光纖傳感器與激光測距的物位傳感器設計

摘要：以固體火箭發動機推進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，可以在檢測現場完全不帶電的情況下實現高精度物位檢測。系統通過主控單元可以控制多個傳感器實現多點同時檢測，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逐漸發展并出現很多成熟的產品，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精度高、不需要與被測物體接觸，將這兩種技術結合的新型傳感器具有很大的應用價值。這類傳感器本質上是一種傳光型光纖傳感器，即將激光測距儀發出的激光利用光纖傳導與接收，并實現兩者優點的結合，國內外眾多學者對這種方法進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射與接收，通過透鏡將發射激光耦合入發射光纖，激光順著光纖傳導至另一端由準直透鏡準直后發射出去，激光經被測目標反射后由接收透鏡會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
激光測距技術比較復雜，激光測距傳感器的設計需要運用電學、光學等方面的綜合知識，其本身也是一個較大的研究領域，在本課題中由于時間與技術水平的限制，沒有對激光測距傳感器本身進行單獨的設計。目前成熟商用的工業級激光測距傳感器性價比很高，直接采用成熟的激光測距傳感器產品大大加快了課題的研究進度，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參數如表1所列。

2．2 光纖部分
發射光纖、接收光纖是用于傳導發射與反射光線的，光纖按其傳輸模式可分為單模光纖與多模光纖兩種，激光在導入光纖時只有在光纖的接收孔徑角之內的光線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。兩者的關系為：
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，長度均為3m。該光纖數值孔徑NA值為0．22，光線在光纖中傳導時的衰減為3 dB／km(850 nm波長時)，光纖長1 km時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
將發射光纖、接收光纖一端分別與激光測距儀發射透鏡、接收透鏡通過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的雙膠合鏡進行耦合。
2．3．2 測量探頭部分
將發射光纖與接收光纖末端通過透鏡耦合并封裝成一體，組成測量探頭。其中發射光纖耦合部分采用直徑6mm非球面準直透鏡將從光纖發出的激光準直，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，這種光纖連接器性價比高，可多次插拔且插入損耗較小。