激光傳感器

1　概述

　　利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的傳感器。它由激光器、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。

2　分類

　　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(diǎn)是小而堅(jiān)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(dá)到數(shù)十兆瓦。②氣體激光器：它的工作物質(zhì)為氣體?，F(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(diǎn)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(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中最重要的是有機(jī)染料激光器，它的最大特點(diǎn)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(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜于在飛機(jī)、軍艦、坦克上以及步兵隨身攜帶?？芍瞥蓽y距儀和瞄準(zhǔn)器。但輸出功率較小、定向性較差、受環(huán)境溫度影響較大。

3　工作原理

　　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，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(shí)間，即可測定目標(biāo)距離。激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時(shí)間，因?yàn)楣馑偬臁?/p>

　　例如，光速約為3´108m/s，要想使分辨率達(dá)到1mm，則傳輸時(shí)間測距傳感器的電子電路必須能分辨出以下極短的時(shí)間：

　　0.001m¸(3´108m/s)=3ps

　　要分辨出3ps的時(shí)間，這是對電子技術(shù)提出的過高要求，實(shí)現(xiàn)起來造價(jià)太高。但是如今的激光測距傳感器巧妙地避開了這一障礙，利用一種簡單的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，即平均法則實(shí)現(xiàn)了1mm的分辨率，并且能保證響應(yīng)速度。

4　應(yīng)用

　　利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)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。

　　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?，F(xiàn)代長度計(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。

　　激光測距

　　它的原理與無線電雷達(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

　　雷達(dá)傳感器測距

　　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。

　　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(shí)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(shí)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(jì)(見激光流量計(jì)),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。