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激光传感器原理及其应用

2018-04-04来源:编辑:admin

摘要: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。激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器,在生产生活领域有独特的优势和应用。
关键字:激光;传感器;优势

1、引言 
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。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。本文主要介绍激光传感器的原理以及其主要应用领域。[1]
2、激光传感器原理
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h 为普朗克常数,v 为光子频率。反之,在频率为v 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v 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。激光具有3 个重要特性。[1]
    2.1 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。
    2.2 高单色性,激光的频率宽度比普通光小10 倍以上。
2.3 高亮度,利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。
3、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。
3.1 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。
3.1.1 激光位移传感器的两种测量原理
(一)激光三角法测量原理

图1 激光三角法测量原理图


 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。[2]
(二)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。[2]

图2 激光回波分析法测量原理图


3.1.2 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。
3.2 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。
3.2.1 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。[3]

图3 脉冲激光测距系统简图


图3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:
          (1)
式(1)中,c为光速。图3中,滤光片和光圈可以减少背景及杂闪光的影响,降低探测器输出信号中的背景噪声。根据式(1),脉冲测距精度,可以表示为:
       (2)
由式(2)可知,系统处理的时间间隔精度直接决定了脉冲激光测距系统的测距精度。[3]
3.2.2 激光测距传感器的应用
(1) 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。
(2)车流量监控

图4 车流量监控示意图


如图4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。
4、激光传感器的独特性
激光传感器可用于其它技术无法应用的场合。例如,当目标很近时,计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是,当目标距离较远内或目标颜色变化时,普通光电传感器就难以应付了。
虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作,但是,在目标角度不固定或目标太亮时,其性能的可预测性变差。此外,普通光电三角测量传感器一般量程只限于0.5m 以内。超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体,而且由于它不是光学装置,所以不受颜色变化的影响。但是,超声波传感器是依据声速测量距离的,因此存在一些固有的缺点,不能用于以下场合。[4]
4.1 待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。
因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内。
4.2 需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m 远时直径为0.76cm。
4.3 需要可见光斑进行位置校准的场合。
4.4 多风的场合。
4.5 真空场合。
4.6 温度梯度较大的场合遥因为这种情况下会造成声速的变化。
4.7 需要快速响应的场合
而激光传感器能解决上述所有场合的检测。
5、总结
近年来,我们激光传感器技术取得了长足的进步,但同发达国家相比还有很大差距,高端的技术与产品仍然依赖进口。随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术达到成熟期,光电子技术进入发展中期,激光传感器技术必将呈现迅猛发展势头。
相比普通光源,激光传感器有许多无法替代的有点,但同时要求技术也高。大力发展激光传感器技术有利于国家在科技、经济、以及国防等多个领域独领风骚。

 

参考文献
[1] 赵继聪,周盼,秦魏.激光传感器原理及其应用[J],科技向导,2011,9:102-103.
[2] 樊尚春主编.传感器技术及应用.北京航天航空大学出版社.2004.
[3] 李丽宏,邢桂甲,李晓林.激光传感器在车辆宽高超限检测中的应用[J],电子设计工程,2011,19(10):86-87.
[4] 俞新宽主编.激光原理与激光技术.北京工业大学出版社.2008.

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