光信号在漏液检测中的深度应用

林祥龙 冯博

[摘    要]漏液检测是一项十分重要的监测工作，应用的领域非常广泛，然而在一些特殊环境如电磁干扰等情况下，漏液检测会失去灵敏和准确，难以完成需求。为了攻克这一问题，将稳定可靠的光信号融入漏夜检测设备中的技术应运而生，并逐渐发展出了优秀的侧向耦合漏液检测系统，该系统基于STM32光纤，由上位机模块与硬件模块共同组成。上位机通过滤波算法比较漏液信号的均差，能够去除偶发脉冲造成的干扰，降低系统的反应时间和误报几率，提升传感带的灵敏度。硬件系统囊括了信号转换器模块以及光纤传感器模块，将STM32作为信号变换器的控制芯片，做到光信号的传输与放大。整个系统通过传感带进行级联安装，充分保障工作稳定，实现每一个传感点单点标定，将误差控制在2%以内。

[关键词]光信号技术;漏液检测;应用

[中图分类号]TN249 [文献标志码]A [文章编号]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

光信号技术与漏液系统的结合具有十分广阔的发展前景，成为了漏液检测研究的热门。本文主要以通过POF光纤外部光源侧向耦合扫描传感方式，实现使用STM32光纤的漏液检测系统的案例，阐述光信号技术的应用在漏液检测方面的强大优势和发展潜力。

1 利用光信号的特殊性实现漏液检测

1.1 系统的设计

由下位机硬件和上位机两部分构成整个漏液监测系统，将传感器制作成带式结构，有效的测量范围可以达到1m，漏液时发出的光功率变化信号，会被用光纤制作的传感带里面的敏感单元捕获到。变换器会将捕获的光信号转化为电信号并通过中央处理器进行处理，再通过总线的通信方式，传到下1条传感带再到上位机，最终在操作人员的显示屏中呈现每条传感探头的状态，可以让用户清楚地了解到各标定点的漏水情况、基准点和阈值。

1.2 光信号实现漏夜检测的原理

光分为可见光与不可见光，在均匀介质中沿直线传播，具有速度快、精度高等特点，不同的光还具有特定的波长，当波长受到干扰时便会发生相应变化。通过光纤人们便能对光的特性进行利用，光纤传侧向耦合漏液检测系统便离不开光纤的作用，光纤传侧向耦合漏液检测探头的主要構成便是聚合物光纤（plastic optical fiber，POF）以及LED灯带、传感探针、柔性PGB光纤包层。在Pof光纤的侧面施加光源，可以在光纤的尾端收集到侧向光源耦合的光功率变化。将透明的有机硅树脂封装在LED灯珠的表面可以调节发光的强度与角度分布，让LED光通过空气介质和树脂耦合到光纤当中。在光纤与LED灯带中留有一定空隙，以便光的传播和反射，有机硅树脂与空气介质、光纤芯儿、和光纤包层的折射率大有不同，记作N1、N2、N3、N4。光源每一次通过不同介质的时候，都会因其折射率而发生改变。从LED灯中发出的光芒，首先会通过有机硅树脂来到耦合区域，光源会在耦合区域内因折射发生路线改变，如果没有漏液，该折射以空气介质的折射率为准，此时的各个入射角和反射角记作θ1、θ2、θ3、θ4。一旦发生漏液情况，便会以漏液介质的折射率发生改变，继而改变光线照到光纤入射角，使θ3增大或是减小，能够射进光纤的光线数量也会随之发生改变。当θ3到达一定的角度，光线才能顺利通过光纤，在光纤芯中传输，否则会散射到外界的环境当中，借此原理来推算出光功率的改变，便能判断漏液检测位置是否发生漏液。以光线其独特的物理性质，可以保证获得结果的可靠性与准确性。其原理和过程如图1所示。

2 结合光信号技术对系统硬件的改变

2.1 光信号应用于传感带的设计

由于要实现光技术的应用，以往的漏液检测装置的设计已经无法达到光信号实现的要求，必须对材料加以改进。选用长1m宽2mm带缺陷的POF光纤，分布在光纤传感带上，加上LED灯带和传感封装外壳，共同组建传感装置。使用铣床对细的光纤进行加工，把光纤侧面带缺陷的结构和LED灯珠相对应，形成完美的耦合区域。LED灯带方面也有着特定的要求，需要用三通道恒流单线2586级的ws2811LED驱动芯片与宽5mm的方形贴片式RGB灯珠，2GB灯珠能够向外散发，波长为650nm的红色稳定光源，电路板的材料选为聚酰亚胺，这种材料具有高度的可柔性和可靠性，能够制作柔性电路板。在灯带上灯珠之间的距离要保持5cm的距离，用每1珠LED灯都要用1片ws2811芯片来控制，使用变换器提供稳定的5V电源和灯带扫描控制信号。为了能够充分保护光纤和LED灯以及实现导流功能，外壳必须选用PVC材料制作。完成后的整个漏液检测装置，便能实现扫描检测。

2.2 光信号应用于变换器的设计

2.2.1 电源转换器的设计

区别于传统的变换器，要想利用光信号，必须改进变换器使之增加光电转换能力和信息处理能力。故而侧面耦合漏液監测装置的变换器，具有中央控制模块、传感带光源、控制模块、总线传输模块、信号调离和采集模块、光电转换模块以及电源转换模块。提供12V的稳定电源供电，首先通过电源转换模块，将电压调整到内部所需值，使用STM32的单片机作为变换器电路中央处理器，控制LED灯珠进行一定频度的闪烁，LED灯发出的光会经过光纤缺陷结构的耦合区域到光纤内部进行传输，再到光电转换模块把光信号再转换回电流信号，通过电流就可以获得电压信号，将信号放大传入STM32芯片进行分析和编帧处理，再到总线传输模块完成数据打包传送到下1条传感带，最终通过多条传感带级联和串联变换器的方式，将全部数据上传到上位机进行处理和显示。其中，变换器中不同部分的模块需要的供电电压有所不同，信号调理电路的正向供电电压为2.5V，总线传输模块和中控制芯片STM32需要的供电电压为3.3V，负向电压需要达到-3.3V，LED灯带所需要的电压为5V。电源转换模块是整个电路中为所有模块提供稳定电压的重要保障，若想让其保持正常、高效、稳定的工作，必须要配备各种转换电压的芯片。将电压转换为5V的lm7805转化芯片，将电压由5V转化为-3.3V的AMS1117-3.3电源转换芯片，将电压由5V转为2.5V的AMS117-2.5电源转换芯片，将5V转为-3.3V的lm27761电源转换芯片，可以作为整个电源变换模块所需转换芯片的参考。

2.2.2 光信号转化为电信号的电路设计

至于光纤传感带方面，想要采集光信号并通过光电放大器转化为电流信号传输到信号调整模块，想实现这一过程还需要非常巧妙的设计。首先使用sm05pd1a光电放大器，将光信号转换为电流信号，再通过信号调理模块，将信号转化为电压信号并进行放大，需要整体电路中具有作为前级跨导放大电路的主芯片AD8691芯片。再为整个电路配备相应的跨导电阻、匹配电容，来达到抑制噪声和降低转换时间的目的。根据输入光强的量级选择适当阻值、精度的低温漂电阻，来获得稳定电压值，并在后面通过放大电路进行二级放大处理，使用AD8666芯片调整电路内阻值的配比，让传感探测获得的信号最终放大到足以呈现出来。

3 应用光信号技术改良上位机

3.1 上位机的总体设计

总的来说，上位机软件主要使用编程技术实现，首先配置串口波特率，到下一步采集基准值A，设定传感点阀值N，监测并采集实测值S，然后判断是否为偶发尖峰，如果为不是则进行判断基准值只差与阈值比较是否符合S-A>N，如果不符合直接点亮漏水状态指示灯并显示漏液位置，如果所有判断条件与预料相反，则断定未发生漏液循环到监测并采集实测值这一步。基准值的应对位点在无漏液的情况下取前120次的平均值，因为在一般情况下，光信号还是会因为外界的环境多少发生一些改变，所以采集回来的数值并不一定是固定不变的，需要确立1个阈值防止出现漏报。

3.2 上位机滤波设计

滤波设计是用光信号技术改良后漏液检测设备的特有设计。以采集的基准值和表示检测漏水事件变化的曲线图做比较，随着时间的推移，在未漏液的时候，两条线基本重合，一旦发生漏液现象，采集的数值便会陡然升高并维持一段时间，通过这种图像的形式可以明确的判断出漏液情况。然而在实际的使用中发现没有发生漏水情况时，由于设备的部分位置过于敏感产生噪声干扰，进而影响采集数值的准确性，让图像发生类似于漏液现象的变化。所以要设计出不受噪声干扰，可以过滤无效波段的功能，同时还要识别有效的漏液信号。需要用传感点的基准值和阈值，通过采用漏液信号比干扰波段保持时间长的特点，设计出采用差值比较的滤波算法筛选出准确的漏液信号。在这一点上，基于STM32的光纤侧向耦合漏液监测系统的设计已经逐步成熟。

4 光信号改良的漏液检测系统测试与应用

将整个漏液检测设备安置在检测的区域，各个传感带通过串联的方式连在一起，然后通过USB接口与上位机进行数据连接，监视点位会以表格的形式呈现在界面中，一旦有点位发生漏液现象，便会点亮相应表格。为了测试系统的各个方面，操作人员为系统的检测添加了种种困难条件，随机抽查50个测试点位，以加注水和海水等液体的形式模拟漏液，甚至还调整实验温度来模拟极端环境，得到的结果和响应时间记录下来（如表1所示），如此反复多次，最终得出了1组可靠的数据。通过对比数据与实验操作，发现漏液监测设备能够正常工作，而且准确率和响应时间都远高于一般的漏液检测装置，并且在零下20 ℃到50 ℃之间（表2），该装置依然能够准确工作，各个传感点获取的基准值不会产生太大的变化。由此可见，应用光信号技术的漏液检测装置，能够适应更加极端恶劣的环境适用范围也会随之变广。

5 光信号改良的漏液检测设备更具发展前景

科技在进步时代在发展，在光信号的领域人类也不敢说是完全掌握，待日后光信号技术得到突破，或许还能将漏夜检测装置的精准度和响应速度再次提升一个台阶。像漏液检测这类工作对精准度和响应速度有着极高的要求，尤其是一些输送产业，例如石油化工、智能化家居、大型数据中心等，漏液检测尤为重要，开发比一般的漏液检测设备效率更好、更优秀的光信号漏液检测设备，对各行各业的生产和发展都有着极大的推动作用。

6 结束语

通过STM32的光纤侧向耦合漏液检测装置这一成功案例，讲述传感单元如何利用光信号技术实现漏液的精确定位和检查，以及如何通过滤波算法，攻克光信号技术受到的影响和问题，进一步提高了准确率和响应时间。最终的实验表明，用光信号技术改良漏液检测装置不仅在精度上比其他漏液检测装置更有保障，而且更能适应极端环境，尤其是电子干扰，在许多输送管道大型水下设备等环境中会有着极为良好的表现，意味着我国的科研领域能够继续向着更深层次发展。

参考文献

[1] 颜上取，汤昊，刘备，等.基于压缩感知的HIFU回波信号降噪研究[J].电子测量与仪器学报，2020，34（11）：19-25.

[2] 侯钰龙，姚嘉迪，邱婉琳，等.基于光纤多源扫描定位的准分布式漏水传感器[J].光学技术，2020，46（5）：557-561.

[3] 樊伟，吴定祥，唐立军.多角度多阵列LED光源控制电路系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2020，20（8）：69-72，76.