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。