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(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 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(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(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3 dB／km(850 nm波長(zhǎng)時(shí))，光纖長(zhǎng)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。

3 傳感器檢測(cè)過程
    傳感器物位檢測(cè)是在裝藥過程中進(jìn)行的，通過推進(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)過程如圖2所示。

    激光測(cè)距傳感器通過光纖傳導(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)為是激光通過光纖，從激光發(fā)射端到測(cè)量探頭所走過的光程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650 nm左右可見紅光，光功率均小于0．95 mW，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)。

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0．95 mW。其主要參數(shù)為量程0．06～60 m、測(cè)量精度1．5 mm、測(cè)量精度±1．5 mm、激光波長(zhǎng)635 nm。
    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620～700 nm，光纖長(zhǎng)度為0．8 m，芯徑為200μm，激光準(zhǔn)直與接收采直徑為13 mm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)。

    實(shí)驗(yàn)首先對(duì)系統(tǒng)量程進(jìn)行了測(cè)定，經(jīng)過反復(fù)測(cè)定得出量程為200～3 512 mm(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200 mm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。

    由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得系統(tǒng)平均誤差為1．08 mm，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、化丁等高危作業(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。