激光技術(shù)給傳感器帶來了什么樣的變化?

激光是20世紀以來，繼原子能、計算機、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、亮度高、單色性好等特點，發(fā)展至今被廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、醫(yī)學(xué)衛(wèi)生、科學(xué)研究等方面，如用做長度基準和光頻基準以及測距、精密檢測、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E1，在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級的原子吸收光子能量激發(fā)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(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E2 的原子會躍遷到低能級釋放能量而發(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（即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布),就能使受激輻射過程占優(yōu)勢，從而使頻率為v 的誘發(fā)光得到增強，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，利用激光束會聚最高可產(chǎn)生達幾百萬度的溫度。

激光技術(shù)的應(yīng)用

1、激光測距

它的原理與無線電雷達相同，將激光對準目標發(fā)射出去后，測量它的往返時間，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線性相機接受，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據(jù)這個角度即知的激光和相機之間的距離，數(shù)字信號處理器就能計算出傳感器和被測物之間的距離。

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

2、激光測長

精密測量長度是精密機械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)代長度計量多是利用光波的干涉現(xiàn)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。

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

并且激光的波長較短，測量的精度非常高，可達0.1微米。目前激光測長儀已被廣泛用來進行各種精密長度測量，例如長度基準-米尺的精確測量，中國利用激光測長儀進行測量，誤差小于o.2微米，達到了國際水平。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。用普通機械精密絲桿定位，誤差為4~5微米，不能滿足要求。激光測長儀的精度較高，將激光測長儀的傳動裝置改裝成快動和微動相結(jié)合的運動系統(tǒng)，就構(gòu)成一臺激光微定位儀，可以滿足超大規(guī)模集成電路的生產(chǎn)要求。

3、激光測振

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(zhì)而運動，那么觀察者所測到的頻率不僅取決于波源發(fā)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。

當(dāng)應(yīng)用相干激光光束測量振動的物體時，由于多普勒效應(yīng)，激光的頻率會發(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，最終在光電探測器（PD）探測得到多普勒頻偏（fd），進而獲得振動物體物理參數(shù)。

它的優(yōu)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(tài)范圍大。缺點是測量過程受其他雜散光的影響較大。

4、激光測速

它也是基于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),可測量風(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

相信大家對激光傳感器都不陌生，激光傳感器是新型測量儀表，由激光器、激光檢測器和測量電路組成。是利用激光技術(shù)進行測量的傳感器，它的優(yōu)點是能實現(xiàn)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。

精密機械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)，必須要實現(xiàn)精密測量，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)點是它不費吹灰之力就可打敗普通光電的殺手锏。