激光與激光傳感器及其應(yīng)用詳解

激光技術(shù)和激光器是二十世紀六十年代出現(xiàn)的最重大的科學(xué)技術(shù)之一。由于其具有方向性強、亮度高、單色性好等特點，廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、醫(yī)學(xué)衛(wèi)激光傳感器生、科學(xué)研究等方面，如用來測距、精密檢測、定位等，還用做長度基準和光頻基準。

激光技術(shù)與應(yīng)用的迅猛發(fā)展，已與多個學(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。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)用范圍擴展到幾乎國民經(jīng)濟的所有領(lǐng)域。

激光傳感器是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器，一般是由激光器，光學(xué)零件，和光電器件所構(gòu)成的，它能把被測物理量（如長度，流量，速度等）轉(zhuǎn)換成光信號，然后應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器把光信號變成電信號，通過相應(yīng)電路的過濾，放大，整流得到輸出信號，從而算出被測量。

激光式傳感器具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)，原理簡單可靠，抗干擾能力強，適應(yīng)于各種惡劣的工作環(huán)境，分辨率較高（如在測量長度時能達到幾個納米），示值誤差小，穩(wěn)定性好，宜用于快速測量。

什么是激光

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，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。

激光的重要特性

1、 高方向性（即高定向性，光速發(fā)散角?。?，激光束在幾公里外的擴展范圍不過幾厘米。

2、高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10 倍以上。

3、高亮度，利用激光束會聚最高可產(chǎn)生達幾百萬度的溫度。

激光的種類

激光器按工作物質(zhì)可分為 4種：

1、固體激光器

它的工作物質(zhì)是固體。常用的有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器 (即YAG激光器)和釹玻璃激光器等。它們的結(jié)構(gòu)大致相同，特點是小而堅固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達到數(shù)十兆瓦。

2、氣體激光器

它的工作物質(zhì)為氣體。現(xiàn)已有各種氣體原子、離子、金屬蒸氣、氣體分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形狀如普通放電管，特點是輸出穩(wěn)定，單色性好,壽命長,但功率較小，轉(zhuǎn)換效率較低。

3、液體激光器

它又可分為螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器，其中最重要的是有機染料激光器，它的最大特點是波長連續(xù)可調(diào)。

4、半導(dǎo)體激光器

它是較年輕的一種激光器，其中較成熟的是砷化鎵激光器。特點是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜于在飛機、軍艦、坦克上以及步兵隨身攜帶。可制成測距儀和瞄準器。但輸出功率較小、定向性較差、受環(huán)境溫度影響較大。

激光傳感器特性及用途

激光測長

精密測量長度是精密機械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)代長度計量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進行的，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=λ2/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0.1微米。

激光測距

它的原理與無線電雷達相同，將激光對準目標發(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，這些對于測遠距離、判定目標方位、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)展起來的激光雷達不僅能測距，而且還可以測目標方位、運運速度和加速度等，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，測距范圍為500～2000公里,誤差僅幾米。目前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。

激光測厚

利用三角測距原理，上位于C型架的上、下方分割有一個精密激光測距傳感器，由激光器發(fā)射出的調(diào)制激光打到被測物的表面，通過對線陣 CCD的信號進行采樣處理，線陣CCD攝像機在控制電路的控制下同步得到被測物到C型架之間的距離，通過傳感器反饋的數(shù)據(jù)來計算中間被測物的厚度。由于檢測是連續(xù)進行的，因此就可以得到被測物的連續(xù)動態(tài)厚度值。

1、單激光位移傳感器測厚

被測體放在測量平臺上，測量出傳感器到平臺表面距離，然后再測出傳感器到被測體表面間距，經(jīng)計算后測出厚度。要求被測體與測量平臺之間無氣隙，被測體無翹起。這些嚴格要求只有在離線情況能實現(xiàn)。

2、雙激光位移傳感器測厚

在被測體上方和下方各安裝一個激光位移傳感器，被測體厚度D=C-(A+B)。其中，C是兩個傳感器之間距離，A是上面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y體之間距離，B是下面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y體之間距離。在線厚度測量用這種方法優(yōu)點是可消除被測體振動對測量結(jié)果的影響。但同時對傳感器安裝和性能有要求。保證測量準確性的條件是：兩個傳感器發(fā)射光束必須同軸，以及兩個傳感器掃描必須同步。同軸是靠安裝實現(xiàn)，而同步要靠選擇有同步端激光傳感器。

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，用光電倍增管進行光電檢測，用頻率跟蹤器來處理多普勒信號。它的優(yōu)點是使用方便，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。缺點是測量過程受其他雜散光的影響較大。

激光測速

它也是基多普勒原理的一種激光測速方法,用得較多的是激光多普勒流速計，它可以測量風(fēng)洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風(fēng)速和化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。

多普勒測速系統(tǒng)原理：

從開過來的機車所聽到的聲波間的距離被壓縮了，就好像一個人正在關(guān)手風(fēng)琴。這個動作的結(jié)果產(chǎn)生一個明顯的較高的音調(diào)。當火車離去時，聲波傳播開來，就出現(xiàn)了較低的聲音--這種現(xiàn)象被稱為“多普勒”效應(yīng)。

檢查機動車速度的雷達測速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。從測速儀里射出一束射線，射到汽車上再返回測速儀。測速儀里面的微型信息處理機把返回的波長與原波長進行比較。返回波長越緊密，前進的汽車速度也越快--那就證明駕駛員超速駕駛的可能性也越大。

激光多普勒測速儀是測量通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到速度。由于是激光測量，對于流場沒有干擾，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界上速度測量精度最高的儀器。

多普勒測速工作原理可以用干涉條紋來說明。當聚焦透鏡把兩束入射光以某角會聚后，由干激光束良好的相干性，在會聚點上形成明暗相間的干涉條紋，條紋間隔正比干光波波長，而反比干半交角的正弦值。當流體中的粒子從條紋區(qū)的方向經(jīng)過時，會依次散射出光強隨時間變化的一列散射光波，稱為多普勒信號。這列光波強度變化的頻率稱為多普勒頻移。經(jīng)過條紋區(qū)粒子的速度愈高，多普勒頻移就愈高。將垂直于條紋方向上的粒子速度，除以條紋間隔，考慮到流體的折射率就能得到多普勒頻移與流體速度之間線性關(guān)系。多普勒測速系統(tǒng)就是利用速度與多譜勒頻移的線性關(guān)系來確定速度的。各個方向上的多普勒頻率的相位差和粒子的直徑成正比，利用監(jiān)測到的相位差可以來確定粒徑。

兩種激光傳感器主要原理和應(yīng)用

利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現(xiàn)無接觸遠距離測量。激光傳感器常用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測等?？傊?，激光傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛了，下面介紹兩種激光傳感器主要原理和應(yīng)用。

激光位移傳感器

激光位移傳感器能夠利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現(xiàn)無接觸遠距離測量。激光位移傳感器(磁致伸縮位移傳感器)就是利用激光的這些優(yōu)點制成的新型測量儀表，它的出現(xiàn)，使位移測量的精度、可靠性得到極大的提高，也為非接觸位移測量提供了有效的測量方法。

激光三角法測量原理

半導(dǎo)體激光器1被鏡片2聚焦到被測物體6。反射光被鏡片3收集，投射到CCD陣列4上；信號處理器5通過三角函數(shù)計算陣列4上的光點位置得到距物體的距離。

激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接受器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機接受，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據(jù)這個角度即知的激光和相機之間的距離，數(shù)字信號處理器就能計算出傳感器和被測物之間的距離。

同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，并通過微處理器分析，計算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按比例輸出標準數(shù)據(jù)信號。如果使用開關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口內(nèi)導(dǎo)通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關(guān)量輸出可設(shè)置獨立檢測窗口。

激光回波分析法測量原理

激光位移傳感器采用回波分析原理來測量距離可以達到一定程度的精度。傳感器內(nèi)部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接受器等部分組成。激光位移傳感器通過激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬個脈沖到檢測物并返回至接收器，處理器計算激光脈沖遇到檢測物并返回接收器所需時間，以此計算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結(jié)果進行的平均輸出。

激光位移傳感器的應(yīng)用

1、尺寸測定：微小零件的位置識別;傳送帶上有無零件的監(jiān)測;材料重疊和覆蓋的探測;機械手位置(工具中心位置)的控制;器件狀態(tài)檢測;器件位置的探測(通過小孔);液位的監(jiān)測;厚度的測量;振動分析;碰撞試驗測量;汽車相關(guān)試驗等。

2、金屬薄片和薄板的厚度測量：激光傳感器測量金屬薄片(薄板)的厚度。厚度的變化檢出可以幫助發(fā)現(xiàn)皺紋，小洞或者重疊，以避免機器發(fā)生故障。

3、氣缸筒的測量，同時測量：角度，長度，內(nèi)、外直徑偏心度，圓錐度，同心度以及表面輪廓。

4、長度的測量：將測量的組件放在指定位置的輸送帶上，激光傳感器檢測到該組件并與觸發(fā)的激光掃描儀同時進行測量，最后得到組件的長度。

5、均勻度的檢查：在要測量的工件運動的傾斜方向一行放幾個激光傳感器，直接通過一個傳感器進行度量值的輸出，另外也可以用一個軟件計算出度量值，并根據(jù)信號或數(shù)據(jù)讀出結(jié)果。

6、電子元件的檢查：用兩個激光掃描儀，將被測元件擺放在兩者之間，最后通過傳感器讀出數(shù)據(jù)，從而檢測出該元件尺寸的精確度及完整性。

7、生產(chǎn)線上灌裝級別的檢查：激光傳感器集成到灌裝產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中，當灌裝產(chǎn)品經(jīng)過傳感器時，就可以檢測到是否填充滿。傳感器用激光束反射表面的擴展程序就能精確的識別灌裝產(chǎn)品填充是否合格以及產(chǎn)品的數(shù)量。

激光測距傳感器

激光測距傳感器的原理與無線雷達相同，將激光對準目標發(fā)射出去后，測量它的往返時間，再乘以光速既得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點，這些對于測遠距離、判定目標方位、提高接受系統(tǒng)的性噪比、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。

激光測距傳感器原理

激光測距實際上是一種主動光學(xué)探測方法。主動光學(xué)探測的探測機制是：由探測系統(tǒng)向目標發(fā)射波束（在光學(xué)探測中，一般是紅外或者可見光），波束被目標表面放射產(chǎn)生回波信號。回波信號中直接或簡介地包含待測信息。接收與信號處理系統(tǒng)通過接收和分析回波信號，獲得被測量。

上圖為脈沖激光測距系統(tǒng)簡圖，其工作原理如下：

人機操作發(fā)出測距指令，出發(fā)激光器發(fā)出激光脈沖，一小部分能量透過分束片，作為參考脈沖直接送到脈沖采集系統(tǒng)，作為計時的起始點，啟動數(shù)字式測距計時器開始計時：另一部分由折射棱鏡放射，射向目標。一般發(fā)射前端有望遠光學(xué)系統(tǒng)，為的是減少出射光束的發(fā)散角，以提高光能面密度，增大工作距離，還可以減少背景和周圍非目標標物的干擾。到達目標的激光束有一部分被表面漫反射回到測距儀；經(jīng)接收物鏡和光學(xué)濾波器，到達探測器APD，窄帶光學(xué)濾波器的主要作用是充分利用激光優(yōu)良的單色性，提高系統(tǒng)的信噪比；光探測器APD將光學(xué)信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后將電信號進行信號放大、濾波整形。整形后的回波信號關(guān)閉時間間隔處理模塊，使其停止計時。這樣，根據(jù)時間間隔處理的結(jié)果t即可計算出待測目標的距離L為：

激光測距傳感器的應(yīng)用

汽車防撞探測器

一般來說，大多數(shù)現(xiàn)有汽車碰撞預(yù)防系統(tǒng)的激光測距傳感器使用激光光束以不接觸方式用于識別汽車在前或者在后形勢的目標汽車之間的距離，當汽車間距小于預(yù)定安全距離時，汽車防碰撞系統(tǒng)對汽車進行緊急剎車，或者對司機發(fā)出報警，或者綜合目標汽車速度、車距、汽車制動距離、響應(yīng)時間等對汽車行駛進行即時的判斷和響應(yīng)，可以大量的減少行車事故。在高速公路上使用，其優(yōu)點更加明顯。

車流量監(jiān)控

如圖所示，這種使用方式一般固定到高速或者重要路口的龍門架上，激光發(fā)射和接收垂直地面向下，對準一條車道的中間位置，當有車輛通行時，激光測距傳感器能實時輸出所測得的距離值的相對改變值，進而描繪出所測車的輪廓。這種測量方式一般使用測距范圍小于30米即可，且要求激光測距速率比較高，一般要求能達到100赫茲就可以了。這對于在重要路段監(jiān)控可以達到很好的效果，能夠區(qū)分各種車型，對車身高度掃描的采樣率可以達到10厘米一個點（在40Km/h時，采樣率為11厘米一個點）。對車流限高，限長，車輛分型等都能實時分辨，并能快速輸出結(jié)果。