深度解读激光传感器

传感器技术 2020-11-22


激光技术和激光器是二十世纪六十年代出现的最重大的科学技术之一。由于其具有方向性强、亮度高、单色性好等特点,广泛用于工农业生产、国防军事、医学卫激光传感器生、科学研究等方面,如用来测距、精密检测、定位等,还用做长度基准和光频基准。

 

  

激光技术与应用的迅猛发展,已与多个学科相结合,形成新兴的交叉学科,如光电子学、信息光学、激光光谱学、非线性光学、超快激光学、量子光学、光纤光学、导波光学、激光医学、激光生物学、激光化学等。这些交叉技术与新的学科的出现,大大地推动了传统产业和新兴产业的发展,使得激光器的应用范围扩展到几乎国民经济的所有领域。

 

激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器,一般是由激光器,光学零件,和光电器件所构成的,它能把被测物理量(如长度,流量,速度等)转换成光信号,然后应用光电转换器把光信号变成电信号,通过相应电路的过滤,放大,整流得到输出信号,从而算出被测量。

 

 

激光式传感器具有以下优点:结构,原理简单可靠,抗干扰能力强,适应于各种恶劣的工作环境,分辨率较高(如在测量长度时能达到几个纳米),示值误差小,稳定性好,宜用于快速测量。

 

什么是激光



  

激光与普通光不同,需要用激光器产生。激光器的工作物质,在正常状态下,多数原子处于稳定的低能级E1,在适当频率的外界光线的作用下,处于低能级的原子吸收光子能量激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv,式中为普朗克常数,为光子频率。反之,在频率为的光的诱发下,处于能级E2 的原子会跃迁到低能级释放能量而发光,称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级(即粒子数反转分布),就能使受激辐射过程占优势,从而使频率为的诱发光得到增强,并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生大的受激辐射光,简称激光。

 

激光的重要特性

 

1、 高方向性(即高定向性,光速发散角小),激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米。

 

2、高单色性,激光的频率宽度比普通光小10 倍以上。

 

3、高亮度,利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。

 

激光的种类

 

激光器按工作物质可分为 4

 

1、固体激光器

 

它的工作物质是固体。常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器 (YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构大致相同,特点是小而坚固、功率高,钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件,已达到数十兆瓦。

 

 

2、气体激光器

 

它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器,其形状如普通放电管,特点是输出稳定,单色性好,寿命长,但功率较小,转换效率较低。

 

  

3、液体激光器

 

它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器,其中最重要的是有机染料激光器,它的最大特点是波长连续可调。

 

4、半导体激光器

 

它是较年轻的一种激光器,其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单,适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大

  


 

激光传感器特性及用途

 

激光测

 

精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的,其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源,它比以往最好的单色光源(氪-86灯)还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。由光学原理可知单色光的最大可测长度 L与波长λ和谱线宽度δ之间的关系是L=λ2/δ。用氪-86灯可测最大长度为38.5厘米,对于较长物体就需分段测量而使精度降低。若用氦氖气体激光器,则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度,其精度可达0.1微米。

 

  

激光测距

 

它的原理与无线电雷达相同,将激光对准目标发射出去后,测量它的往返时间,再乘以光速即得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点,这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的,因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距,而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等,已成功地用于人造卫星的测距和跟踪,例如采用红宝石激光器的激光雷达,测距范围为5002000公里,误差仅几米。目前常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。



  

激光测厚

 

利用三角测距原理,上位于C型架的上、下方分割有一个精密激光测距传感器,由激光器发射出的调制激光打到被测物的表面,通过对线阵 CCD的信号进行采样处理,线阵CCD摄像机在控制电路的控制下同步得到被测物到C型架之间的距离,通过传感器反馈的数据来计算中间被测物的厚度。由于检测是连续进行的,因此就可以得到被测物的连续动态厚度值。


 

 

1、单激光位移传感器测厚

 

被测体放在测量平台上,测量出传感器到平台表面距离,然后再测出传感器到被测体表面间距,经计算后测出厚度。要求被测体与测量平台之间无气隙,被测体无翘起。这些严格要求只有在离线情况能实现。

 

2、双激光位移传感器测厚

 

在被测体上方和下方各安装一个激光位移传感器,被测体厚度D=C-(A+B)。其中,C是两个传感器之间距离,A是上面传感器到被测体之间距离,B是下面传感器到被测体之间距离。在线厚度测量用这种方法优点是可消除被测体振动对测量结果的影响。但同时对传感器安装和性能有要求。保证测量准确性的条件是:两个传感器发射光束必须同轴,以及两个传感器扫描必须同步。同轴是靠安装实现,而同步要靠选择有同步端激光传感器。

 

激光测振

 

它基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指:若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动,那么观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率而且还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。在振动方向与方向一致时多普频移 fd=v/λ,式中为振动速度、λ为波长。在激光多普勒振动速度测量仪中,由于光往返的原因,fd =2v/λ。这种测振仪在测量时由光学部分将物体的振动转换为相应的多普勒频移,并由光检测器将此频移转换为电信号,再由电路部分作适当处理后送往多普勒信号处理器将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号,最后记录于磁带。这种测振仪采用波长为6328()的氦氖激光器,用声光调制器进行光频调制,用石英晶体振荡器加功率放大电路作为声光调制器的驱动源,用光电倍增管进行光电检测,用频率跟踪器来处理多普勒信号。它的优点是使用方便,不需要固定参考系,不影响物体本身的振动,测量频率范围宽、精度高、动态范围大。缺点是测量过程受其他杂散光的影响较大。

 

激光测速

 

它也是基多普勒原理的一种激光测速方法,用得较多的是激光多普勒流速计它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。

 

多普勒测速系统原理:

 

从开过来的机车所听到的声波间的距离被压缩了,就好像一个人正在关手风琴。这个动作的结果产生一个明显的较高的音调。当火车离去时,声波传播开来,就出现了较低的声音--这种现象被称为多普勒效应。

 

检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。从测速仪里射出一束射线,射到汽车上再返回测速仪。测速仪里面的微型信息处理机把返回的波长与原波长进行比较。返回波长越紧密,前进的汽车速度也越快--那就证明驾驶员超速驾驶的可能性也越大。

 

激光多普勒测速仪是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号,再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量,对于流场没有干扰,测速范围宽,而且由于多普勒频率与速度是线性关系,和该点的温度,压力没有关系,是目前世界上速度测量精度最高的仪器。


  

多普勒测速工作原理可以用干涉条纹来说明。当聚焦透镜把两束入射光以某角会聚后,由干激光束良好的相干性,在会聚点上形成明暗相间的干涉条纹,条纹间隔正比干光波波长,而反比干半交角的正弦值。当流体中的粒子从条纹区的方向经过时,会依次散射出光强随时间变化的一列散射光波,称为多普勒信号。这列光波强度变化的频率称为多普勒频移。经过条纹区粒子的速度愈高,多普勒频移就愈高。将垂直于条纹方向上的粒子速度,除以条纹间隔,考虑到流体的折射率就能得到多普勒频移与流体速度之间线性关系。多普勒测速系统就是利用速度与多谱勒频移的线性关系来确定速度的。各个方向上的多普勒频率的相位差和粒子的直径成正比,利用监测到的相位差可以来确定粒径。

 

两种激光传感器主要原理和应用

 

利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量,还可用于探伤和大气污染物的监测等。总之,激光传感器的应用领域越来越广泛了,下面介绍两种激光传感器主要原理和应用。

 

激光位移传感器

 

激光位移传感器能够利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光位移传感器(磁致伸缩位移传感器)就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表,它的出现,使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高,也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。

 

激光三角法测量原理

 

  

半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集,投射到CCD阵列4上;信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。

 

激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面,经物体反射的激光通过接受器镜头,被内部的CCD线性相机接受,根据不同的距离,CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离,数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。

 

同时,光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理,并通过微处理器分析,计算出相应的输出值,并在用户设定的模拟量窗口内,按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出,则在设定的窗口内导通,窗口之外截止。另外,模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。

 

激光回波分析法测量原理

 

激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接受器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个脉冲到检测物并返回至接收器,处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回接收器所需时间,以此计算出距离值,该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。

 

 

激光位移传感器的应用

 

1、尺寸测定:微小零件的位置识别;传送带上有无零件的监测;材料重叠和覆盖的探测;机械手位置(工具中心位置)的控制;器件状态检测;器件位置的探测(通过小孔);液位的监测;厚度的测量;振动分析;碰撞试验测量;汽车相关试验等。

 

2、金属薄片和薄板的厚度测量:激光传感器测量金属薄片(薄板)的厚度。厚度的变化检出可以帮助发现皱纹,小洞或者重叠,以避免机器发生故障。

 

3、气缸筒的测量,同时测量:角度,长度,内、外直径偏心度,圆锥度,同心度以及表面轮廓。

 

4、长度的测量:将测量的组件放在指定位置的输送带上,激光传感器检测到该组件并与触发的激光扫描仪同时进行测量,最后得到组件的长度。

 

5、均匀度的检查:在要测量的工件运动的倾斜方向一行放几个激光传感器,直接通过一个传感器进行度量值的输出,另外也可以用一个软件计算出度量值,并根据信号或数据读出结果。

 

6、电子元件的检查:用两个激光扫描仪,将被测元件摆放在两者之间,最后通过传感器读出数据,从而检测出该元件尺寸的精确度及完整性。

 

7、生产线上灌装级别的检查:激光传感器集成到灌装产品的生产制造中,当灌装产品经过传感器时,就可以检测到是否填充满。传感器用激光束反射表面的扩展程序就能精确的识别灌装产品填充是否合格以及产品的数量。

 

激光测距传感器

 

激光测距传感器的原理与无线雷达相同,将激光对准目标发射出去后,测量它的往返时间,再乘以光速既得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点,这些对于测远距离、判定目标方位、提高接受系统的性噪比、保证测量精度等都是很关键的,因此激光测距仪日益受到重视。

 

激光测距传感器原理

 

激光测距实际上是一种主动光学探测方法。主动光学探测的探测机制是:由探测系统向目标发射波束(在光学探测中,一般是红外或者可见光),波束被目标表面放射产生回波信号。回波信号中直接或简介地包含待测信息。接收与信号处理系统通过接收和分析回波信号,获得被测量。

 


  

上图为脉冲激光测距系统简图,其工作原理如下:

 

人机操作发出测距指令,出发激光器发出激光脉冲,一小部分能量透过分束片,作为参考脉冲直接送到脉冲采集系统,作为计时的起始点,启动数字式测距计时器开始计时:另一部分由折射棱镜放射,射向目标。一般发射前端有望远光学系统,为的是减少出射光束的发散角,以提高光能面密度,增大工作距离,还可以减少背景和周围非目标标物的干扰。到达目标的激光束有一部分被表面漫反射回到测距仪;经接收物镜和光学滤波器,到达探测器APD,窄带光学滤波器的主要作用是充分利用激光优良的单色性,提高系统的信噪比;光探测器APD将光学信号转换为电信号,然后将电信号进行信号放大、滤波整形。整形后的回波信号关闭时间间隔处理模块,使其停止计时。这样,根据时间间隔处理的结果t即可计算出待测目标的距离L为:


激光测距传感器的应用

 

汽车防撞探测器

 

一般来说,大多数现有汽车碰撞预防系统的激光测距传感器使用激光光束以不接触方式用于识别汽车在前或者在后形势的目标汽车之间的距离,当汽车间距小于预定安全距离时,汽车防碰撞系统对汽车进行紧急刹车,或者对司机发出报警,或者综合目标汽车速度、车距、汽车制动距离、响应时间等对汽车行驶进行即时的判断和响应,可以大量的减少行车事故。在高速公路上使用,其优点更加明显。

 

车流量监控

 

  

如图所示,这种使用方式一般固定到高速或者重要路口的龙门架上,激光发射和接收垂直地面向下,对准一条车道的中间位置,当有车辆通行时,激光测距传感器能实时输出所测得的距离值的相对改变值,进而描绘出所测车的轮廓。这种测量方式一般使用测距范围小于30米即可,且要求激光测距速率比较高,一般要求能达到100赫兹就可以了。这对于在重要路段监控可以达到很好的效果,能够区分各种车型,对车身高度扫描的采样率可以达到10厘米一个点(在40Km/h时,采样率为11厘米一个点)。对车流限高,限长,车辆分型等都能实时分辨,并能快速输出结果。

- END -



  



制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器;互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器;

 

《传感器技术》汇编了一套各种传感器的基础知识,介绍了各种传感器的原理。


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