光纖傳感器與激光測(cè)距的物位傳感器設(shè)計(jì)

閆鑫

（中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

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(guó)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］。

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(guò)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(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(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(méi)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。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)框圖

DLSB15型激光測(cè)距傳感器技術(shù)參數(shù)如表1所列。

表1 DLSB15型激光測(cè)距傳感器技術(shù)參數(shù)

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200μm階躍型多模光纖，長(zhǎng)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3dB／km（850nm波長(zhǎng)時(shí)），光纖長(zhǎng)1km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(guò)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12mm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(guò)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6 mm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12mm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。

3 傳感器檢測(cè)過(guò)程

傳感器物位檢測(cè)是在裝藥過(guò)程中進(jìn)行的，通過(guò)推進(jìn)劑裝藥高度的精確測(cè)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝藥劑量控制，物位檢測(cè)過(guò)程如圖2所示。

圖2 物位檢測(cè)過(guò)程

激光測(cè)距傳感器通過(guò)光纖傳導(dǎo)發(fā)射與接收的激光，此時(shí)進(jìn)行檢測(cè)得到的檢測(cè)結(jié)果L1可以認(rèn)為是激光通過(guò)光纖，從激光發(fā)射端到測(cè)量探頭所走過(guò)的光程d與從測(cè)量探頭到 被測(cè)物質(zhì)表面的距離h之和。這里可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定光程d并提前測(cè)得未進(jìn)行裝藥之前 的空罐高度D，從而得出所求物位H＝D－（L1－d）。

在未開(kāi)始固體推進(jìn)劑灌裝之前采用傳感器進(jìn)行檢測(cè)可以得到L2。此時(shí)，L2即激光通過(guò)光纖從激光發(fā)射端到探頭間的光程d與未裝藥前的空罐高度D之和。此時(shí)得出所求物位H＝L2－L1。因此在進(jìn)行裝藥物位檢測(cè)時(shí)將傳感器空罐時(shí)的檢測(cè) 值L2儲(chǔ)存在系統(tǒng)控制單元中，便可通過(guò)數(shù)據(jù)處理由檢測(cè)值得出物位。

4 系統(tǒng)安全分析

系統(tǒng)可以通過(guò)光纖使激光測(cè)距系統(tǒng)遠(yuǎn)離測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試不帶電，從而避免出現(xiàn)短路、漏電等危險(xiǎn)情況的情況。系統(tǒng)采用激光作為測(cè)量的載體，激光本身具有一定的能量，但市場(chǎng)上的相位式激光測(cè)距儀大都采用650nm左右可見(jiàn)紅光，光功率均小于0.95mW，符合對(duì)人眼安全的要求。已有實(shí)驗(yàn)證明這類激光測(cè)距儀安全可靠，不會(huì)產(chǎn)生任何熱效應(yīng)［6］。

5 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與分析

我們對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了原理性實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制僅對(duì)激光接收回路進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。激光測(cè)距儀采用徠卡公司的A2型激光測(cè)距儀，激光發(fā)射功率小于0.95mW。其主要參數(shù)為量程0.06～60m、測(cè)量精度1.5mm、測(cè)量精度±1.5mm、激光波長(zhǎng)635nm。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖3所示。采用多模石英光纖，工作波長(zhǎng)為620～700nm，光纖長(zhǎng)度為0.8m，芯徑為200μm，激光準(zhǔn)直與接收采直徑為13mm單透鏡。實(shí)驗(yàn)時(shí)在激光測(cè)距儀與被測(cè)目標(biāo)間放置了鋼板，完全阻斷了反射激光從原光路進(jìn)入測(cè)距儀。經(jīng)過(guò)對(duì)光路部分的精密調(diào)校，最終激光測(cè)距儀可以正常工作并穩(wěn)定地測(cè)出數(shù)據(jù)。

圖3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)首先對(duì)系統(tǒng)量程進(jìn)行了測(cè)定，經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)定得出量程為200～3 512mm（被測(cè)目標(biāo)為淺灰色塑料），當(dāng)被測(cè)目標(biāo)與接收透鏡小于200mm時(shí)還可以測(cè)出數(shù)據(jù)，但此時(shí)測(cè)量速度將明顯變慢。通過(guò)實(shí)驗(yàn)使被測(cè)目標(biāo)在量程范圍內(nèi)進(jìn)行小范圍位移，對(duì)測(cè)試測(cè)量精度進(jìn)行了測(cè)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所列。

表2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得系統(tǒng)平均誤差為1.08mm，測(cè)量精度達(dá)到了激光測(cè)距儀本身標(biāo)稱的精度，表明測(cè)量精度未受光學(xué)系統(tǒng)影響。同時(shí)，測(cè)距儀的量程大幅度減小，這是由于激光測(cè)距儀接收到的光功率減小造成的，衰減主要產(chǎn)生于透鏡與光纖的耦合處，這種衰減可以通過(guò)增大透鏡的面積和在透鏡與光纖間填充特殊液體等方式減小。

6 結(jié) 論

本文基于光纖傳感器與激光測(cè)距的物位傳感器設(shè)計(jì)，通過(guò)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了測(cè)試，證明激光測(cè)距儀的激光接收回路經(jīng)改造后依然能夠?qū)崿F(xiàn)精確、穩(wěn)定的測(cè)量。這種傳感器可通過(guò)光纖使電學(xué)系統(tǒng)遠(yuǎn)離測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)，從而達(dá)到安全要求，在石油、化工等高危作業(yè)環(huán)境下的料位、液位等的測(cè)量應(yīng)用中具有良好的前景。

［1］金國(guó)藩，李景鎮(zhèn).激光測(cè)量學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，1998.

［2］丁小平，王薇，付連春.光纖傳感器的分類及其應(yīng)用原理［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2006，26（6）：1176－1178.

［3］汪濤.相位激光測(cè)距技術(shù)研究［J］，激光與紅外，2007，37（1）：29－31.

［4］楊洋，王宗和，高嵩.反射式光纖激光測(cè)距儀發(fā)射、接收光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研制［J］.承德石油高等?？茖W(xué)校學(xué)報(bào)，2006，8（3）：4－8.

［5］何平安，李松，韓建中，等.基于無(wú)合作目標(biāo)激光測(cè)儀的激光液位測(cè)量系統(tǒng)［J］.測(cè)繪信息與工程，2002，27（4）：3－5.