光信號在漏液檢測中的深度應用

林祥龍 馮博

[摘 ? ?要]漏液檢測是一項十分重要的監測工作，應用的領域非常廣泛，然而在一些特殊環境如電磁干擾等情況下，漏液檢測會失去靈敏和準確，難以完成需求。為了攻克這一問題，將穩定可靠的光信號融入漏夜檢測設備中的技術應運而生，并逐漸發展出了優秀的側向耦合漏液檢測系統，該系統基于STM32光纖，由上位機模塊與硬件模塊共同組成。上位機通過濾波算法比較漏液信號的均差，能夠去除偶發脈沖造成的干擾，降低系統的反應時間和誤報幾率，提升傳感帶的靈敏度。硬件系統囊括了信號轉換器模塊以及光纖傳感器模塊，將STM32作為信號變換器的控制芯片，做到光信號的傳輸與放大。整個系統通過傳感帶進行級聯安裝，充分保障工作穩定，實現每一個傳感點單點標定，將誤差控制在2%以內。

[關鍵詞]光信號技術;漏液檢測;應用

[中圖分類號]TN249 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）03–0–03

Deep Application of Optical Signal in Leak Detection

Lin Xiang-long，Feng Bo

[Abstract]Liquid leakage detection is a very important monitoring task， and it has a wide range of applications. However， in some special environments such as electromagnetic interference， liquid leakage detection will lose its sensitivity and accuracy， making it difficult to meet the requirements. In order to overcome this problem， the technology of integrating stable and reliable optical signals into night leakage detection equipment came into being， and developed an excellent laterally coupled liquid leakage detection system year by year. modules together. The host computer compares the average difference of the leakage signal through the filtering algorithm， which can remove the interference caused by the occasional pulse， reduce the system response time and false alarm probability， and improve the sensitivity of the sensor strip. The hardware system includes a signal converter module and an optical fiber sensor module， and uses stm32 as the control chip of the signal converter to transmit and amplify the optical signal. The whole system is installed in cascade through the sensing belt， which fully guarantees the stability of the work， realizes the single-point calibration of each sensing point， and controls the error within 2%.

[Keywords]optical signal technology; liquid leakage detection; application

光信號技術與漏液系統的結合具有十分廣闊的發展前景，成為了漏液檢測研究的熱門。本文主要以通過POF光纖外部光源側向耦合掃描傳感方式，實現使用STM32光纖的漏液檢測系統的案例，闡述光信號技術的應用在漏液檢測方面的強大優勢和發展潛力。

1 利用光信號的特殊性實現漏液檢測

1.1 系統的設計

由下位機硬件和上位機兩部分構成整個漏液監測系統，將傳感器制作成帶式結構，有效的測量范圍可以達到1m，漏液時發出的光功率變化信號，會被用光纖制作的傳感帶里面的敏感單元捕獲到。變換器會將捕獲的光信號轉化為電信號并通過中央處理器進行處理，再通過總線的通信方式，傳到下1條傳感帶再到上位機，最終在操作人員的顯示屏中呈現每條傳感探頭的狀態，可以讓用戶清楚地了解到各標定點的漏水情況、基準點和閾值。

1.2 光信號實現漏夜檢測的原理

光分為可見光與不可見光，在均勻介質中沿直線傳播，具有速度快、精度高等特點，不同的光還具有特定的波長，當波長受到干擾時便會發生相應變化。通過光纖人們便能對光的特性進行利用，光纖傳側向耦合漏液檢測系統便離不開光纖的作用，光纖傳側向耦合漏液檢測探頭的主要構成便是聚合物光纖（plastic optical fiber，POF）以及LED燈帶、傳感探針、柔性PGB光纖包層。在Pof光纖的側面施加光源，可以在光纖的尾端收集到側向光源耦合的光功率變化。將透明的有機硅樹脂封裝在LED燈珠的表面可以調節發光的強度與角度分布，讓LED光通過空氣介質和樹脂耦合到光纖當中。在光纖與LED燈帶中留有一定空隙，以便光的傳播和反射，有機硅樹脂與空氣介質、光纖芯兒、和光纖包層的折射率大有不同，記作N1、N2、N3、N4。光源每一次通過不同介質的時候，都會因其折射率而發生改變。從LED燈中發出的光芒，首先會通過有機硅樹脂來到耦合區域，光源會在耦合區域內因折射發生路線改變，如果沒有漏液，該折射以空氣介質的折射率為準，此時的各個入射角和反射角記作θ1、θ2、θ3、θ4。一旦發生漏液情況，便會以漏液介質的折射率發生改變，繼而改變光線照到光纖入射角，使θ3增大或是減小，能夠射進光纖的光線數量也會隨之發生改變。當θ3到達一定的角度，光線才能順利通過光纖，在光纖芯中傳輸，否則會散射到外界的環境當中，借此原理來推算出光功率的改變，便能判斷漏液檢測位置是否發生漏液。以光線其獨特的物理性質，可以保證獲得結果的可靠性與準確性。其原理和過程如圖1所示。

2 結合光信號技術對系統硬件的改變

2.1 光信號應用于傳感帶的設計

由于要實現光技術的應用，以往的漏液檢測裝置的設計已經無法達到光信號實現的要求，必須對材料加以改進。選用長1m寬2mm帶缺陷的POF光纖，分布在光纖傳感帶上，加上LED燈帶和傳感封裝外殼，共同組建傳感裝置。使用銑床對細的光纖進行加工，把光纖側面帶缺陷的結構和LED燈珠相對應，形成完美的耦合區域。LED燈帶方面也有著特定的要求，需要用三通道恒流單線2586級的ws2811LED驅動芯片與寬5mm的方形貼片式RGB燈珠，2GB燈珠能夠向外散發，波長為650nm的紅色穩定光源，電路板的材料選為聚酰亞胺，這種材料具有高度的可柔性和可靠性，能夠制作柔性電路板。在燈帶上燈珠之間的距離要保持5cm的距離，用每1珠LED燈都要用1片ws2811芯片來控制，使用變換器提供穩定的5V電源和燈帶掃描控制信號。為了能夠充分保護光纖和LED燈以及實現導流功能，外殼必須選用PVC材料制作。完成后的整個漏液檢測裝置，便能實現掃描檢測。

2.2 光信號應用于變換器的設計

2.2.1 電源轉換器的設計

區別于傳統的變換器，要想利用光信號，必須改進變換器使之增加光電轉換能力和信息處理能力。故而側面耦合漏液監測裝置的變換器，具有中央控制模塊、傳感帶光源、控制模塊、總線傳輸模塊、信號調離和采集模塊、光電轉換模塊以及電源轉換模塊。提供12V的穩定電源供電，首先通過電源轉換模塊，將電壓調整到內部所需值，使用STM32的單片機作為變換器電路中央處理器，控制LED燈珠進行一定頻度的閃爍，LED燈發出的光會經過光纖缺陷結構的耦合區域到光纖內部進行傳輸，再到光電轉換模塊把光信號再轉換回電流信號，通過電流就可以獲得電壓信號，將信號放大傳入STM32芯片進行分析和編幀處理，再到總線傳輸模塊完成數據打包傳送到下1條傳感帶，最終通過多條傳感帶級聯和串聯變換器的方式，將全部數據上傳到上位機進行處理和顯示。其中，變換器中不同部分的模塊需要的供電電壓有所不同，信號調理電路的正向供電電壓為2.5V，總線傳輸模塊和中控制芯片STM32需要的供電電壓為3.3V，負向電壓需要達到-3.3V，LED燈帶所需要的電壓為5V。電源轉換模塊是整個電路中為所有模塊提供穩定電壓的重要保障，若想讓其保持正常、高效、穩定的工作，必須要配備各種轉換電壓的芯片。將電壓轉換為5V的lm7805轉化芯片，將電壓由5V轉化為-3.3V的AMS1117-3.3電源轉換芯片，將電壓由5V轉為2.5V的AMS117-2.5電源轉換芯片，將5V轉為-3.3V的lm27761電源轉換芯片，可以作為整個電源變換模塊所需轉換芯片的參考。

2.2.2 光信號轉化為電信號的電路設計

至于光纖傳感帶方面，想要采集光信號并通過光電放大器轉化為電流信號傳輸到信號調整模塊，想實現這一過程還需要非常巧妙的設計。首先使用sm05pd1a光電放大器，將光信號轉換為電流信號，再通過信號調理模塊，將信號轉化為電壓信號并進行放大，需要整體電路中具有作為前級跨導放大電路的主芯片AD8691芯片。再為整個電路配備相應的跨導電阻、匹配電容，來達到抑制噪聲和降低轉換時間的目的。根據輸入光強的量級選擇適當阻值、精度的低溫漂電阻，來獲得穩定電壓值，并在后面通過放大電路進行二級放大處理，使用AD8666芯片調整電路內阻值的配比，讓傳感探測獲得的信號最終放大到足以呈現出來。

3 應用光信號技術改良上位機

3.1 上位機的總體設計

總的來說，上位機軟件主要使用編程技術實現，首先配置串口波特率，到下一步采集基準值A，設定傳感點閥值N，監測并采集實測值S，然后判斷是否為偶發尖峰，如果為不是則進行判斷基準值只差與閾值比較是否符合S-A>N，如果不符合直接點亮漏水狀態指示燈并顯示漏液位置，如果所有判斷條件與預料相反，則斷定未發生漏液循環到監測并采集實測值這一步。基準值的應對位點在無漏液的情況下取前120次的平均值，因為在一般情況下，光信號還是會因為外界的環境多少發生一些改變，所以采集回來的數值并不一定是固定不變的，需要確立1個閾值防止出現漏報。

3.2 上位機濾波設計

濾波設計是用光信號技術改良后漏液檢測設備的特有設計。以采集的基準值和表示檢測漏水事件變化的曲線圖做比較，隨著時間的推移，在未漏液的時候，兩條線基本重合，一旦發生漏液現象，采集的數值便會陡然升高并維持一段時間，通過這種圖像的形式可以明確的判斷出漏液情況。然而在實際的使用中發現沒有發生漏水情況時，由于設備的部分位置過于敏感產生噪聲干擾，進而影響采集數值的準確性，讓圖像發生類似于漏液現象的變化。所以要設計出不受噪聲干擾，可以過濾無效波段的功能，同時還要識別有效的漏液信號。需要用傳感點的基準值和閾值，通過采用漏液信號比干擾波段保持時間長的特點，設計出采用差值比較的濾波算法篩選出準確的漏液信號。在這一點上，基于STM32的光纖側向耦合漏液監測系統的設計已經逐步成熟。

4 光信號改良的漏液檢測系統測試與應用

將整個漏液檢測設備安置在檢測的區域，各個傳感帶通過串聯的方式連在一起，然后通過USB接口與上位機進行數據連接，監視點位會以表格的形式呈現在界面中，一旦有點位發生漏液現象，便會點亮相應表格。為了測試系統的各個方面，操作人員為系統的檢測添加了種種困難條件，隨機抽查50個測試點位，以加注水和海水等液體的形式模擬漏液，甚至還調整實驗溫度來模擬極端環境，得到的結果和響應時間記錄下來（如表1所示），如此反復多次，最終得出了1組可靠的數據。通過對比數據與實驗操作，發現漏液監測設備能夠正常工作，而且準確率和響應時間都遠高于一般的漏液檢測裝置，并且在零下20 ℃到50 ℃之間（表2），該裝置依然能夠準確工作，各個傳感點獲取的基準值不會產生太大的變化。由此可見，應用光信號技術的漏液檢測裝置，能夠適應更加極端惡劣的環境適用范圍也會隨之變廣。

5 光信號改良的漏液檢測設備更具發展前景

科技在進步時代在發展，在光信號的領域人類也不敢說是完全掌握，待日后光信號技術得到突破，或許還能將漏夜檢測裝置的精準度和響應速度再次提升一個臺階。像漏液檢測這類工作對精準度和響應速度有著極高的要求，尤其是一些輸送產業，例如石油化工、智能化家居、大型數據中心等，漏液檢測尤為重要，開發比一般的漏液檢測設備效率更好、更優秀的光信號漏液檢測設備，對各行各業的生產和發展都有著極大的推動作用。

6 結束語

通過STM32的光纖側向耦合漏液檢測裝置這一成功案例，講述傳感單元如何利用光信號技術實現漏液的精確定位和檢查，以及如何通過濾波算法，攻克光信號技術受到的影響和問題，進一步提高了準確率和響應時間。最終的實驗表明，用光信號技術改良漏液檢測裝置不僅在精度上比其他漏液檢測裝置更有保障，而且更能適應極端環境，尤其是電子干擾，在許多輸送管道大型水下設備等環境中會有著極為良好的表現，意味著我國的科研領域能夠繼續向著更深層次發展。

參考文獻

[1] 顏上取，湯昊，劉備，等.基于壓縮感知的HIFU回波信號降噪研究[J].電子測量與儀器學報，2020，34（11）：19-25.

[2] 侯鈺龍，姚嘉迪，邱婉琳，等.基于光纖多源掃描定位的準分布式漏水傳感器[J].光學技術，2020，46（5）：557-561.

[3] 樊偉，吳定祥，唐立軍.多角度多陣列LED光源控制電路系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2020，20（8）：69-72，76.