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激光傳感器

我有新說法

激光傳感器是利用激光技術進行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光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、電干擾能力強等。


1主要分類


激光器按工作物質可分為4種。①固體激光器:它的工作物質是固體。常用的有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器 (即YAG激光器)和釹玻璃激光器等。它們的結構大致相同,特點是小而堅固、功率高,釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件,已達到數十兆瓦。②氣體激光器:它的工作物質為氣體。現已有各種氣體原子、離子、金屬蒸氣、氣體分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器,其形狀如普通放電管,特點是輸出穩定,單色性好,壽命長,但功率較小,轉換效率較低。③液體激光器:它又可分為螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料激光器,其中最重要的是有機染料激光器,它的最大特點是波長連續可調。④半導體激光器:它是較年輕的一種激光器,其中較成熟的是砷化鎵激光器。特點是效率高、體積小、重量輕、結構簡單,適宜于在飛機、軍艦、坦克上以及步兵隨身攜帶。可制成測距儀和瞄準器。但輸出功率較小、定向性較差、受環境溫度影響較大。 [1] 

532nm綠光固體激光器-(型號:mw|408x306532nm綠光固體激光器-(型號:mw|408x306 [2]錨點

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2工作原理


激光傳感器工作時,

激光PM2.5傳感器 - TF-LP01激光PM2.5傳感器 - TF-LP01

先由激光發射二極管對準目標發射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器,被光學系統接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管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,并將其轉化為相應的電信號。  常見的是激光測距傳感器,它通過記錄并處理從光脈沖發出到返回被接收所經歷的時間,即可測定目標距離。激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間,因為光速太快。

例如,光速約為3*10^8m/s,要想使分辨率達到1mm,則傳輸時間測距傳感器的電子電路必須能分辨出以下極短的時間:

0.001m/(3*10^8m/s)=3ps

要分辨出3ps的時間,這是對電子技術提出的過高要求,實現起來造價太高。但是如今的激光測距傳感器巧妙地避開了這一障礙,利用一種簡單的統計學原理,即平均法則實現了1mm的分辨率,并且能保證響應速度。 [1] 

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3主要功能


利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現無接觸遠距離測量。激光傳感器常用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的測量,還可用于探傷和大氣污染物的監測等。 [3] 

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激光測長

精密測量長度是精密機械制造工業和光學加工工業的關鍵技術之一。

現代長度計量多是利用光波的干涉現象來進行的,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。因此激光測長的量程大、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之間的關系是L=λ/δ。用氪-86燈可測最大長度為38.5厘米,對于較長物體就需分段測量而使精度降低。若用氦氖氣體激光器,則最大可測幾十公里。一般測量數米之內的長度,其精度可達0.1微米。

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激光測距

它的原理與無線電雷達相同,將激光對準目標發射出去后,測量它的往返時間,再乘以光速即得到往返距離。由

雷達傳感器測距雷達傳感器測距

于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優點,這些對于測遠距離、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,因此激光測距儀日益受到重視。在激光測距儀基礎上發展起來的激光雷達不僅能測距,而且還可以測目標方位、運運速度和加速度等,已成功地用于人造衛星的測距和跟蹤,例如采用紅寶石激光器的激光雷達,測距范圍為500~2000公里,誤差僅幾米。不久前,真尚有的研發中心研制出的LDM系列測距傳感器,可以在數千米測量范圍內的精度可以達到微米級別。常采用紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化鎵激光器作為激光測距儀的光源。

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激光測振

它基于多普勒原理測量物體的振動速度。多普勒原理是指:

若波源或接收波的觀察者相對于傳播波的媒質而運動,那么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多普勒頻移。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。在激光多普勒振動速度測量儀中,由于光往返的原因,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多普勒頻移,并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后送往多普勒信號處理器將多普勒頻移信號變換為與振動速度相對應的電信號,最后記錄于磁帶。這種測振儀采用波長為6328埃(┱)的氦氖激光器,用聲光調制器進行光頻調制,用石英晶體振蕩器加功率放大電路作為聲光調制器的驅動源,用光電倍增管進行光電檢測,用頻率跟蹤器來處理多普勒信號。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,測量頻率范圍寬、精度高、動態范圍大。缺點是測量過程受其他雜散光的影響較大。

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激光測速

它也是基多普勒原理的一種激光測速方法,用得較多的是激光多普勒流速計(見激光流量計),它可以測量風洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風速和化學反應中粒子的大小及匯聚速度等。 [4] 

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4應用案例


車輛寬高的超限檢測

采用激光傳感器進行快速測量,利用PC工控機和可視化編程軟件VB的網絡內核與傳感器進行數據的實時傳輸及處理,同時還設計了界面友好的上位機控制軟件。現場試驗數據表明,該系統實時性好、測量精度高,具有一定的實用價值。

高速公路收費站

用于高速公路收費站,以進行車輛的計數及安全保護。馬來西亞Teras公司就已將上百套BEA激光傳感器應用于其手動和自動收費站系統。激光傳感器采用飛行時間(TOF)測量原理,可在檢測區域內形成4個平面,以對車輛進行檢測,同時,該產品還具有防追尾、車輛安全保護等功能。激光傳感器較之傳統光幕具有靈敏度高、精確性高、安裝方便、性價比高、穩定性強等優勢。 [5] 

谷歌第二代無人車:配備激光傳感器

谷歌第二代無人駕駛車原型車除了

頂部的激光傳感器依然相當明顯,其他傳感器都設置得非常隱蔽。

車輛的前后方和兩側都貼有明顯的谷歌無人車標志。谷歌無人車的控制駕駛原理是通過車子四周安裝的諸多傳感器,持續不斷地收集車輛本身以及四周的各種精確數據,通過車內的處理器進行分析和運算,再根據計算結果來控制車子行駛。無人車會借助GPS設備與傳感器,精準定位車輛位置以及前行速度,判斷周圍的行人、車輛、自行車、信號燈以及諸多其他物體。

在這輛雷克薩斯的車頂帶有一個360°旋轉的激光全息傳感器,可以幾乎同時感應到車子前、側與后方的狀況。傳感器收集的數據會通過綠色的數據線,輸入到位于車輛右后側的處理器中。這個激光傳感器也可以讓無人車進行全球精準定位。車前原本L型的雷克薩斯車標也被拆除,取而代之的是一個雷達傳感器;用于測量前方距離以及車輛速度,以便判別前方車況,控制車輛安全加速與減速。

車胎輪轂上也帶有位置傳感器,用于探測車輪轉動,幫助車輛進行定位。谷歌無人車的心臟——處理器位于車輛的右后側,來自各個傳感器的數據信息都會通過數據導線傳輸到這里,通過軟件進行分析和處理,以便精確傳感與判斷無人車附近的不同物體。除了分析和判斷無人車周圍物體當前的位置,無人車還需要通過軟件進行計算,準確預判每個物體可能的下一步位置。最后無人車會根據所有收集的數據做出安全駕駛的決策,包括控制車速以及周圍車距。 [6] 

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5發展前景


2008年全球傳感器市場容量為506億美元,東歐、亞太區和加拿大成為傳感器市場增長最快的地區,而美國、德國、日本依舊是傳感器市場分布最大的地區。真尚有公司等世界高端傳感器制造商開始進入中國大陸,并且設立了技術開發部門。就世界范圍而言,傳感器市場上增長最快的依舊是汽車市場,占第二位的是過程控制市場,看好通訊市場前景。

一些傳感器市場比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現出成熟市場的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場規模最大,分別占到整個傳感器市場的21%、19%和14%。傳感器市場的主要增長來自于無線傳感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微機電系統)傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中,無線傳感器在2007-2010年復合年增長率預計會超過25%。

全球的傳感器市場在不斷變化的創新之中呈現出快速增長的趨勢。有關專家指出,傳感器領域的主要技術將在現有基礎上予以延伸和提高,各國將競相加速新一代傳感器的開發和產業化,競爭也將日益激烈。在高端技術傳感器領域,真尚有等國際傳感器巨頭也已經進入國內市場,并直接在中國設立技術研發部。新技術的發展將重新定義未來的傳感器市場,比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現與市場份額的擴大。 [4] 

參考資料
  • 1.  什么是激光傳感器  .5聯網[引用日期2012-09-13]
  • 2.  百度 
  • 3.  激光技術在傳感器行業的應用  .5聯網[引用日期2012-09-13]
  • 4.  激光傳感器的工作原理及應用  .偶然物聯網商城.2012-12-26[引用日期2013-01-15]
  • 5.  BEA激光傳感器應用于高速公路收費站  .中國移動物聯網[引用日期2013-06-20]
  • 6.  詳解谷歌第二代無人車:配備激光傳感器  .新浪網[引用日期2014-06-15]


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