Принцип и применение лазерного датчика

Лазерные датчики — это датчики, в которых для измерения используется лазерная технология. Он состоит из лазера, лазерного детектора и измерительной схемы. Лазерный датчик - это новый тип измерительного прибора. Его преимущества заключаются в том, что он может реализовать бесконтактное измерение на большом расстоянии, высокую скорость, высокую точность, большой диапазон, сильную защиту от света и электрических помех и т. Д.
Свет и лазеры Лазеры были одним из самых значительных достижений науки и техники, появившихся в 1960-х годах. Он быстро развивался и широко использовался в различных областях, таких как национальная оборона, производство, медицина и неэлектрические измерения. В отличие от обычного света, лазер должен генерироваться лазером. Для рабочего вещества лазера в нормальных условиях большинство атомов находится на стабильно низком энергетическом уровне Е1. Под действием внешнего света соответствующей частоты атомы с низким энергетическим уровнем поглощают энергию фотона и возбуждаются для перехода на высокий энергетический уровень E2. Энергия фотона E=E2-E1=hv, где h — постоянная Планка, а v — частота фотона. И наоборот, при индукции света с частотой v атомы на энергетическом уровне E2 перейдут на более низкий энергетический уровень, чтобы высвободить энергию и испустить свет, что называется вынужденным излучением. Лазер сначала переводит атомы рабочего вещества в аномально высокий энергетический уровень (т. параллельные зеркала Лавинообразное усиление формируется для генерации мощного вынужденного излучения, которое называют лазером.

Лазеры обладают тремя важными свойствами:
1. Высокая направленность (то есть высокая направленность, малый угол расхождения скорости света), диапазон расширения лазерного луча составляет всего несколько сантиметров от нескольких километров;
2. Высокая монохроматичность, ширина частоты лазера более чем в 10 раз меньше, чем у обычного света;
3. Высокая яркость, максимальная температура в несколько миллионов градусов может быть получена за счет использования конвергенции лазерного луча.

По рабочему веществу лазеры можно разделить на 4 типа:
1. Твердотельный лазер: его рабочее тело твердое. Обычно используются рубиновые лазеры, лазеры на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом (т.е. YAG-лазеры) и лазеры на неодимовом стекле. Они имеют примерно одинаковую структуру и характеризуются небольшими размерами, надежностью и высокой мощностью. Лазеры на неодимовом стекле в настоящее время являются устройствами с самой высокой импульсной выходной мощностью, достигающей десятков мегаватт.
2. Газовый лазер: его рабочее тело – газ. В настоящее время существуют различные лазеры на газовых атомах, ионах, парах металлов, газовых молекулах. Обычно используются лазеры на углекислом газе, гелий-неоновые лазеры и лазеры на оксиде углерода, которые имеют форму обычных газоразрядных трубок и характеризуются стабильной выходной мощностью, хорошей монохроматичностью и долгим сроком службы, но с малой мощностью и низкой эффективностью преобразования.
3. Жидкий лазер: его можно разделить на хелатный лазер, неорганический жидкостный лазер и лазер на органическом красителе, наиболее важным из которых является лазер на органическом красителе, его самая большая особенность заключается в том, что длина волны плавно регулируется.
4. Полупроводниковый лазер: это относительно молодой лазер, более зрелым является GaAs-лазер. Он характеризуется высокой эффективностью, малыми размерами, малым весом и простой конструкцией и подходит для перевозки на самолетах, военных кораблях, танках и пехоте. Может быть превращен в дальномеры и прицелы. Однако выходная мощность мала, направленность плохая, и на нее сильно влияет температура окружающей среды.

Применение лазерных датчиков
Используя характеристики высокой направленности, высокой монохроматичности и высокой яркости лазера, можно реализовать бесконтактное измерение на большом расстоянии. Лазерные датчики часто используются для измерения физических величин, таких как длина, расстояние, вибрация, скорость и ориентация, а также для дефектоскопии и мониторинга атмосферных загрязнителей.
Измерение длины лазера:
Точное измерение длины является одной из ключевых технологий в производстве точного машиностроения и оптической обработки. Современное измерение длины в основном осуществляется с использованием явления интерференции световых волн, и его точность в основном зависит от монохроматичности света. Лазер — это самый идеальный источник света, который в 100 000 раз чище, чем лучший монохроматический источник света (лампа криптон-86) в прошлом. Следовательно, диапазон измерения длины лазера велик, а точность высока. Согласно оптическому принципу соотношение между максимальной измеряемой длиной L монохроматического света, длиной волны λ и шириной спектральной линии δ равно L=λ/δ. Максимальная длина, которую можно измерить с помощью лампы на криптоне-86, составляет 38,5 см. Для более длинных объектов его необходимо измерять в секциях, что снижает точность. Если используется гелий-неоновый газовый лазер, он может измерять до десятков километров. Обычно измеряют длину в пределах нескольких метров, а его точность может достигать 0,1 мкм.
Лазерная дальность:
Его принцип такой же, как у радиолокатора. После того, как лазер наведен на цель и запущен, измеряется его время прохождения туда и обратно, а затем умножается на скорость света, чтобы получить расстояние туда и обратно. Поскольку лазер обладает преимуществами высокой направленности, высокой монохроматичности и высокой мощности, они очень важны для измерения больших расстояний, определения ориентации цели, улучшения отношения сигнал/шум приемной системы и обеспечения точности измерений. . все больше привлекал внимание. Лидар, разработанный на базе лазерного дальномера, может не только измерять расстояние, но и измерять азимут, скорость и ускорение цели. Радар, работающий в диапазоне от 500 до 2000 километров, погрешность составляет всего несколько метров. В настоящее время в качестве источников света для лазерных дальномеров часто используются рубиновые лазеры, лазеры на неодимовом стекле, лазеры на углекислом газе и лазеры на арсениде галлия.

Лазерное измерение вибрации:
x
Измерение скорости лазера:
Это также метод измерения лазерной скорости, основанный на принципе Доплера. Чаще используется лазерный доплеровский расходомер (см. Лазерный расходомер), который может измерять скорость воздушного потока в аэродинамической трубе, скорость потока ракетного топлива, скорость воздушного потока летательного аппарата, скорость атмосферного ветра и размер частиц, а также скорость конвергенции в химических реакциях и т. Д.