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，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，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。

　　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E1，在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級的原子吸收光子能量激發(fā)而躍遷到高能級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E2 的原子會躍遷到低能級釋放能量而發(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(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 個重要特性。[1]

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

　?、颍焊邌紊裕す獾念l率寬度比普通光小10 倍以上。

　　Ⅲ：高方向性(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，那么觀察者所測到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動頻率而且還取決于波源或觀察者的運(yùn)動速度的大小和方向。所測頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動方向與方向一致時多普頻移

　　fd=v/λ

　　式中

　　v 為振動速度

　　λ為波長。

　　在激光多普勒振動速度測量儀中，由于光往返的原因,fd =2v/λ。這種測振儀在測量時由光學(xué)部分將物體的振動轉(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,再由電路部分作適當(dāng)處理后送往多普勒信號處理器將多普勒頻移信號變換為與振動速度相對應(yīng)的電信號，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。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,測量頻率范圍寬、精度高、動態(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變換為相應(yīng)的電信號，從而進(jìn)行檢測激光。

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