Принципът и приложението на лазерния сензор

Лазерните сензори са сензори, които използват лазерна технология за измерване. Състои се от лазер, лазерен детектор и измервателна верига. Лазерният сензор е нов тип измервателен уред. Предимствата му са, че може да реализира безконтактно измерване на дълги разстояния, бърза скорост, висока прецизност, голям обхват, силна способност срещу светлина и електрически смущения и др.
Светлина и лазери Лазерите са едно от най-значимите научни и технологични постижения, появили се през 60-те години. Той се развива бързо и се използва широко в различни аспекти като национална отбрана, производство, медицина и неелектрически измервания. За разлика от обикновената светлина, лазерът трябва да бъде генериран от лазер. За работното вещество на лазера при нормални условия повечето атоми са в стабилно ниско енергийно ниво E1. Под действието на външна светлина с подходяща честота, атомите в ниско енергийно ниво абсорбират фотонната енергия и се възбуждат да преминат към високо енергийно ниво E2. Енергията на фотона E=E2-E1=hv, където h е константата на Планк, а v е честотата на фотона. Обратно, при индукция на светлина с честота v, атомите на енергийно ниво E2 ще преминат към по-ниско енергийно ниво, за да освободят енергия и да излъчват светлина, което се нарича стимулирано лъчение. Лазерът първо прави атомите на работното вещество необичайно на високо енергийно ниво (т.е. разпределението на инверсията на населението), което може да направи процеса на стимулирано излъчване доминиращ, така че индуцираната светлина с честота v да се засили и да премине през паралелни огледала Усилването от лавинен тип се формира за генериране на мощно стимулирано лъчение, което се нарича лазер.

Лазерите имат 3 важни свойства:
1. Висока насоченост (т.е. висока насоченост, малък ъгъл на отклонение на скоростта на светлината), обхватът на разширяване на лазерния лъч е само на няколко сантиметра от няколко километра;
2. Висока монохроматичност, честотната ширина на лазера е повече от 10 пъти по-малка от тази на обикновената светлина;
3. Висока яркост, максималната температура от няколко милиона градуса може да бъде генерирана чрез използване на конвергенция на лазерен лъч.

Лазерите могат да бъдат разделени на 4 вида според работното вещество:
1. Твърдотелен лазер: Работното му вещество е твърдо. Често използвани са рубинени лазери, легирани с неодим итриево-алуминиеви гранатови лазери (т.е. YAG лазери) и неодимови стъклени лазери. Те имат приблизително същата структура и се характеризират с това, че са малки, здрави и с висока мощност. Лазерите от неодимови стъкла в момента са устройствата с най-висока импулсна изходна мощност, достигаща десетки мегавати.
2. Газов лазер: работното му вещество е газ. Сега има различни лазери на газови атоми, йони, метални пари, газови молекули. Обикновено се използват лазери с въглероден диоксид, хелий-неонови лазери и лазери с въглероден оксид, които са оформени като обикновени газоразрядни тръби и се характеризират със стабилен изход, добра монохроматичност и дълъг живот, но с ниска мощност и ниска ефективност на преобразуване.
3. Течен лазер: Може да бъде разделен на хелатен лазер, неорганичен течен лазер и лазер с органично багрило, най-важният от които е лазерът с органично багрило, най-голямата му характеристика е, че дължината на вълната е непрекъснато регулируема.
4. Полупроводников лазер: Това е сравнително млад лазер, а по-зрелият е GaAs лазерът. Характеризира се с висока ефективност, малки размери, леко тегло и проста конструкция и е подходящ за носене на самолети, военни кораби, танкове и пехота. Може да се направи на далекомери и мерници. Изходната мощност обаче е малка, насочеността е лоша и се влияе силно от температурата на околната среда.

Приложения на лазерен сензор
Използвайки характеристиките на висока насоченост, висока монохроматичност и висока яркост на лазера, можете да реализирате безконтактно измерване на дълги разстояния. Лазерните сензори често се използват за измерване на физически величини като дължина, разстояние, вибрации, скорост и ориентация, както и за откриване на дефекти и мониторинг на атмосферни замърсители.
Лазерно измерване на дължина:
Прецизното измерване на дължината е една от ключовите технологии в индустрията за производство на прецизни машини и индустрията за оптична обработка. Съвременното измерване на дължина се извършва най-вече чрез използване на явлението интерференция на светлинните вълни и неговата точност зависи главно от монохроматичността на светлината. Лазерът е най-идеалният източник на светлина, който е 100 000 пъти по-чист от най-добрия монохроматичен източник на светлина (криптон-86 лампа) в миналото. Следователно обхватът на лазерно измерване на дължина е голям и прецизността е висока. Съгласно оптичния принцип връзката между максималната измерима дължина L на монохроматична светлина, дължината на вълната λ и ширината на спектралната линия δ е L=λ/δ. Максималната дължина, която може да бъде измерена с лампа криптон-86 е 38,5 см. За по-дълги обекти е необходимо да се измерва на секции, което намалява точността. Ако се използва хелиево-неонов газов лазер, той може да измерва до десетки километри. Обикновено измервайте дължината в рамките на няколко метра и неговата точност може да достигне 0,1 микрона.
Лазерно обхват:
Принципът му е същият като този на радиорадара. След като лазерът бъде насочен към целта и изстрелян, времето за обиколка се измерва и след това се умножава по скоростта на светлината, за да се получи обиколното разстояние. Тъй като лазерът има предимствата на висока насоченост, висока монохроматичност и висока мощност, те са много важни за измерване на дълги разстояния, определяне на ориентацията на целта, подобряване на съотношението сигнал/шум на приемащата система и осигуряване на точността на измерване . получава все повече внимание. Лидарът, разработен на базата на лазерния далекомер, може не само да измерва разстоянието, но и азимута, скоростта и ускорението на целта. Радар, вариращ от 500 до 2000 километра, грешката е само няколко метра. Понастоящем рубинените лазери, лазерите от неодимово стъкло, лазерите с въглероден диоксид и лазерите с галиев арсенид често се използват като източници на светлина за лазерни далекомери.

Лазерно измерване на вибрации:
x
Лазерно измерване на скоростта:
Това също е лазерен метод за измерване на скоростта, базиран на принципа на Доплер. Лазерният доплеров разходомер (виж лазерен разходомер) се използва повече, който може да измерва скоростта на въздушния поток в аеродинамичния тунел, скоростта на потока на ракетното гориво, скоростта на въздушния поток на струята на самолета, скоростта на атмосферния вятър и размера на частиците и скоростта на конвергенция при химически реакции и др.