激光傳感器

1　概述

　　利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量儀表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)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(zhǎng),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(wú)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(zhǎng)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(jiǎn)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(cè)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(duì)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(cè)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(jiàn)的是激光測(cè)距傳感器，它通過(guò)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(cè)定目標(biāo)距離。激光傳感器必須極其精確地測(cè)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(cè)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(duì)電子技術(shù)提出的過(guò)高要求，實(shí)現(xiàn)起來(lái)造價(jià)太高。但是如今的激光測(cè)距傳感器巧妙地避開(kāi)了這一障礙，利用一種簡(jiǎn)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(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光傳感器常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測(cè)量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)等。

　　精密測(cè)量長(zhǎng)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。現(xiàn)代長(zhǎng)度計(jì)量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來(lái)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(wàn)倍。因此激光測(cè)長(zhǎng)的量程大、精度高。由光學(xué)原理可知單色光的最大可測(cè)長(zhǎng)度L與波長(zhǎng)λ和譜線寬度δ之間的關(guān)系是L=λ/δ。用氪－86燈可測(cè)最大長(zhǎng)度為38.5厘米，對(duì)于較長(zhǎng)物體就需分段測(cè)量而使精度降低。若用氦氖氣體激光器，則最大可測(cè)幾十公里。一般測(cè)量數(shù)米之內(nèi)的長(zhǎng)度，其精度可達(dá)0.1微米。

　　激光測(cè)距

　　它的原理與無(wú)線電雷達(dá)相同，將激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測(cè)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(cè)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(duì)于測(cè)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(cè)量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測(cè)距儀日益受到重視。在激光測(cè)距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的激光雷達(dá)不僅能測(cè)距，而且還可以測(cè)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(cè)距和跟蹤，例如采用紅寶石激光器的激光雷達(dá)，測(cè)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(cè)距傳感器，可以在數(shù)千米測(cè)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(cè)距儀的光源。

　　激光測(cè)振

　　它基于多普勒原理測(cè)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(duì)于傳播波的媒質(zhì)而運(yùn)動(dòng)，那么觀察者所測(cè)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(cè)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(zhǎng)。在激光多普勒振動(dòng)速度測(cè)量?jī)x中，由于光往返的原因,fd=2v/λ。這種測(cè)振儀在測(cè)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(cè)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(duì)應(yīng)的電信號(hào)，最后記錄于磁帶。這種測(cè)振儀采用波長(zhǎng)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(cè)，用頻率跟蹤器來(lái)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(cè)量頻率范圍寬、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大。缺點(diǎn)是測(cè)量過(guò)程受其他雜散光的影響較大。

　　激光測(cè)速

　　它也是基多普勒原理的一種激光測(cè)速方法,用得較多的是激光多普勒流速計(jì)(見(jiàn)激光流量計(jì)),它可以測(cè)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。