激光傳感器原理

 

激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。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，它的優點是能實現無接觸遠距離測量
，速度快，精度高，量程大，抗光
、電幹擾能力強等。

 

 

激光與普通光不同，需要用激光器產生。激光器的工作物質，在正常狀態下
，多數原子處於穩定的低能級E1，在適當頻率的外界光線的作用下，處於低能級的原子吸收光子能量激發而躍遷到高能級E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 為普朗克常數
，v 為光子頻率。反之，在頻率為v 的光的誘發下，處於能級E2 的原子會躍遷到低能級釋放能量而發光，稱為受激輻射。激光器首先使工作物質的原子反常地多數處於高能級（即粒子數反轉分布),就能使受激輻射過程占優勢
，從而使頻率為v 的誘發光得到增強，並可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產生大的受激輻射光，簡稱激光。

 

激光具有3 個重要特性

 

（1）高方向性（即高定向性，光速發散角小）
，激光束在幾公裏外的擴展範圍不過幾厘米。

 

（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生達幾百萬度的溫度。

 

兩種激光傳感器主要原理

 

利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現無接觸遠距離測量。激光傳感器常用於長度、距離、振動
、速度
、fangweidengwuliliangdeceliang
，haikeyongyutanshanghedaqiwuranwudejiancedeng。zongzhi，jiguangchuanganqideyingyonglingyuyuelaiyueguangfanle

，xiamianjieshaoliangzhongjiguangchuanganqizhuyaoyuanliheyingyong。

 

1 、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點製成的新型測量儀表，它的出現，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。

 

激光位移傳感器的兩種測量原理

 

（1）激光三角法測量原理

 

 

激光三角法測量原理圖

 

半導體激光器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通過三角函數計算陣列4上的光點位置得到距物體的距離。

 

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

 

同tong時shi，光guang束shu在zai接jie收shou元yuan件jian的de位wei置zhi通tong過guo模mo擬ni和he數shu字zi電dian路lu處chu理li，並bing通tong過guo微wei處chu理li器qi分fen析xi，計ji算suan出chu相xiang應ying的de輸shu出chu值zhi，並bing在zai用yong戶hu設she定ding的de模mo擬ni量liang窗chuang口kou內nei
，按an比bi例li輸shu出chu標biao準zhun數shu據ju信xin號hao。如ru果guo使shi用yong開kai關guan量liang輸shu出chu，則ze在zai設she定ding的de窗chuang口kou內nei導dao通tong，窗chuang口kou之zhi外wai截jie止zhi。另ling外wai
，模mo擬ni量liang與yu開kai關guan量liang輸shu出chu可ke設she置zhi獨du立li檢jian測ce窗chuang口kou。

 

（2）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。傳感器內部是由處理器單元、回波處理單元、激光發射器
、激ji光guang接jie受shou器qi等deng部bu分fen組zu成cheng。激ji光guang位wei移yi傳chuan感gan器qi通tong過guo激ji光guang發fa射she器qi每mei秒miao發fa射she一yi百bai萬wan個ge脈mai衝chong到dao檢jian測ce物wu並bing返fan回hui至zhi接jie收shou器qi
，處chu理li器qi計ji算suan激ji光guang脈mai衝chong遇yu到dao檢jian測ce物wu並bing返fan回hui接jie收shou器qi所suo需xu時shi間jian
，以yi此ci計ji算suan出chu距ju離li值zhi
，該gai輸shu出chu值zhi是shi將jiang上shang千qian次ci的de測ce量liang結jie果guo進jin行xing的de平ping均jun輸shu出chu。

 

 

激光回波分析法測量原理圖

 

2、激光測距傳感器

 

激(ji)光(guang)測(ce)距(ju)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)原(yuan)理(li)與(yu)無(wu)線(xian)雷(lei)達(da)相(xiang)同(tong)，將(jiang)激(ji)光(guang)對(dui)準(zhun)目(mu)標(biao)發(fa)射(she)出(chu)去(qu)後(hou)，測(ce)量(liang)它(ta)的(de)往(wang)返(fan)時(shi)間(jian)
，再(zai)乘(cheng)以(yi)光(guang)速(su)既(ji)得(de)到(dao)往(wang)返(fan)距(ju)離(li)。由(you)於(yu)激(ji)光(guang)具(ju)有(you)高(gao)方(fang)向(xiang)性(xing)、高單色性和高功率等優點
，這些對於測遠距離
、判定目標方位、提高接受係統的性噪比、保證測量精度等都是很關鍵的，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探測方法。主動光學探測的探測機製是：由探測係統向目標發射波束（在光學探測中
，一般是紅外或者可見光），波bo束shu被bei目mu標biao表biao麵mian放fang射she產chan生sheng回hui波bo信xin號hao。回hui波bo信xin號hao中zhong直zhi接jie或huo簡jian介jie地di包bao含han待dai測ce信xin息xi。接jie收shou與yu信xin號hao處chu理li係xi統tong通tong過guo接jie收shou和he分fen析xi回hui波bo信xin號hao，獲huo得de被bei測ce量liang。

 

 

脈衝激光測距係統簡圖

 

其工作原理如下：人(ren)機(ji)操(cao)作(zuo)發(fa)出(chu)測(ce)距(ju)指(zhi)令(ling)，出(chu)發(fa)激(ji)光(guang)器(qi)發(fa)出(chu)激(ji)光(guang)脈(mai)衝(chong)，一(yi)小(xiao)部(bu)分(fen)能(neng)量(liang)透(tou)過(guo)分(fen)束(shu)片(pian)
，作(zuo)為(wei)參(can)考(kao)脈(mai)衝(chong)直(zhi)接(jie)送(song)到(dao)脈(mai)衝(chong)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)，作(zuo)為(wei)計(ji)時(shi)的(de)起(qi)始(shi)點(dian)，啟(qi)動(dong)數(shu)字(zi)式(shi)測(ce)距(ju)計(ji)時(shi)器(qi)開(kai)始(shi)計(ji)時(shi)：另(ling)一(yi)部(bu)分(fen)由(you)折(zhe)射(she)棱(leng)鏡(jing)放(fang)射(she)，射(she)向(xiang)目(mu)標(biao)。一(yi)般(ban)發(fa)射(she)前(qian)端(duan)有(you)望(wang)遠(yuan)光(guang)學(xue)係(xi)統(tong)，為(wei)的(de)是(shi)減(jian)少(shao)出(chu)射(she)光(guang)束(shu)的(de)發(fa)散(san)角(jiao)，以(yi)提(ti)高(gao)光(guang)能(neng)麵(mian)密(mi)度(du)，增(zeng)大(da)工(gong)作(zuo)距(ju)離(li)
，還(hai)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)背(bei)景(jing)和(he)周(zhou)圍(wei)非(fei)目(mu)標(biao)標(biao)物(wu)的(de)幹(gan)擾(rao)。到(dao)達(da)目(mu)標(biao)的(de)激(ji)光(guang)束(shu)有(you)一(yi)部(bu)分(fen)被(bei)表(biao)麵(mian)漫(man)反(fan)射(she)回(hui)到(dao)測(ce)距(ju)儀(yi)；經接收物鏡和光學濾波器，到達探測器APD，窄帶光學濾波器的主要作用是充分利用激光優良的單色性
，提高係統的信噪比；光探測器APD將光學信號轉換為電信號，然後將電信號進行信號放大
、濾波整形。整形後的回波信號關閉時間間隔處理模塊，使其停止計時。這樣，根據時間間隔處理的結果t即可計算出待測目標的距離L為：

 

 

式（1）中，c為光速。圖3中，濾光片和光圈可以減少背景及雜閃光的影響，降低探測器輸出信號中的背景噪聲。根據式（1），脈衝測距精度,可以表示為：

 

 

由式（2）可知，係統處理的時間間隔精度直接決定了脈衝激光測距係統的測距精度。

 

激光傳感器的獨特性

 

激ji光guang傳chuan感gan器qi可ke用yong於yu其qi它ta技ji術shu無wu法fa應ying用yong的de場chang合he。例li如ru，當dang目mu標biao很hen近jin時shi
，計ji算suan來lai自zi目mu標biao反fan射she光guang的de普pu通tong光guang電dian傳chuan感gan器qi也ye能neng完wan成cheng大da量liang的de精jing密mi位wei置zhi檢jian測ce任ren務wu。但dan是shi，當dang目mu標biao距ju離li較jiao遠yuan內nei或huo目mu標biao顏yan色se變bian化hua時shi
，普pu通tong光guang電dian傳chuan感gan器qi就jiu難nan以yi應ying付fu了le。

 

雖sui然ran先xian進jin的de背bei景jing噪zao聲sheng抑yi製zhi傳chuan感gan器qi和he三san角jiao測ce量liang傳chuan感gan器qi在zai目mu標biao顏yan色se變bian化hua的de情qing況kuang下xia能neng較jiao好hao地di工gong作zuo
，但dan是shi，在zai目mu標biao角jiao度du不bu固gu定ding或huo目mu標biao太tai亮liang時shi，其qi性xing能neng的de可ke預yu測ce性xing變bian差cha。此ci外wai
，普pu通tong光guang電dian三san角jiao測ce量liang傳chuan感gan器qi一yi般ban量liang程cheng隻zhi限xian於yu0.5m 以yi內nei。超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi雖sui然ran也ye經jing常chang用yong於yu檢jian測ce距ju離li較jiao遠yuan的de物wu體ti
，而er且qie由you於yu它ta不bu是shi光guang學xue裝zhuang置zhi，所suo以yi不bu受shou顏yan色se變bian化hua的de影ying響xiang。但dan是shi，超chao聲sheng波bo傳chuan感gan器qi是shi依yi據ju聲sheng速su測ce量liang距ju離li的de，因yin此ci存cun在zai一yi些xie固gu有you的de缺que點dian，不bu能neng用yong於yu以yi下xia場chang合he。

 

1
、待測目標與傳感器的換能器不相垂直的場合。

 

因為超聲波檢測的目標必須處於與傳感器垂直方位偏角不大於10°角以內。

 

2、需要光束直徑很小的場合。因為一般超聲波束在離開傳感器2m 遠時直徑為0.76cm。

 

3、需要可見光斑進行位置校準的場合。

 

4、多風的場合。

 

5、真空場合。

 

6
、溫度梯度較大的場合遙因為這種情況下會造成聲速的變化。

 

7、需要快速響應的場合

 

而激光傳感器能解決上述所有場合的檢測。

 

激光傳感器在機械製造業中的應用

 

激光傳感器的作用主要包括激光測長、激光測距
、激光測振、激光測速。利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現無接觸遠距離測量。激光傳感器常用於長度、距離、振動
、速度、方位等物理量的測量
，還可用於探傷和大氣汙染物的監測等。

 

激光測長

 

精(jing)密(mi)測(ce)量(liang)長(chang)度(du)是(shi)精(jing)密(mi)機(ji)械(xie)製(zhi)造(zao)工(gong)業(ye)和(he)光(guang)學(xue)加(jia)工(gong)工(gong)業(ye)的(de)關(guan)鍵(jian)技(ji)術(shu)之(zhi)一(yi)。現(xian)代(dai)長(chang)度(du)計(ji)量(liang)多(duo)是(shi)利(li)用(yong)光(guang)波(bo)的(de)幹(gan)涉(she)現(xian)象(xiang)來(lai)進(jin)行(xing)的(de)
，其(qi)精(jing)度(du)主(zhu)要(yao)取(qu)決(jue)於(yu)光(guang)的(de)單(dan)色(se)性(xing)的(de)好(hao)壞(huai)。激(ji)光(guang)是(shi)最(zui)理(li)想(xiang)的(de)光(guang)源(yuan)，它(ta)比(bi)以(yi)往(wang)最(zui)好(hao)的(de)單(dan)色(se)光(guang)源(yuan)還(hai)純(chun)10萬倍。因此激光測長的量程大
、精度高。

 

 

激光測距

 

它的原理與無線電雷達相同
，將激光對準目標發射出去後，測量它的往返時間
，再乘以光速即得到往返距離。由於激光具有高方向性、高單色性和高功率等優點，這些對於測遠距離
、判定目標方位、提高接收係統的信噪比、baozhengceliangjingdudengdoushihenguanjiande，yincijiguangcejuyiriyishoudaozhongshi。zaijiguangcejuyijichushangfazhanqilaidejiguangleidabujinnengceju
，erqiehaikeyicemubiaofangwei、運運速度和加速度等，已成功地用於人造衛星的測距和跟蹤。

 

 

激光測振

 

tajiyuduopuleyuanliceliangwutidezhendongsudu。zhezhongcezhenyizaiceliangshiyouguangxuebufenjiangwutidezhendongzhuanhuanweixiangyingdeduopulepinyi，bingyouguangjianceqijiangcipinyizhuanhuanweidianxinhao，zaiyoudianlubufenzuoshidangchulihousongwangduopulexinhaochuliqijiangduopulepinyixinhaobianhuanweiyuzhendongsuduxiangduiyingdedianxinhao，zuihoujiluyucidai。tadeyoudianshishiyongfangbian
，buxuyaogudingcankaoxi，buyingxiangwutibenshendezhendong，celiangpinlvfanweikuan、精度高
、動態範圍大。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（見激光流量計），它可以測量風洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風速和化學反應中粒子的大小及彙聚速度等。

 

激光與普通光源相比，有很多普通光源所無法替代的優點，但激光需要用激光器產生，技術要求比較高。 大力發展激光傳感技術有利於國家在科技
、經濟、以及國防等多個領域獨領風騷。

 

 

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