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激光传感器

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激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。

激光传感器的工作原理

  • 激光测距先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离。

    激必须极其精确地测定传输时间,因为光速太快。

    如,光速约为3X10^8m/s,要想使分辨率达到1mm,则测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间:

    0.001m(3X10^8m/s)=3ps

    要分辨出3ps的时间,这是对电子技术提出的过高要求,实现起来造价太高。

    但是如今的巧妙地避开了这一障碍,利用一种简单的统计学原理,即平均法则实现了1mm的分辨率,并且能保证响应速度。

    远距离激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光,由光电元件接收目标反射的激光束,计时器测定激光束从发射到接收的时间,计算出从观测者到目标的距离;LED白光测速仪成像在仪表内部集成电路芯片CCD上,CCD芯片性能稳定,工作寿命长,且基本不受工作环境和温度的影响。因此,LED白光测速仪测量精度有保证,性能稳定可靠。

激光传感器的应用

  • 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。

    激光测长

    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=λ/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500~2000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v 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埃(┱)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(见激光流量计),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。

激光传感器应用于测量玻璃

  • 美国LMI技术公司推出了一种经过改进的用来测定玻璃厚度和外形的新型激光传感器。这种传感器所有的软件功能都在传感头内部实现,无需单独的控制器,从而减少了仪器运作的费用。该公司的FDAII级可视玻璃厚度传感器,采用了激光三角测量网并以高达每秒2000个读数的速度测量厚达1.5mm的玻璃板,以及厚达3.0mm的其它平板玻璃。此种传感器对于厚度与距离的在线/离线测量而言,是理想的。无论是固定的位置,还是扫描的机构,都可以在质量控制环境中提供可靠的、可再现的结果。入射距离为28mm,测量范围为4.0mm。

    为了提高效率,数据收集与控制软件功能被融合在传感头内。GTS2型传感器以与垂线成49度角的方式向待测的玻璃发出一束激光。使用一只探头,入射激光光线的单线从玻璃的两个表面反射,然后投射回到传感器的探头,给出厚度数据。除了可以得出厚度数据,GTS2还测量达到玻璃上表面的距离。这就能够对被测表面的位置进行始终如一的精确测量,使测量厚度好于0.00005折射反复性成为可能。精度为±1.0μm。厚度的单面测量简化了执行程序,因为只需要一个传感器。

    传感器采用电器件单线排列来计算投射的上表面与下表面反射之间的距离。用CCD(电器耦合器件)技术,成像可以被过滤或得以进行其它处理,对两个表面反射的重心进行精确定位。CCD技术还可以除去难于测量的玻璃应用中常见的有害的多点、反射和其它的杂光。

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