光纤传感器与激光测距的物位传感器设计

摘要：以固体火箭发动机推进剂装药物位检测系统研究为背景，采用基于光纤传感器与激光测距原理的非接触式物位检测方案，使用光纤传导激光，使带电设备远离检测现场，可以在检测现场完全不带电的情况下实现高精度物位检测。系统通过主控单元可以控制多个传感器实现多点同时检测，从而能够在装药表面不是绝对平面的情况下得到更为可靠的检测结果。
关键词：物位检测；激光测距；光纤传感器

引言
    光纤传感器与激光测距技术逐渐发展并出现很多成熟的产品，一方面光纤传感器抗电磁干扰、耐高温高压、耐腐蚀；另一方面激光测距技术精度高、不需要与被测物体接触，将这两种技术结合的新型传感器具有很大的应用价值。这类传感器本质上是一种传光型光纤传感器，即将激光测距仪发出的激光利用光纤传导与接收，并实现两者优点的结合，国内外众多学者对这种方法进行了广泛的研究并取得了一定的成果。

1 物位传感器总体设计
    物位传感器利用两条光纤分别用于激光发射与接收，通过透镜将发射激光耦合入发射光纤，激光顺着光纤传导至另一端由准直透镜准直后发射出去，激光经被测目标反射后由接收透镜会聚后耦合入接收光纤并传递到激光测距传感器。光纤连接器是用来连接两段光纤的可拆装的接口装置。这里光纤只起到传导激光的作用，是典型的非功能型光纤传感器。传感器结构框图如图1所示。

2 传感器各部分器件功能分析与选择
2. 1 激光测距传感器部分
    激光测距技术比较复杂，激光测距传感器的设计需要运用电学、光学等方面的综合知识，其本身也是一个较大的研究领域，在本课题中由于时间与技术水平的限制，没有对激光测距传感器本身进行单独的设计。目前成熟商用的工业级激光测距传感器性价比很高，直接采用成熟的激光测距传感器产品大大加快了课题的研究进度，这里采用了徕卡DLSB15型激光测距传感器。
    DLSB15型激光测距传感器技术参数如表1所列。

2．2 光纤部分
    发射光纤、接收光纤是用于传导发射与反射光线的，光纤按其传输模式可分为单模光纤与多模光纤两种，激光在导入光纤时只有在光纤的接收孔径角之内的光线才能被有效地耦合入光纤，其接收孔径角与光纤本身的数值孔参数NA有关。两者的关系为：
    接收孔径角=arcsin(NA)
    其中多模光纤的接收孔径角较单模光纤要大得多，这里采用了芯径200 μm阶跃型多模光纤，长度均为3m。该光纤数值孔径NA值为0．22，光线在光纤中传导时的衰减为3 dB／km(850 nm波长时)，光纤长1 km时其传输信号带宽大于20MHz。
2．3 激光与光纤耦合部分
2．3．1 激光测距仪端耦合部分
    将发射光纤、接收光纤一端分别与激光测距仪发射透镜、接收透镜通过透镜组耦合且封装成一体并与激光测距仪固定连接。这里采用直径12 mm的双胶合镜进行耦合。
2．3．2 测量探头部分
    将发射光纤与接收光纤末端通过透镜耦合并封装成一体，组成测量探头。其中发射光纤耦合部分采用直径6mm非球面准直透镜将从光纤发出的激光准直，接收光纤部分采用直径12 mm的双胶合镜将反射回的激光耦合入光纤。
2．3．3 光纤连接器部分
    这里采用FC／FC型光纤连接器，这种光纤连接器性价比高，可多次插拔且插入损耗较小。

3 传感器检测过程
    传感器物位检测是在装药过程中进行的，通过推进剂装药高度的精确测量来实现对装药剂量控制，物位检测过程如图2所示。

    激光测距传感器通过光纤传导发射与接收的激光，此时进行检测得到的检测结果L1可以认为是激光通过光纤，从激光发射端到测量探头所走过的光程d与从测量探头到被测物质表面的距离h之和。这里可以通过实验确定光程d并提前测得未进行装药之前的空罐高度D，从而得出所求物位H=D-(L1-d)。
    在未开始固体推进剂灌装之前采用传感器进行检测可以得到L2。此时，L2即激光通过光纤从激光发射端到探头间的光程d与未装药前的空罐高度D之和。此时得出所求物位H=L2-L1。因此在进行装药物位检测时将传感器空罐时的检测值L2储存在系统控制单元中，便可通过数据处理由检测值得出物位。

4 系统安全分析
    系统可以通过光纤使激光测距系统远离测试现场，实现测试不带电，从而避免出现短路、漏电等危险情况的情况。系统采用激光作为测量的载体，激光本身具有一定的能量，但市场上的相位式激光测距仪大都采用650 nm左右可见红光，光功率均小于0．95 mW，符合对人眼安全的要求。已有实验证明这类激光测距仪安全可靠，不会产生任何热效应。

5 实验设计与分析
    我们对系统进行了原理性实验，由于实验条件的限制仅对激光接收回路进行了实验。激光测距仪采用徕卡公司的A2型激光测距仪，激光发射功率小于0．95 mW。其主要参数为量程0．06～60 m、测量精度1．5 mm、测量精度±1．5 mm、激光波长635 nm。
    实验平台如图3所示。采用多模石英光纤，工作波长为620～700 nm，光纤长度为0．8 m，芯径为200μm，激光准直与接收采直径为13 mm单透镜。实验时在激光测距仪与被测目标间放置了钢板，完全阻断了反射激光从原光路进入测距仪。经过对光路部分的精密调校，最终激光测距仪可以正常工作并稳定地测出数据。

    实验首先对系统量程进行了测定，经过反复测定得出量程为200～3 512 mm(被测目标为浅灰色塑料)，当被测目标与接收透镜小于200 mm时还可以测出数据，但此时测量速度将明显变慢。通过实验使被测目标在量程范围内进行小范围位移，对测试测量精度进行了测定，实验数据如表2所列。

    由实验数据可得系统平均误差为1．08 mm，测量精度达到了激光测距仪本身标称的精度，表明测量精度未受光学系统影响。同时，测距仪的量程大幅度减小，这是由于激光测距仪接收到的光功率减小造成的，衰减主要产生于透镜与光纤的耦合处，这种衰减可以通过增大透镜的面积和在透镜与光纤间填充特殊液体等方式减小。

6 结论
    本文基于光纤传感器与激光测距的物位传感器设计，通过搭建实验平台进行了测试，证明激光测距仪的激光接收回路经改造后依然能够实现精确、稳定的测量。这种传感器可通过光纤使电学系统远离测量现场，从而达到安全要求，在石油、化丁等高危作业环境下的料位、液位等的测量应用中具有良好的前景。