光纤传感器与激光测距的物位传感器设计
光纤传感器与激光测距的物位传感器设计
作者:闫鑫
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。
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型激光测距传感器技术参数
传感器技术参数 参数值:
检测量程 0.05~65m
标准测量精度 ±1.5mm
检测速度 0.2~3s/次
激光等级 II级
激光最大发射功率 0.95mW
激光波长 620~690nm
工作温度范围 -10~+50℃
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 200μm 阶跃型多模光纤,长 度 均 为3 m。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3dB/km (850nm 波长时),光纤长1km 时其传输信号带宽大于20 MHz。
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12mm 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。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650nm 左右可见红光,光功率均小于0.95mW,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0.95mW。其主要参数为量程0.06~60m、测 量 精 度1.5mm、测 量 精度±1.5mm、激光波长635nm。采用多模石英光纤,工作波长为620~700nm,光纤长度为0.8m,芯径为200μm,激光准直与接收采直径为13mm 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。
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