激光傳感器原理

　　導(dǎo)讀：科技中的激光測距、測速、測長等，這些儀器中都少不了激光傳感器的存在，那激光傳感器又是什么呢?本文將講述激光傳感器的原理，感興趣的童鞋快來圍觀吧。

激光傳感器原理——介紹

　　激光技術(shù)和激光器是二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的最重大的科學(xué)技術(shù)。激光技術(shù)與應(yīng)用的迅猛發(fā)展，和多個(gè)學(xué)科相結(jié)合，形成新興的交叉學(xué)科。

　　如光電子學(xué)、信息光學(xué)、激光光譜學(xué)、非線性光學(xué)、超快激光學(xué)、量子光學(xué)、光纖光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、激光醫(yī)學(xué)、激光生物學(xué)、激光化學(xué)等。

　　激光傳感器由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。

　　這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得激光器的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到幾乎國民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域。本文主要介紹激光傳感器的原理。

激光傳感器原理——原理

　　激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。

　　常見的是激光測距傳感器，它通過記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測定目標(biāo)距離，還有一種是激光位移傳感器。

激光傳感器原理——激光的特點(diǎn)

　　激光與普通光不同，需要用激光器產(chǎn)生。激光器的工作物質(zhì)，在正常狀態(tài)下，多數(shù)原子處于穩(wěn)定的低能級(jí)E1，在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級(jí)的原子吸收光子能量激發(fā)而躍遷到高能級(jí)E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 為普朗克常數(shù)，v 為光子頻率。反之，在頻率為v 的光的誘發(fā)下，處于能級(jí)E2 的原子會(huì)躍遷到低能級(jí)釋放能量而發(fā)光，稱為受激輻射。

　　激光器首先使工作物質(zhì)的原子反常地多數(shù)處于高能級(jí)(即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布),就能使受激輻射過程占優(yōu)勢，從而使頻率為v 的誘發(fā)光得到增強(qiáng)，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產(chǎn)生大的受激輻射光，簡稱激光。激光具有3 個(gè)重要特性。[1]

　?、?：高亮度，利用激光束會(huì)聚最高可產(chǎn)生達(dá)幾百萬度的溫度。

　?、颍焊邌紊?，激光的頻率寬度比普通光小10 倍以上。

　?、螅焊叻较蛐?即高定向性，光速發(fā)散角小)，激光束在幾公里外的擴(kuò)展范圍不過幾厘米。

激光傳感器原理——激光測長

　　現(xiàn)代精密測量長度是精密機(jī)械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　長度計(jì)量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進(jìn)行的，其精度主要取決于光的單色性的好壞。激光是最理想的光源，它比以往最好的單色光源(氪-86燈)還純10萬倍。因此激光測長的量程大、精度高。由光學(xué)原理可知單色光的最大可測長度L與波長λ和譜線寬度δ之間的關(guān)系是L=λ/δ。用氪-86燈可測最大長度為38.5厘米，對于較長物體就需分段測量而使精度降低。若用氦氖氣體激光器，則最大可測幾十公里。一般測量數(shù)米之內(nèi)的長度，其精度可達(dá)0.1微米。

激光傳感器原理——激光測振

　　它基于多普勒原理測量物體的振動(dòng)速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的觀察者相對于傳播波的媒質(zhì)而運(yùn)動(dòng)，那么觀察者所測到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動(dòng)頻率而且還取決于波源或觀察者的運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向。所測頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動(dòng)方向與方向一致時(shí)多普頻移

　　fd=v/λ

　　式中

　　v 為振動(dòng)速度

　　λ為波長。

　　在激光多普勒振動(dòng)速度測量儀中，由于光往返的原因,fd =2v/λ。這種測振儀在測量時(shí)由光學(xué)部分將物體的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的多普勒頻移,并由光檢測器將此頻移轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再由電路部分作適當(dāng)處理后送往多普勒信號(hào)處理器將多普勒頻移信號(hào)變換為與振動(dòng)速度相對應(yīng)的電信號(hào)，最后記錄于磁帶。

　　這種測振儀采用波長為6328埃(┱)的氦氖激光器，用聲光調(diào)制器進(jìn)行光頻調(diào)制，用石英晶體振蕩器加功率放大電路作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)源，用光電倍增管進(jìn)行光電檢測，用頻率跟蹤器來處理多普勒信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，不需要固定參考系,不影響物體本身的振動(dòng),測量頻率范圍寬、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大。缺點(diǎn)是測量過程受其他雜散光的影響較大。

激光傳感器原理——激光測距

　　原理與無線電雷達(dá)相同，將激光對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測量它的往返時(shí)間，再乘以光速即得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點(diǎn)，這些對于測遠(yuǎn)距離、判定目標(biāo)方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保證測量精度等都是很關(guān)鍵的。

　　因此激光測距儀日益受到重視。在激光測距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光雷達(dá)不僅能測距，而且還可以測目標(biāo)方位、運(yùn)運(yùn)速度和加速度等，已成功地用于人造衛(wèi)星的測距和跟蹤，例如采用紅寶石激光器的激光雷達(dá)，測距范圍為500～2000公里,誤差僅幾米。不久前，真尚有的研發(fā)中心研制出的LDM系列測距傳感器，可以在數(shù)千米測量范圍內(nèi)的精度可以達(dá)到微米級(jí)別。常采用紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化鎵激光器作為激光測距儀的光源。

　　總結(jié)：激光傳感器其原理是將光學(xué)系統(tǒng)接受到的圖像映射到雪崩光電二極管上，由雪崩光電二極管將微弱的光信號(hào)變換為相應(yīng)的電信號(hào)，從而進(jìn)行檢測激光。

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