激光技術(shù)給傳感器帶來了什么樣的變化?

激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”

激光技術(shù)和激光器是二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的最重大的科學(xué)技術(shù)之一。由于其具有方向性強(qiáng)、亮度高、單色性好等特點(diǎn)，發(fā)展至今被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國(guó)防軍事、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生、科學(xué)研究等方面，如用做長(zhǎng)度基準(zhǔn)和光頻基準(zhǔn)以及測(cè)距、精密檢測(cè)、定位等。

什么是激光？

激光與普通光不同，需要用激光器產(chǎn)生。激光器的工作物質(zhì)，在正常狀態(tài)下，多數(shù)原子處于穩(wěn)定的低能級(jí)E1，在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級(jí)的原子吸收光子能量激發(fā)而躍遷到高能級(jí)E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 為普朗克常數(shù)，v 為光子頻率。反之，在頻率為v 的光的誘發(fā)下，處于能級(jí)E2 的原子會(huì)躍遷到低能級(jí)釋放能量而發(fā)光，稱為受激輻射。激光器首先使工作物質(zhì)的原子反常地多數(shù)處于高能級(jí)（即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布),就能使受激輻射過程占優(yōu)勢(shì)，從而使頻率為v 的誘發(fā)光得到增強(qiáng)，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產(chǎn)生大的受激輻射光，簡(jiǎn)稱激光。

激光的三大顯著特性

01

高方向性（即高定向性，光速發(fā)散角?。?，激光束在幾公里外的擴(kuò)展范圍不過幾厘米。

02

高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10 倍以上。

03

高亮度，利用激光束會(huì)聚最高可產(chǎn)生達(dá)幾百萬度的溫度。

激光技術(shù)的應(yīng)用

1、激光測(cè)距

它的原理與無線電雷達(dá)相同，將激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測(cè)量它的往返時(shí)間，再乘以光速即得到往返距離。激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接受器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接受，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度即知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物之間的距離。

由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點(diǎn)，這些對(duì)于測(cè)遠(yuǎn)距離、判定目標(biāo)方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保證測(cè)量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測(cè)距儀日益受到重視。

2、激光測(cè)長(zhǎng)

精密測(cè)量長(zhǎng)度是精密機(jī)械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)代長(zhǎng)度計(jì)量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進(jìn)行的，其精度主要取決于光的單色性的好壞。激光是最理想的光源，它比以往最好的單色光源（氪-86燈）還純10萬倍。

利用激光精密測(cè)量長(zhǎng)度。將激光和邁克爾遜干涉儀相結(jié)合，可得到激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀。測(cè)量時(shí)，干涉儀的一臂不動(dòng)，另一臂從被測(cè)長(zhǎng)度的起點(diǎn)移動(dòng)到終點(diǎn)，記錄下相應(yīng)干涉條紋變化的數(shù)目，就可以計(jì)算出長(zhǎng)度值。由于激光的單色性，即相千性很好，可精密測(cè)量的長(zhǎng)度非常長(zhǎng)，可達(dá)幾十米至幾百米。

并且激光的波長(zhǎng)較短，測(cè)量的精度非常高，可達(dá)0.1微米。目前激光測(cè)長(zhǎng)儀已被廣泛用來進(jìn)行各種精密長(zhǎng)度測(cè)量，例如長(zhǎng)度基準(zhǔn)-米尺的精確測(cè)量，中國(guó)利用激光測(cè)長(zhǎng)儀進(jìn)行測(cè)量，誤差小于o.2微米，達(dá)到了國(guó)際水平。在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)中，要求制作的誤差小于1微米。用普通機(jī)械精密絲桿定位，誤差為4~5微米，不能滿足要求。激光測(cè)長(zhǎng)儀的精度較高，將激光測(cè)長(zhǎng)儀的傳動(dòng)裝置改裝成快動(dòng)和微動(dòng)相結(jié)合的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，就構(gòu)成一臺(tái)激光微定位儀，可以滿足超大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)要求。

3、激光測(cè)振

基于多普勒原理測(cè)量物體的振動(dòng)速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的觀察者相對(duì)于傳播波的媒質(zhì)而運(yùn)動(dòng)，那么觀察者所測(cè)到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動(dòng)頻率而且還取決于波源或觀察者的運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向。所測(cè)頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動(dòng)方向與方向一致時(shí)多普頻移fd=v/λ，式中v為振動(dòng)速度、λ為波長(zhǎng)。

當(dāng)應(yīng)用相干激光光束測(cè)量振動(dòng)的物體時(shí)，由于多普勒效應(yīng)，激光的頻率會(huì)發(fā)生調(diào)制，產(chǎn)生激光多普勒效應(yīng)，表現(xiàn)為激光頻偏（fd）。通過激光干涉技術(shù)，將指向物體并反射回來的激光光束同參考激光光束干涉，最終在光電探測(cè)器（PD）探測(cè)得到多普勒頻偏（fd），進(jìn)而獲得振動(dòng)物體物理參數(shù)。

它的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，不需要固定參考系,不影響物體本身的振動(dòng),測(cè)量頻率范圍寬、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大。缺點(diǎn)是測(cè)量過程受其他雜散光的影響較大。

4、激光測(cè)速

它也是基于多普勒原理的一種激光測(cè)速方法,用得較多的是激光多普勒流速計(jì)(見激光流量計(jì)),可測(cè)量風(fēng)洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風(fēng)速和化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。

激光技術(shù)在傳感器上的應(yīng)用

相信大家對(duì)激光傳感器都不陌生，激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。

精密機(jī)械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)，必須要實(shí)現(xiàn)精密測(cè)量，需要光源有優(yōu)秀的單色性，這是普通光源無法滿足的。那么高量程、高精度的測(cè)量，激光傳感器可輕松滿足應(yīng)用；它的高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點(diǎn)是它不費(fèi)吹灰之力就可打敗普通光電的殺手锏。