足工业生产和管理地需要，解决油库管理中的生产和安全问题， 本文提出了利用光纤传感器的一系列优点，研制一种光纤液位传感器，并已 在工业生产中得到应用。设计研究出光纤传感安全监测系统，已成功应用于 十多家大型油库。该系统的研制与成功使用，为大中型油库的现代化管理提 供了有力的保障。 作为该系统的主要开发人员，主要完成以下几点工作： ( 1 ) 设计研究光纤传感安全监测系统。利用光纤液位计、光纤液位高 位报警器、光纤光栅温度传感器等组成光纤传感安全监测系统，使现场完全 避免电信号，保障了大中型油库的安全生产。 ( 2 ) 通过现场安装调试，研究了光纤传感安全监测系统在工业应用上 的问题，使其能满足实际使用的需要。 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 探讨了光纤液位计、光纤液位高位报警器、光纤光栅温度传感器 等的工作原理。 ( 4 ) 探讨了在光纤传感安全监测系统基础上网络系统的实现方法。 ( 5 ) 探讨了使用v b 、e x c e l 、m c g s 等在w i n t 环境下开发光纤传感安全 监测系统的软件设计，以及动态连接库和设备驱动程序的编程方法与技巧。 武汉理工大学硕士学位论文 第二章光纤传感器 2 1 光纤传光的一般原理 2 1 1 光纤的传光原理全反射 全反射是光纤传输的基础。当光从一种介质射入另一种介质时，一般 同时发生反射和折射。如果光从光疏介质( 折射率较小) 射入光密介质( 折 射率较大) ，折射角小于入射角；如果光从光密介质射入光疏介质，折射角 将大于入射角。当光的入射角达到某个值时，光将不发生折射，而是按反 射定律完全反射回来。这就是全反射现象。光纤正是利用全反射现象来传 播光波的。全反射原理如图2 一l 所示： 法线 i i 图2 一l 全反射原理图 发生全反射的条件为： n l n 2 并且入射角 o ， 其中，临界角o = a r c s i n ( n 2 n 1 ) 。 2 1 2 光纤的组成及光波的传播特眭 n 2 光纤由圆柱形的纤芯及圆同心的保护层组成，保护层的制造材料通常 为聚合物、玻璃或陶瓷。纤芯的内径是由所需的光波导性能决定的，而保护 武汉理工大学硕士学位论文 层的外径般略大于1 0 0 um 。纤芯的折射率一般略大于保护层，这是光波 的传播性质所决定的。如图2 - - 2 所示，当纤芯的折射率n1 大于保护层的 折射率1 12 时，在射入光纤的光的入射角大于某一临界值e0 时，进入光纤 的光将不产生散射，这样就可以大提高光纤传输光信号的效率。 图2 - - 2 光在光纤中的传播 2 2 光纤传感置的原理及特点 2 2 1 光纤传感器的工作原理 光纤传感器是用光在不同的物理状态下，在光纤中传播的光的干涉、衍 射、偏振、反射等物理特征的变化，进行各种物理量的测量装置。光纤传感 器般是由光源、接口、光导纤维、光调制机构、光电探测器和信号处理 系统等部分组成。来自光源的光线，通过接口进入光纤，然后将检测的参数 调制成幅度、相位、色彩或偏振信息，最后利用微处理器进行信息处理【l 】。 光纤传感器的原理结构如图2 3 所示： 光源 光检测 图2 - - 3 光纤传感器的原理结构图 简言之，光纤传感器的原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某 一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测 量；即是将被测参量转换为光信号参数的变化。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 光纤传感器的特点 与普通机械、电子类传感器相比，光纤传感器具有以下优点： ( 1 ) 抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中 传输的光信号不受电磁干扰的影响【2 - 3 1 。 ( 2 ) 电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无 需电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的油、气、化工生产中使用。 ( 3 ) 耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料一石英具有极高的化 学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。 ( 4 ) 体积小、重量轻，几何形状可塑。 ( 5 ) 传输损耗小：可实现远距离遥控监测。 ( 6 ) 传输容量大：可实现多点分布式测量。 ( 7 ) 测量范围广：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电 流、电压、液位、液体浓度、成分等。 正是由于光纤传感器有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法 解决的问题，故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机 械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。随着信息高速公路热 潮的到来，光纤传感技术将与光纤通信技术一起走进干家万户，深入到民 用和军事的各个方面。 2 3 光纤传感器的组成及分类 2 3 1 光纤传感器的基本组成 通常情况下，光纤传感器由光源、一定长度的传感或传输光纤、光电检 测器、解调器及信号处理电路等部分组成i 蛔。如图2 - - 4 所示： 被测量 图2 4 光纤传感器的基本结构图 武汉理工大学硕士学位论文 光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区( 测量区) ，在调制区内 外界被测参数作用于进入调制区内的光信号，使其光学性质如光的强度、波 长、频率、相位偏振态等发生变化成为被调制的信号光；再经过光纤送入 光检测器，光检测器对进来的光信号进行转换，而输出电信号；最后对电 信号进行信号处理而得到可用信号，从而获得被测参数。光纤传感器可以 测量的环境参量主要有应力、温度、振动、化学浓度及电磁场等等。 2 3 2 光纤传感器的分类 光纤传感器根据结构和工作原理可分为三类【7 1 0 】： ( 1 ) 利用光纤的低损耗和直径细微的特点制成的传感器，称为传输型 光纤传感器。这种传感器中，光纤只被当作传光的媒介，只起到传光的使 用。对待测对象的调制功能是依赖其它物理性质的敏感元器件来实现的。 对于传光型传感器，必须在光纤端面加装其他传感器才能构成传感器， 通常是通过光纤干涉仪来实现的。这类光纤传感器可以监测温度、压力、 应力、应变、位移等物理量。 ( 2 ) 利用光纤与光波本身受被测对象影响而发生变化的特性制成的光 纤传感器，称为传感型传感器。它利用光纤本身对外界被测对象具有敏感 能力和检测功能这一特性而开发的传感器。光纤在被测对象的作用下，光 的强度，相位、偏振态等光学特性得到了调制。由于这种传感器能在整个 连续光纤的长度上以距离的连续函数的形式传感出被测参数随光纤长度方 向的变化，因此，也称为分布式光纤传感器。在分布光纤传感器系统中， 光纤既是传输媒体，也是传感媒体。 ( 3 ) 将传输型和传感型的光纤传感器复合而成的，称为系统型传感器。 2 4 常见的几种光纤传感器的工作原理研究 在安全监测系统中，利用光纤液位计来测量储油液位，利用光纤光栅 温度传感器来测量温度，利用光纤光栅火灾报警器来进行高温和火灾的报 警。下面将逐一介绍光纤液位计、光纤光栅温度传感器和光纤光栅火灾报 警器的原理。 9 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 光纤液位计 2 4 1 1 光纤液位计的工作原理 光纤液位计是利用光脉冲调制原理研制的一种传光型光纤传感器，系 统由测量单元( 包括浮球、钢丝绳、重锤、导向轮、绳轮、磁力耦合器等 机械检测部分) 、光纤传感器、光电变送器、二次仪表、电源和计算机以及 光缆等组成，其工作原理如图2 - - 5 所示： 5 6 1 浮球2 测量钢丝绳3 重锤4 重锤钢丝绳5 光纤传感器6 光缆 图2 5 光纤液位计系统工作原理 当被测介质液面变化时，测量浮球1 上下移动，测量钢丝绳带动光纤 传感器内的光码盘转动，同时光纤传感器内两组光学探头输出两组光脉冲 信号，经光缆传输到光电变送器，光电变送器将该两组带有液位变化信息 的光脉冲信号转变为电脉冲信号，并进行放大整形，传送给二次仪表，经 二次仪表判向与计数后，显示出储罐内液位值，同时输出信号给计算机， 实现罐区液位自动监测。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 1 2 光纤液位计的特点及技术指标 1 光纤液位计作为一种光纤液位传感器，具有以下特点【1 2 1 3 ： ( 1 ) 本质安全防爆。光纤液位计在现场使用的是光信号，没有任何电 信号，所以安全可靠。 ( 2 ) 抗电磁干扰。光信号在传输路径上不受任何电磁干扰。 ( 3 ) 准确度及灵敏度高。对于不严格要求计量级的应用场所可完全满 足要求。 ( 4 ) 可动部件少，运行可靠，使用方便。除外浮顶外，测量不受恶劣天 气如5 级以上的风、降雨、降雪等影响。 ( 5 ) 耐腐蚀性强。现场仪表的主要部件大量采用不锈钢、聚四氟乙烯 自润滑轴承等材料，不需保养，且密封性能好。 ( 6 ) 安装调试方便。 2 光纤液位计的主要技术指标 测量范围：0 l51 2 2 ； 测量准确度：2i 2 1 m ； 灵敏度：lmr l l ； 最大可传输距离：5km 。 2 4 1 3 ( 1 y 系列光纤液位计 g y 系列光纤液位计是武汉理工大学光纤中心研制出来的一种集光、机、 电于一体的高科技产品。该产品以光纤传感器为核心部件，由光纤传感器、 光电变送器、二次仪表、光缆以及电源等组成。 g y 系列光纤液位计可以直接将光信号转化为数字信号，并在仪表中显 示出当前测量的液位值，当液位值不在正常范围之内时，仪表将自动报警， 同时还可通过r s 2 3 2 输出信号给计算机等其他设备。 g y 系列光纤液位计是利用力平衡原理实现液位的检测。g y 系列光纤液 位计的测量单元和光纤传感器安装在罐区现场，光电变送器，二次仪表电 源和计算机系统安装在仪表操作室，两者之间通过光缆连接，利用光纤传 输信号，完全做到罐区无电检测，本质安全防爆。 武汉理工大学硕士学位论文 g y 系列光纤液位计实现了无电检测、光纤传输信号、本质防爆，已经 应用于石油、化工、国防等部门，适用于液态介质液位的检测，尤其是易 燃的原油、液化石油气等液体液位的检测。 2 ，4 2 光纤温度传感器 1 光纤温度传感器的优点 光纤传感器采用的原理、结构、式样最多，其潜在的优点是测量精度 高、抗电磁干扰、安全防爆、可绕性好。而现有温度传感器不宜用于易燃 易爆场合。 2 光纤温度传感器的类型 一般来讲可以分为相干型和强度型两种，相干型光纤传感器检测受温 度影响后光纤中光相位和偏振的变化。用相对复杂的检测与信号处理手段， 光路复杂，对光器件、光纤的要求严格，成本较高，且容易受其它因素的 影响。而强度调制型原理与结构相对简单、工艺成熟、性能可靠、成本低。 但有时光路调整或光纤与温敏材料的连接、耦合困难。 另外，电源电压波动，工作环境温度改变等因素可对传感器的工作状 态产生影响，所以对实用系统需加入信号补偿以减弱或消除这些影响。通 常的方法是引入参考光纤，使其长度等于发射与接收光纤之和，并不受待 测热源的影响。由于光源及环境对参考光纤和发射、接收光纤产生同样的 影响，将接收信号与参考信号比较即可消除上述影响。 2 4 2 1 光纤光栅温度传感器 光纤光栅温度传感器是一种功能性的光纤传感器，它是采用光纤布拉 格光栅( f b g ) 传感技术研制而成的。其基本原理是：当光栅周围的温度、 应变、应力或其它待测物理量发生变化时，将导致光栅周围或纤芯折射率 的变化，从而产生光栅b r a g g 信号的波长位移，通过检测b r a g g 波长位移 情况，即可获得待测物理量的变化情况。 武汉理工大学硕士学位论文 全思与。人光栅 h = 2 h a 输人信号f _ 一 - 二- + 二二二二二= 墨。ii _ 。 二二一俸输信号 反射信号! ! 型坠 石一 光纤 砘 h 丸 图2 6f b 6 的传感原理 如图2 6 所示，光栅的b r a g g 波长加由下式决定： a b = 2 n a公式( 2 - - 1 ) 式中，a 为光栅间隔或周期，n 为芯模有效折射率。当宽光谱光源照射 光纤时，由于光栅的作用，在b r a g g 波长处的一个窄带光谱部分将被反射 回来。 由于应变、温度变化对光栅产生的扰动将导致器件b r a g g 波长的位移， b r a g g 波长随应变和温度的位移为： a k b = 2 n a “1 一( n 2 2 ) p 1 2 一v ( p l l - - p 1 2 ) + + ( d n d t ) n a t 公式( 2 2 ) 式中，是外加应变，p i j 是光弹性张量的普克尔压电系数，v 是泊松比， 值是光纤材料的热膨胀系数，t 是温度变化量。因此，通过波长位移测量 即可获得应变和温度的变化数据。 f b 6 传感器的输出信号是光波长，它不随光强度、光纤连接和耦合损耗、 光源功率因素的影响，这是f b g 传感器最重要的有点之一。f b g 温度传感器 具有强的抗干扰能力和绝缘强度。应用范围可以应用于电力、油库等特殊 行业的温度检测。在温度测量范围为一i 0 8 0 0 c ，内测量误差小于1 5 。c 。 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 ，2 2 半导体吸收式光纤温度传感器 半导体吸收式光纤温度传感器利用了半导体材料的吸收光谱温度变化 的特性。半导体材料吸收边的波长随温度增加而向长波长位移，选择适当 的半导体光源，使其光谱范围正好落在吸收区域，这样透过半导体材料的 光强随温度的增加而减小。利用光探测器检测出光强的大小就可得出检测 温度。其结构如图2 7 所示： 半导体吸 收元件 图2 7 半导体吸收式光纤传感器 其主要优点是：探头体积小，灵敏度高，工作可靠，适用于高压电力 系统中的高温测量等，具有重要应用价值。 2 4 3 光纤光栅火灾报警器 光纤光栅火灾报警器的工作原理如图2 - - 8 所示【6 ： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 8 光纤光栅火灾报警器工作原理 将多个温度特性完全相同的光纤光栅串接在一根光纤中，宽带光源所 发出的光耦合进光纤，通过y 型光分路器入射到用光纤串接的全同光纤光 栅的布喇格波长。窄带反射光经y 型光分路器的另一分路端口进入可调滤 波器。可调滤波器的滤波波长安报警要求设置为一定值。在正常状态( 非 报警状态) 下，全同光纤光栅反射光的布喇格波长小于可调滤波器所设置 的滤波波长，可调滤波器的滤波输出端口无光输出；当全同光纤光栅中任 何一个光纤光栅处的环境温度升高，这一光纤光栅的布喇格波长将向长波 方向移动，当环境温度达到所设置的报警值时，此处光纤光栅的布喇格波 长将与可调滤波器设置的滤波波长重合，可调滤波器的滤波输出端口有光 输出，光探测器探测到光信号从而触发声光报警装置报警。通过自动或手 动扫描可调滤波器的滤波波长，即可对探测区域内的最高温度进行监测。 由于光纤光栅火灾报警器是一种新型的温度监测报警系统，它是通过 光缆传输信号，使现场实现了无电检测，因此具有本质防爆合检测灵敏的 优点，可广泛用于石油、天然气、化工、能源、仓储等行业中，以及一些 易燃易爆等特殊场合中的高温和火灾报警。 2 5 光纤传感器在安全监测系统中的应用研究 2 5 1 光纤液位计在安全监测系统中的应用 ( 1 ) 整体系统 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 光纤液位计分常压型与带压型两种。它们都是利用力平衡原理实现液 位的检测。所不同的是常压型是由钢丝绳直接与浮球相连，而带压型是通 过磁力耦合系统带动磁锤上下运动。机械检测系统与光学编码室完全隔离。 下面主要介绍带压型光纤液位计的工作原理。 系统由测量单元( 包括浮球、钢丝绳、重锤、导向轮、绳轮、磁力耦 合器等机械部分) 、光纤传感器、光电转换器、二次仪表及光缆组成，结构 示意圈如图2 9 所示： 易燃易爆危险场所控制室 厂 l 1l 。j 图2 9 光纤液位计总体示意图 通过浮球( 或磁力浮球系统) 将被测液位信号变为计量绞轮的准确转 动，并由此带动光纤传感器中的光学编码器，使液位每上下运动l m 就有 脉冲信号，再经放大整形、可逆判向等处理显示出液位，同时输出标准电 信号或r s 2 3 2 c 标准计算机接口进入计算机罐区管理系统。 整套系统由五部分组成，磁力耦合检测系统和光纤传感器两部分安装 在易燃易爆的工作现场，光电转换系统、二次仪表和计算机系统安装在安 全的控制室内。现场和控制室之间液位信息的传递由光缆连接，做到罐内 无电检测、本质安全防爆。 ( 2 ) 磁力耦合检测系统 磁力耦合检测系统跟踪液位变化的磁性浮球通过与隔压导管内的磁锤 的相互作用，驱动和磁芯绳索连接的滑轮旋转，将液位的上、下运动转换 墨坚堡三查兰堡主兰垡笙壅 成光学编码盘的旋转，测出光学编码盘旋转的角度和方向，也就可确定球 罐中液位的高度。 ( 3 ) 光纤传感系统 光纤传感系统主要由磁轮、光学编码盘绞轮和光纤探头组成。 光学编码盘是一个沿圆周编有信息码的薄盘，材质为i c r l 8 n i 9 t i ，它 与磁轮同轴，密封在光盘室中，完全与环境隔离。 ( 4 ) 光电转换及二次仪表部分 光电转换器与现场的光纤液位计由四芯铠装光缆相连。其中两芯为用 红外发光二极管l e d 发出的二套光电转换器光源，发出稳定的连续光分别 给a 、b 探头。两套光电转换器件将另外两芯光纤传来的光信号变为电信号， 并在专用屏蔽盒内进行信号处理，转化成标准的c m o s 电压信号送给二次仪 表。 经光电转换和整形放大处理后送入二次仪表的液位信号，在二次表内 经处理后送入单片机。在单片机内完成可逆判向逻辑处理等功能，由l e d 显示出液位。同时还可将此信号通过标准r s 2 3 2 c 接口送入上位机，进行罐 区管理与监控。 2 5 2 光纤温度传感器在安全监测系统中的应用 由于光纤光栅温度传感器不随光强度、光纤连接和耦合损耗、光源功 率等因素的影响，具有强的抗干扰能力和绝缘强度。因此在安全监测系统 中选择它进行温度检测。光纤光栅温度传感器工作原理如图2 一i 0 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 一1 0 光纤光栅温度传感器工作原理 它由感温探头、连接光缆、传输光缆、光纤光栅调制解调器和二次仪 表等组成，感温探头的数量可以根据使用的不同而确定，多个串连而成： 光纤光栅调制解调器和二次仪表安装在控制室内，使用现场和控制室之间 采用单芯单模光缆进行信号传输。光纤光栅温度传感器工作时，光源发出 的连续宽带光，经传输光缆传送到测量现场，感温探头内测量光栅对该宽 带光有选择性地反射回一窄带光，经同一传输光缆传送到调制解调器，通 过接收系统进行解调，测定窄带光的中心波长，从而测定现场温度。当现 场温度稳定不变时，系统返回的窄带光中心波长也不变；当现场温度发生 变化时，系统返回的窄带光中心波长发生相应的变化，系统通过二次仪表 准确地显示出测量温度。 由于光纤光栅温度传感器采用光信号进行测量淤输，现场实现了无 电检测，本质安全防爆；同时由于该系统采用光栅技术，检测信号以光信 号中心波长为对象，克服了传统光传感器依赖光强大小的缺陷，实现了数 字化检测，可靠性好，灵敏度高，因此适用于各种恶劣环境下的温度测量， 可广泛应用于石油、化工、冶金、电力、煤炭等行业，是传统温度测量仪 表的理想替代产品。 2 6 小结 本章主要阐述了光纤传感器的一般原理、特点、种类及基本组成等， 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 介绍了两种利用光纤传感技术研制的光纤传感器：光纤液位计和光纤光栅 温度传感器。光纤液位计是利用光脉冲调制原理研究的一种非功能性光纤 传感器，它是液位安全监测系统中的核心硬件，广泛应用于石油化工等易 爆、易燃行业。接着介绍了光纤光栅温度传感器，半导体吸收式光纤温度 传感器和纤光栅火灾报警器的原理。最后探讨了光纤传感器在安全监测系 统中的应用。 武汉理工大学硕士学位论文 第三章系统的硬件结构设计 由于光纤液位计具有独特的性能，从根本上解决了困扰大中型油库的 安全、生产管理中的储油液位检测问题。现已广泛应用于石油、化工等行 业易燃、易爆油料存储罐的安全检测，是我国重点推广的高新技术产品。 由于油库液位自动检测的实现，使得油库安全监测系统的实现成为可能。 为了进一步提升光纤液位计的功能，实现罐群的光纤传感网络化、现 代化的监控管理，本文以光纤液位计、光纤液位高位报警器、光纤温度传 感器等为现场检测手段，研制了新型光纤传感安全监测系统。它具有适时 检测液位、温度等参数，自动容积、密度、重量、进出量计算，设备运行 状态监视、自动报表和网络化功能。针对罐区安全管理模式，具有适时性、 可靠性、安全性、易于使用维护等特点。 3 1 光纤传感安全监测系统的组成 光纤传感安全监测系统由光纤传感器、二次仪表、监测系统采集机和 网卡等网络部件组成，如图3 1 所示： 图3 1 光纤传感安全监测系统 3 1 1 系统的工作方式 系统工作流程为：首先通过光纤传感器，将被测对象的参量变化转换 为光脉冲信号，并通过光纤传送给光电转