光纖傳感器與激光測(cè)距的物位傳感器設(shè)計(jì)

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650 nm左右可見(jiàn)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(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)。

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200～3 512 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(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。

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(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。