油罐液位传感器及信号检测系统的设计特点分析
作者：唐鹏 褚贵福  于弋
       目前，在储油罐液位测量时，均采用超声波法、电容法、磁致伸缩液位传感器、磁栅法等，常用的液位测 量方法和仪表大多是采用电信号方式来进行测量 和传输的。 由于测量现场带电，应重点解决储油 罐液位测量时的安全防爆问题[I] 。近年来，半导体激光技术、光栅技术、光纤通讯 技术的快速发展，为易燃易爆环境液位检测提供了 很好的测试手段和很强的抗电磁干扰能力。 由于 半导体激光器具有体积小、质量轻、调制方便、光特性优良等特点，是理想的探测光源；线阵CCD是一 种专用传感器，像元尺寸小，几何精度高，配置适当 的光学系统便可获得很高的空间分辩率，因此，被广泛应用于数字化位移测量领域 。1970年，可在室温下连续工作的双异质结半 导体激光器研制成功，为光纤通讯提供了可实用 化的光源。 另外，随着光栅刻划技术的成熟，利用 光栅莫尔(Moire)条纹变化对微小直线角位移变 化进行光放大的光栅法巳被采用。

下面结合计算机多机通讯及数据处理技术分析分布式油罐激光液位测控系统的设计特点。

1 测量原理

1.1 系统结构

      分布式油罐激光液位测控系统结构系统通过直线角位移转换器(2)把机械浮子式液位计(1)检测到的高度信号，转 换为角度信号并连接到主光栅(3);异质结半导体激光器(8)发出的635nm红光经透镜(7)耦合到光纤(6),经传输后聚焦(5)投射到指示光栅(4)上。在光栅莫尔条纹变化反射后经透镜(10)耦合到光纤(11)'经光路整形聚焦(12)照射到线阵CCD(13)中20个左右相位差,r/2的第N个和 第N+X个两个光敏元（系统采用双光路），系统把CCD光敏元的光电流分别提取出来进行放大 和处理，送入87c51(14)的pl口进行判向、计数 处理和显示，87c51单片机根据设置的数据输出 数字信号进行DIA转换，控制变频器的频率，此 为单元油罐激光液位测控系统测量原理。0-27 号从机（即0-27号储油罐）主机的通讯采用串 行异步通讯，由BOSIRS232AN 232G型光纤转—换器进行长距离（最长达10km)传输，送87c51 (17)主机集中显示和计量。

1.2 光栅式激光器测量原理

        2块节距角8相同的栅线通过中心的径向圆 光栅面对面地叠合并保持不大的偏心量e,形成一簇圆光栅条纹，接近圆心的条纹亮度较小，越向 外越大。指示光栅不动而当主光栅转动时，二者 移动速度不一样，为解决这个问题，在制作时，将 直线栅线做成接近径向的阿基米德螺旋线，可使 条纹匀速转动，为光电转换用的CCD提供基准光 源。

        本系统光路采用双光纤双传感式，单路采用 Y型光纤作收发用，使光纤组合探头结构可靠，且易于装配调整。该光纤为阶跃型，设光纤端面到光栅距离为 d, 纤芯直径为2a,数值孔径为NA,光栅盘光斑直 径为2r,这时光纤所接收的光强等效于输入光纤 像发出的光强。

2 数据采集及处理系统

2.1 单元数据处理

        由千单元CCD探测到的第N个和第N+X 个光敏元的相位一个超前，另一个滞后，当条纹向 不大阳城娱乐向移动时，CCD处理电路把它提取出来分 两路进行放大并转换为电压信号(-5 ~ + 5V), 并进行A/D转换作为87c51P1口的pl.O和Pu输 入信号，87c51通过不断地监测pl口的状态，用软件来判断两路脉冲信号来到的先后和移动情况。比较完一个周期后，根据结果在不大阳城娱乐向计 数单元计数，然后将两个方向移动数相减，即可得相对条纹移动数，并经过变换从LED上显示出液面高度。单元软件程序由初始化程序(START)、方向判别与计数程序(CHKI)'求相对条纹数程 序(CON,)组成。方向判别过程如下：当一个莫尔 条纹移动时，CCD探测处理电路选好的2个光敏 元的光电流得到两路脉冲AB电平输出，向左移 动一个时要经过5个变化过程。

2.2 多机通讯处理系统

       由千分布式油罐较为分散，为了便于集中监测和管理，采用总线型主从式多机通讯技术。为截距RS-232接口通讯距离过短问题，利用串行口RS-232总线采用BOSIAN232光纤转换器进行长距离传输。

        多机通讯处理系统约定：

a.通信系统采用网络结构；b. 所有通信均采用串行异步全双工方式；c. 串行通信选择波特率为2400 bit;d. 一帧信息所包含的数据为8位(16 进制），奇偶校验可选；e. 主机采用中断方式与各分机进行通信；f. 各分机与主机进行通信时，首先向主机申请，只有接收到应答信号后，主机才发送信息；g系统只允许一对（主从机）计算机之间进 行通信；h. 传输介质为RS232总线结构的BO­SIAN232型光纤转换器。

3 光栅式激光液位测控系统的应用

       由于采用光纤光栅式激光液位传感器的非信号测量能够解决储油罐液位测量时的防爆安全性问题，而该系统采用RS一232光纤转换器，可以大大扩展RS-232接口的传输距离，使该测控系统更加实用。在系统测试时发现：a. 使用激光光 源时，测得的曲线不如非相干光源的光滑，因为激 光的相干性高，对反射很灵敏，衍射、散射、干涉效 应使反射光斑易出现杂乱信号，所以在远距离传 输时，在指示光栅区增镜635nm厚高反膜，增加 系统抗光干扰性；b. 反射式光纤光栅传感器指示 光栅倾斜、抖动、转动，对反射光强很有影响。

4 结论

       采用双光纤、双激光、双传感并结合大阳城娱乐计算 机的数字处理技术，增加了光纤光栅激光液位测控 系统的抗干扰和数字处理能力，解决了分布式油罐 的集中检测问题，以便进行网络化管理，使该系统 更加实用、稳定和可靠，提高了测量精度。使用 BOSIAN RS232远距离中继器便于长距离传输和抗 干扰能力，根据实验结果，信号在光纤传输800m时 准确无丢码现象，系统误差不大于0.05%,测量范围达几大阳城娱乐，可满足分布式油罐长距离检测要求。


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