光纖傳感器與激光測距的物位傳感器設計

摘要：以固體火箭發(fā)動(dòng)機推進(jìn)劑裝藥物位檢測系統研究為背景，采用基于光纖傳感器與激光測距原理的非接觸式物位檢測方案，使用光纖傳導激光，使帶電設備遠離檢測現場(chǎng)，可以在檢測現場(chǎng)完全不帶電的情況下實(shí)現高精度物位檢測。系統通過(guò)主控單元可以控制多個(gè)傳感器實(shí)現多點(diǎn)同時(shí)檢測，從而能夠在裝藥表面不是絕對平面的情況下得到更為可靠的檢測結果。
關(guān)鍵詞：物位檢測；激光測距；光纖傳感器

引言
光纖傳感器與激光測距技術(shù)逐漸發(fā)展并出現很多成熟的產(chǎn)品，一方面光纖傳感器抗電磁干擾、耐高溫高壓、耐腐蝕；另一方面激光測距技術(shù)精度高、不需要與被測物體接觸，將這兩種技術(shù)結合的新型傳感器具有很大的應用價(jià)值。這類(lèi)傳感器本質(zhì)上是一種傳光型光纖傳感器，即將激光測距儀發(fā)出的激光利用光纖傳導與接收，并實(shí)現兩者優(yōu)點(diǎn)的結合，國內外眾多學(xué)者對這種方法進(jìn)行了廣泛的研究并取得了一定的成果。

1 物位傳感器總體設計
物位傳感器利用兩條光纖分別用于激光發(fā)射與接收，通過(guò)透鏡將發(fā)射激光耦合入發(fā)射光纖，激光順著(zhù)光纖傳導至另一端由準直透鏡準直后發(fā)射出去，激光經(jīng)被測目標反射后由接收透鏡會(huì )聚后耦合入接收光纖并傳遞到激光測距傳感器。光纖連接器是用來(lái)連接兩段光纖的可拆裝的接口裝置。這里光纖只起到傳導激光的作用，是典型的非功能型光纖傳感器。傳感器結構框圖如圖1所示。

2 傳感器各部分器件功能分析與選擇
2. 1 激光測距傳感器部分
激光測距技術(shù)比較復雜，激光測距傳感器的設計需要運用電學(xué)、光學(xué)等方面的綜合知識，其本身也是一個(gè)較大的研究領(lǐng)域，在本課題中由于時(shí)間與技術(shù)水平的限制，沒(méi)有對激光測距傳感器本身進(jìn)行單獨的設計。目前成熟商用的工業(yè)級激光測距傳感器性?xún)r(jià)比很高，直接采用成熟的激光測距傳感器產(chǎn)品大大加快了課題的研究進(jìn)度，這里采用了徠卡DLSB15型激光測距傳感器。
DLSB15型激光測距傳感器技術(shù)參數如表1所列。

2．2 光纖部分
發(fā)射光纖、接收光纖是用于傳導發(fā)射與反射光線(xiàn)的，光纖按其傳輸模式可分為單模光纖與多模光纖兩種，激光在導入光纖時(shí)只有在光纖的接收孔徑角之內的光線(xiàn)才能被有效地耦合入光纖，其接收孔徑角與光纖本身的數值孔參數NA有關(guān)。兩者的關(guān)系為：
接收孔徑角=arcsin(NA)
其中多模光纖的接收孔徑角較單模光纖要大得多，這里采用了芯徑200 μm階躍型多模光纖，長(cháng)度均為3m。該光纖數值孔徑NA值為0．22，光線(xiàn)在光纖中傳導時(shí)的衰減為3 dB／km(850 nm波長(cháng)時(shí))，光纖長(cháng)1 km時(shí)其傳輸信號帶寬大于20MHz。
2．3 激光與光纖耦合部分
2．3．1 激光測距儀端耦合部分
將發(fā)射光纖、接收光纖一端分別與激光測距儀發(fā)射透鏡、接收透鏡通過(guò)透鏡組耦合且封裝成一體并與激光測距儀固定連接。這里采用直徑12 mm的雙膠合鏡進(jìn)行耦合。
2．3．2 測量探頭部分
將發(fā)射光纖與接收光纖末端通過(guò)透鏡耦合并封裝成一體，組成測量探頭。其中發(fā)射光纖耦合部分采用直徑6mm非球面準直透鏡將從光纖發(fā)出的激光準直，接收光纖部分采用直徑12 mm的雙膠合鏡將反射回的激光耦合入光纖。
2．3．3 光纖連接器部分
這里采用FC／FC型光纖連接器，這種光纖連接器性?xún)r(jià)比高，可多次插拔且插入損耗較小。