雷射傳感器原理

2020-11-22 電子產品世界

　　導讀：科技中的雷射測距、測速、測長等，這些儀器中都少不了雷射傳感器的存在，那雷射傳感器又是什麼呢?本文將講述雷射傳感器的原理，感興趣的童鞋快來圍觀吧。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/279167.htm

　　雷射技術和雷射器是二十世紀六十年代出現的最重大的科學技術。雷射技術與應用的迅猛發展，和多個學科相結合，形成新興的交叉學科。

　　如光電子學、信息光學、雷射光譜學、非線性光學、超快雷射學、量子光學、光纖光學、導波光學、雷射醫學、雷射生物學、雷射化學等。

　　雷射傳感器由雷射器、雷射檢測器和測量電路組成。雷射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。

　　這些交叉技術與新的學科的出現，大大地推動了傳統產業和新興產業的發展，使得雷射器的應用範圍擴展到幾乎國民經濟的所有領域。本文主要介紹雷射傳感器的原理。

　　雷射傳感器工作時，先由雷射發射二極體對準目標發射雷射脈衝。經目標反射後雷射向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統接收後成像到雪崩光電二極體上。雪崩光電二極體是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，並將其轉化為相應的電信號。

　　常見的是雷射測距傳感器，它通過記錄並處理從光脈衝發出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離，還有一種是雷射位移傳感器。

　　雷射與普通光不同，需要用雷射器產生。雷射器的工作物質，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。

　　雷射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佔優勢，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，簡稱雷射。雷射具有3 個重要特性。[1]

　　Ⅰ ：高亮度，利用雷射束會聚最高可產生達幾百萬度的溫度。

　　Ⅱ：高單色性，雷射的頻率寬度比普通光小10 倍以上。

　　Ⅲ：高方向性(即高定向性，光速發散角小)，雷射束在幾公裡外的擴展範圍不過幾釐米。

雷射傳感器原理——雷射測長

　　現代精密測量長度是精密機械製造工業和光學加工工業的關鍵技術之一。

　　長度計量多是利用光波的幹涉現象來進行的，其精度主要取決於光的單色性的好壞。雷射是最理想的光源，它比以往最好的單色光源(氪-86燈)還純10萬倍。因此雷射測長的量程大、精度高。由光學原理可知單色光的最大可測長度L與波長λ和譜線寬度δ之間的關係是L=λ/δ。用氪-86燈可測最大長度為38.5釐米，對於較長物體就需分段測量而使精度降低。若用氦氖氣體雷射器，則最大可測幾十公裡。一般測量數米之內的長度，其精度可達0.1微米。

雷射傳感器原理——雷射測振

　　它基於都卜勒原理測量物體的振動速度。都卜勒原理是指：若波源或接收波的觀察者相對於傳播波的媒質而運動，那麼觀察者所測到的頻率不僅取決于波源發出的振動頻率而且還取決于波源或觀察者的運動速度的大小和方向。所測頻率與波源的頻率之差稱為都卜勒頻移。在振動方向與方向一致時多普頻移

　　fd=v/λ

　　式中

　　v 為振動速度

　　λ為波長。

　　在雷射都卜勒振動速度測量儀中，由於光往返的原因,fd =2v/λ。這種測振儀在測量時由光學部分將物體的振動轉換為相應的都卜勒頻移,並由光檢測器將此頻移轉換為電信號,再由電路部分作適當處理後送往都卜勒信號處理器將都卜勒頻移信號變換為與振動速度相對應的電信號，最後記錄於磁帶。

　　這種測振儀採用波長為6328埃(┱)的氦氖雷射器，用聲光調製器進行光頻調製，用石英晶體振蕩器加功率放大電路作為聲光調製器的驅動源，用光電倍增管進行光電檢測，用頻率跟蹤器來處理都卜勒信號。它的優點是使用方便，不需要固定參考系,不影響物體本身的振動,測量頻率範圍寬、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。

雷射傳感器原理——雷射測距

　　原理與無線電雷達相同，將雷射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。由於雷射具有高方向性、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、提高接收系統的信噪比、保證測量精度等都是很關鍵的。

　　因此雷射測距儀日益受到重視。在雷射測距儀基礎上發展起來的雷射雷達不僅能測距，而且還可以測目標方位、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，例如採用紅寶石雷射器的雷射雷達，測距範圍為500～2000公裡,誤差僅幾米。不久前，真尚有的研發中心研製出的LDM系列測距傳感器，可以在數千米測量範圍內的精度可以達到微米級別。常採用紅寶石雷射器、釹玻璃雷射器、二氧化碳雷射器以及砷化鎵雷射器作為雷射測距儀的光源。

　　總結：雷射傳感器其原理是將光學系統接受到的圖像映射到雪崩光電二極體上，由雪崩光電二極體將微弱的光信號變換為相應的電信號，從而進行檢測雷射。

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