光纖傳感器與激光測(cè)距的物位傳感器設(shè)計(jì)

摘要：以固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑裝藥物位檢測(cè)系統(tǒng)研究為背景，采用基于光纖傳感器與激光測(cè)距原理的非接觸式物位檢測(cè)方案，使用光纖傳導(dǎo)激光，使帶電設(shè)備遠(yuǎn)離檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)，可以在檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)完全不帶電的情況下實(shí)現(xiàn)高精度物位檢測(cè)。系統(tǒng)通過主控單元可以控制多個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)檢測(cè)，從而能夠在裝藥表面不是絕對(duì)平面的情況下得到更為可靠的檢測(cè)結(jié)果。
關(guān)鍵詞：物位檢測(cè)；激光測(cè)距；光纖傳感器

引言
光纖傳感器與激光測(cè)距技術(shù)逐漸發(fā)展并出現(xiàn)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(cè)距技術(shù)精度高、不需要與被測(cè)物體接觸，將這兩種技術(shù)結(jié)合的新型傳感器具有很大的應(yīng)用價(jià)值。這類傳感器本質(zhì)上是一種傳光型光纖傳感器，即將激光測(cè)距儀發(fā)出的激光利用光纖傳導(dǎo)與接收，并實(shí)現(xiàn)兩者優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合，國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)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(shè)計(jì)
物位傳感器利用兩條光纖分別用于激光發(fā)射與接收，通過透鏡將發(fā)射激光耦合入發(fā)射光纖，激光順著光纖傳導(dǎo)至另一端由準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后發(fā)射出去，激光經(jīng)被測(cè)目標(biāo)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(cè)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(dǎo)激光的作用，是典型的非功能型光纖傳感器。傳感器結(jié)構(gòu)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(cè)距傳感器部分
激光測(cè)距技術(shù)比較復(fù)雜，激光測(cè)距傳感器的設(shè)計(jì)需要運(yùn)用電學(xué)、光學(xué)等方面的綜合知識(shí)，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，沒有對(duì)激光測(cè)距傳感器本身進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)。目前成熟商用的工業(yè)級(jí)激光測(cè)距傳感器性價(jià)比很高，直接采用成熟的激光測(cè)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(cè)距傳感器。
DLSB15型激光測(cè)距傳感器技術(shù)參數(shù)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(dǎo)發(fā)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(dǎo)入光纖時(shí)只有在光纖的接收孔徑角之內(nèi)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(shù)值孔參數(shù)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，長度均為3m。該光纖數(shù)值孔徑NA值為0．22，光線在光纖中傳導(dǎo)時(shí)的衰減為3 dB／km(850 nm波長時(shí))，光纖長1 km時(shí)其傳輸信號(hào)帶寬大于20MHz。
2．3 激光與光纖耦合部分
2．3．1 激光測(cè)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(cè)距儀發(fā)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(cè)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(cè)量探頭部分
將發(fā)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(cè)量探頭。其中發(fā)射光纖耦合部分采用直徑6mm非球面準(zhǔn)直透鏡將從光纖發(fā)出的激光準(zhǔn)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(jià)比高，可多次插拔且插入損耗較小。