光纖傳感器與激光測距的物位傳感器設計

閆鑫

（中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051）

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］。

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。

圖1 傳感器結構框圖

DLSB15型激光測距傳感器技術參數如表1所列。

表1 DLSB15型激光測距傳感器技術參數

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200μm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3dB／km（850nm波長時），光纖長1km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12mm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6 mm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比高，可多次插拔且插入損耗較小。

3 傳感器檢測過程

傳感器物位檢測是在裝藥過程中進行的，通過推進劑裝藥高度的精確測量來實現對裝藥劑量控制，物位檢測過程如圖2所示。

圖2 物位檢測過程

激光測距傳感器通過光纖傳導發射與接收的激光，此時進行檢測得到的檢測結果L1可以認為是激光通過光纖，從激光發射端到測量探頭所走過的光程d與從測量探頭到 被測物質表面的距離h之和。這里可以通過實驗確定光程d并提前測得未進行裝藥之前 的空罐高度D，從而得出所求物位H＝D－（L1－d）。

在未開始固體推進劑灌裝之前采用傳感器進行檢測可以得到L2。此時，L2即激光通過光纖從激光發射端到探頭間的光程d與未裝藥前的空罐高度D之和。此時得出所求物位H＝L2－L1。因此在進行裝藥物位檢測時將傳感器空罐時的檢測 值L2儲存在系統控制單元中，便可通過數據處理由檢測值得出物位。

4 系統安全分析

系統可以通過光纖使激光測距系統遠離測試現場，實現測試不帶電，從而避免出現短路、漏電等危險情況的情況。系統采用激光作為測量的載體，激光本身具有一定的能量，但市場上的相位式激光測距儀大都采用650nm左右可見紅光，光功率均小于0.95mW，符合對人眼安全的要求。已有實驗證明這類激光測距儀安全可靠，不會產生任何熱效應［6］。

5 實驗設計與分析

我們對系統進行了原理性實驗，由于實驗條件的限制僅對激光接收回路進行了實驗。激光測距儀采用徠卡公司的A2型激光測距儀，激光發射功率小于0.95mW。其主要參數為量程0.06～60m、測量精度1.5mm、測量精度±1.5mm、激光波長635nm。

實驗平臺如圖3所示。采用多模石英光纖，工作波長為620～700nm，光纖長度為0.8m，芯徑為200μm，激光準直與接收采直徑為13mm單透鏡。實驗時在激光測距儀與被測目標間放置了鋼板，完全阻斷了反射激光從原光路進入測距儀。經過對光路部分的精密調校，最終激光測距儀可以正常工作并穩定地測出數據。

圖3 實驗平臺

實驗首先對系統量程進行了測定，經過反復測定得出量程為200～3 512mm（被測目標為淺灰色塑料），當被測目標與接收透鏡小于200mm時還可以測出數據，但此時測量速度將明顯變慢。通過實驗使被測目標在量程范圍內進行小范圍位移，對測試測量精度進行了測定，實驗數據如表2所列。

表2 實驗數據 mm

由實驗數據可得系統平均誤差為1.08mm，測量精度達到了激光測距儀本身標稱的精度，表明測量精度未受光學系統影響。同時，測距儀的量程大幅度減小，這是由于激光測距儀接收到的光功率減小造成的，衰減主要產生于透鏡與光纖的耦合處，這種衰減可以通過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 論

本文基于光纖傳感器與激光測距的物位傳感器設計，通過搭建實驗平臺進行了測試，證明激光測距儀的激光接收回路經改造后依然能夠實現精確、穩定的測量。這種傳感器可通過光纖使電學系統遠離測量現場，從而達到安全要求，在石油、化工等高危作業環境下的料位、液位等的測量應用中具有良好的前景。

［1］金國藩，李景鎮.激光測量學［M］.北京：科學出版社，1998.

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

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

［4］楊洋，王宗和，高嵩.反射式光纖激光測距儀發射、接收光學系統的設計與研制［J］.承德石油高等專科學校學報，2006，8（3）：4－8.

［5］何平安，李松，韓建中，等.基于無合作目標激光測儀的激光液位測量系統［J］.測繪信息與工程，2002，27（4）：3－5.