激光傳感器原理與應(yīng)用知識
激光傳感器是利用激光技術(shù)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(yōu)點是能實現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。
激光和激光器——激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大的科學(xué)技術(shù)成就之一。它發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于國防、生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)和非電測量等各方面。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受激發(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)生強大的受激輻射光，簡稱激光。激光具有3個重要特性：
（1）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；
（2）高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10倍以上；
（3）高亮度，利用激光束會聚最高可產(chǎn)生達幾百萬度的溫度。
激光器按工作物質(zhì)可分為4種：
（1）固體激光器：它的工作物質(zhì)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(jié)構(gòu)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(shù)十兆瓦。
（2）氣體激光器：它的工作物質(zhì)為氣體?，F(xiàn)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(wěn)定，單色性好,壽命長,但功率較小，轉(zhuǎn)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(xù)可調(diào)。
（4）半導(dǎo)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(jié)構(gòu)簡單，適宜于在飛機、軍艦、坦克上以及步兵隨身攜帶?？芍瞥蓽y距儀和瞄準(zhǔn)器。但輸出功率較小、定向性較差、受環(huán)境溫度影響較大。
應(yīng)用——利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)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(jiān)測等。
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。現(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。因此激光測長的量程大、精度高。由光學(xué)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(guān)系是L=λ2/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(shù)米之內(nèi)的長度，其精度可達0.1微米。
激光測距——它的原理與無線電雷達相同，將激光對準(zhǔn)目標(biāo)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。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(yuǎn)距離、判定目標(biāo)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。在激光測距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光雷達不僅能測距，而且還可以測目標(biāo)方位、運運速度和加速度等，已成功地用于人造衛(wèi)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。目前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。
激光測厚——利用三角測距原理，上位于C型架的上、下方分割有一個精密激光測距傳感器，由激光器發(fā)射出的調(diào)制激光打到被測物的表面，通過對線陣 CCD的信號進行采樣處理，線陣CCD攝像機在控制電路的控制下同步得到被測物到C型架之間的距離，通過傳感器反饋的數(shù)據(jù)來計算中間被測物的厚度。由于檢測是連續(xù)進行的，因此就可以得到被測物的連續(xù)動態(tài)厚度值。
影響激光測厚精度的安裝因素：
和其它傳感器測厚一樣，要實現(xiàn)精密測厚需要注意以下條件，否則再好的傳感器也測不準(zhǔn)。精密測厚，選精密激光位移傳感器很重要，但如果兩個傳感器不能同步工作，安裝不同軸，則根本測不準(zhǔn)：
（1）單激光位移傳感器測厚
被測體放在測量平臺上，測量出傳感器到平臺表面距離，然后再測出傳感器到被測體表面間距，經(jīng)計算后測出厚度。要求被測體與測量平臺之間無氣隙，被測體無翹起。這些嚴(yán)格要求只有在離線情況能實現(xiàn)。
（2）雙激光位移傳感器測厚
在被測體上方和下方各安裝一個激光位移傳感器，被測體厚度D=C-(A+B)。其中，C是兩個傳感器之間距離，A是上面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y體之間距離，B是下面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y體之間距離。在線厚度測量用這種方法優(yōu)點是可消除被測體振動對測量結(jié)果的影響。但同時對傳感器安裝和性能有要求。保證測量準(zhǔn)確性的條件是：兩個傳感器發(fā)射光束必須同軸，以及兩個傳感器掃描必須同步。同軸是靠安裝實現(xiàn)，而同步要靠選擇有同步端激光傳感器。
不同步將代來很大誤差：如果被測體存在振動頻率20HZ，振幅1mm，如果信號不同步延遲1ms，那么就會帶來125μm誤差。
安裝使兩個激光同軸，不但確保被測體同一位置上的厚度，同時降低了被測體傾斜帶來的誤差。以被測體運動方向不同軸為例，當(dāng)不同軸1mm，被測體傾斜2°可帶來35μm誤差。
激光三角漫反射位移傳感器用于測厚有明顯優(yōu)點：
（1）非常小的測量光斑，是點光斑面積，它比面積型非接觸電容、電渦流傳感器需要的面積小很多，對被測體面積幾乎無要求，適合測量非常小面積尺寸厚度；
（2）較遠(yuǎn)的測量范圍起始間距。它比非接觸電容、電渦流傳感器起始間距大很多。這樣傳感器可以遠(yuǎn)離被測體，免受碰壞，及被測體熱輻射影響；
（3）有很大的測量范圍，這是其它傳感器很難做到的；
（4）與被測體材料無關(guān)，即金屬非金屬體，非透明有漫反射條件表面都能測。
（5）用激光測厚取代同位素測厚，可以消除對用戶的放射性損害。
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(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。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(xué)部分將物體的振動轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的多普勒頻移,并由光檢測器將此頻移轉(zhuǎn)換為電信號,再由電路部分作適當(dāng)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(yīng)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(diào)制器進行光頻調(diào)制，用石英晶體振蕩器加功率放大電路作為聲光調(diào)制器的驅(qū)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(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。
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(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。
多普勒測速系統(tǒng)（Doppler velocity-measuring system）原理：
從開過來的機車所聽到的聲波間的距離被壓縮了，就好像一個人正在關(guān)手風(fēng)琴。這個動作的結(jié)果產(chǎn)生一個明顯的較高的音調(diào)。當(dāng)火車離去時，聲波傳播開來，就出現(xiàn)了較低的聲音--這種現(xiàn)象被稱為“多普勒”效應(yīng)。
檢查機動車速度的雷達測速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。從測速儀里射出一束射線，射到汽車上再返回測速儀。測速儀里面的微型信息處理機把返回的波長與原波長進行比較。返回波長越緊密，前進的汽車速度也越快--那就證明駕駛員超速駕駛的可能性也越大。
激光多普勒測速儀是測量通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到速度。由于是激光測量，對于流場沒有干擾，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界上速度測量精度最高的儀器。
多普勒測速工作原理可以用干涉條紋來說明。當(dāng)聚焦透鏡把兩束入射光以某角會聚后，由干激光束良好的相干性，在會聚點上形成明暗相間的干涉條紋，條紋間隔正比干光波波長，而反比干半交角的正弦值。當(dāng)流體中的粒子從條紋區(qū)的方向經(jīng)過時，會依次散射出光強隨時間變化的一列散射光波，稱為多普勒信號。這列光波強度變化的頻率稱為多普勒頻移。經(jīng)過條紋區(qū)粒子的速度愈高，多普勒頻移就愈高。將垂直于條紋方向上的粒子速度，除以條紋間隔，考慮到流體的折射率就能得到多普勒頻移與流體速度之間線性關(guān)系。多普勒測速系統(tǒng)就是利用速度與多譜勒頻移的線性關(guān)系來確定速度的。各個方向上的多普勒頻率的相位差和粒子的直徑成正比，利用監(jiān)測到的相位差可以來確定粒徑。
光學(xué)測速測長系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)的測速測長系統(tǒng)（編碼器或測速電機）的優(yōu)勢是：
（1）編碼器或測速馬達測量都是依靠測速輥與被測量物體的摩擦來實現(xiàn)的，存在摩擦的地方就會有相對滑動的存在，尤其是在速度變化的過程中滑動更明顯，此時會產(chǎn)生較明顯的誤差；而多普勒測量系統(tǒng)是非接觸測量，從原理上消除了這個誤差。
（2）接觸式測量過程中，當(dāng)生產(chǎn)的產(chǎn)品為對表面光潔度要求非常高的產(chǎn)品時，比如不銹鋼板帶，容易對表面產(chǎn)生損傷，而采用多普勒測量系統(tǒng)完全避免。
（3）編碼器或測速馬達是機械類產(chǎn)品，長期的運轉(zhuǎn)存在機械磨損，從而影響到測量精度，而多普勒測量系統(tǒng)屬于光學(xué)儀器，內(nèi)部沒有機械磨損，不存在隨運行時間而測量精度變化的問題。
（4）在鋼鐵的軋機或平整機運行過程中，由于在板帶上有巨大的張力，在高速運行中會產(chǎn)生高頻振動，對接觸式的測速系統(tǒng)影響非常大。比如在平整機上，采用編碼器對平整機的延長率進行控制時，實際測量的結(jié)果是板帶平整后的延長率是在3%-15%之間變化，升速或降速時編碼器信號由于摩擦打滑的影響無法參與控制。冷軋板帶的延長率直接影響的是深沖性能，延長率控制不好，生產(chǎn)的成品板帶的質(zhì)量級別無法提高，無法滿足比如家電生產(chǎn)企業(yè)，汽車生產(chǎn)企業(yè)等對深沖成型性能要求非常高的企業(yè)的要求。采用多普勒測量系統(tǒng)進行控制時，延長率一般可以控制在目標(biāo)值的0.25%左右波動，優(yōu)勢非常明顯。而且軋機的升速，降速對其性能無任何影響，所以整卷鋼帶的成材率可以高達97%以上，效益非常明顯。而采用編碼器時，由于受到諸多限制，成材率一般低于85%。
材料表面反射系數(shù)對激光傳感器的影響
激光漫反射位移傳感器正常工作的前提是要求被測物體表面具有漫反射條件，出廠時廠家是用白陶瓷作為標(biāo)準(zhǔn)面。
反射系數(shù)是光輸入到表面能量與返回能量之比。光亮表面反射系數(shù)高，例如白紙就高，粗糙或黑色表面反射系數(shù)低，例如黑橡膠就低。并不是反射系數(shù)愈大愈好，當(dāng)反射系數(shù)100%時，例如鏡面時，激光成像光斑被100%反射回到激光光源，而接受漫反射的CCD端無成像光，所以鏡面就不能正常工作。反之當(dāng)反射系數(shù)為0%時絕對黑體，入射光被百分百吸收，無反射光，傳感器也不能工作。只有反射系數(shù)<100%,和>0%之間，激光漫反射傳感器才能可靠工作。
各種材料表面反射系數(shù)：
白陶瓷????? 約95%
白紙??????? 約75-80%
金屬材料??? 約55-60%
黑紙??????? 約5%
黑橡膠????? 約3-5%
黑絨布????? 約0.5%
激光傳感器所能解決其它技術(shù)無法解決的問題
激光傳感器可用于其它技術(shù)無法應(yīng)用的場合。例如，當(dāng)目標(biāo)很近時，計算來自目標(biāo)反射光的普通光電傳感器也能完成大量的精密位置檢測任務(wù)。但是，當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)內(nèi)或目標(biāo)顏色變化時，普通光電傳感器就難以應(yīng)付了。
雖然先進的背景噪聲抑制傳感器和三角測量傳感器在目標(biāo)顏色變化的情況下能較好地工作，但是，在目標(biāo)角度不固定或目標(biāo)太亮?xí)r，其性能的可預(yù)測性變差。此外，普通光電三角測量傳感器一般量程只限于0.5m以內(nèi)。
超聲波傳感器雖然也經(jīng)常用于檢測距離較遠(yuǎn)的物體，而且由于它不是光學(xué)裝置，所以不受顏色變化的影響。但是，超聲波傳感器是依據(jù)聲速測量距離的，因此存在一些固有的缺點，不能用于以下場合。
（1）待測目標(biāo)與傳感器的換能器不相垂直的場合。因為超聲波檢測的目標(biāo)必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°角以內(nèi)。
（2）需要光束直徑很小的場合。因為一般超聲波束在離開傳感器2m遠(yuǎn)時直徑為0.76cm。
（3）需要可見光斑進行位置校準(zhǔn)的場合。
（4）多風(fēng)的場合。
（5）真空場合。
（6）溫度梯度較大的場合。因為這種情況下會造成聲速的變化。
（7）需要快速響應(yīng)的場合。
而激光傳感器能解決上述所有場合的檢測。
激光產(chǎn)品危險等級劃分
激光產(chǎn)品危險等級分類是描述激光系統(tǒng)對人體造成傷害程度的界定指標(biāo)。分類從第I類激光（無傷害）到第IV類激光器如2000瓦二氧化碳激光器（可以切割厚鋼板)。制造商必須在第II類，第III類和第IV類激光產(chǎn)品上貼有帶激光危險等級分類字樣的警告標(biāo)簽。
第I類激光產(chǎn)品——沒有生物性危害。任何可能觀看的光束都是被屏蔽的，且在激光暴露時激光系統(tǒng)是互鎖的。（大型激光打印機如DEC LPS-40是由10毫瓦（IIIb類）氦氖激光驅(qū)動的，盡管實際的激光器是IIIb類，但打印機是互鎖的，以避免和暴露的激光束發(fā)生任何接觸，因此，該設(shè)備不產(chǎn)生任何生物性危害。這也適用于CD 播放器和小型激光打印機，他們都是第一類設(shè)備）。
第II類激光產(chǎn)品——輸出功率1毫瓦。不會灼傷皮膚，不會引起火災(zāi)。由于眼睛反射可以防止一些眼部損害，所以這類激光器不被視為危險的光學(xué)設(shè)備。（例如當(dāng)眼遇到明亮的光線時，會自動眨眼，或者轉(zhuǎn)動頭部以避開這些強光線。這就是所謂的反射行為或反射時間。在這段時間內(nèi)這類激光產(chǎn)品不會對眼睛造成傷害。盡管如此，一個人也不會愿意較長時間盯著看它）。在這類激光設(shè)備上應(yīng)放黃色警告標(biāo)簽。
第IIIa類激光產(chǎn)品——輸出功率1毫瓦到5毫瓦。不會灼傷皮膚。在某種條件下，這類激光可以對眼睛造成致盲以及其他損傷。這類激光產(chǎn)品應(yīng)該有：
（1）激光發(fā)射指示燈，表明激光器是否在工作；
（2）應(yīng)該使用電源鑰匙開關(guān)，阻止他人擅自使用；
（3）應(yīng)該貼有一個危險標(biāo)簽和輸出xx的標(biāo)簽。
第IIIb類激光產(chǎn)品——輸出功率5毫瓦到500毫瓦。在功率比較高時，這類激光產(chǎn)品能夠燒焦皮膚。這類激光產(chǎn)品明確定義為對眼睛有危害，尤其是在功率比較高時，將造成眼睛損傷。這類激光產(chǎn)品必須具備：
（1）鑰匙開關(guān)，阻止他人擅自使用；
（2）激光發(fā)射指示燈，表明激光器是否在工作；
（3）啟動電源后有3至5秒延遲時間使操作者離開光束路徑；
（4）裝有急停開關(guān)，隨時關(guān)斷激光光束；
（5）在激光器上必須貼有紅色的危險標(biāo)簽和xx（aperature）標(biāo)簽。（250mw激光器照射一張紅紙，不到2秒鐘就點燃了！
第IV類激光產(chǎn)品——輸出功率大于500毫瓦。這類激光產(chǎn)品一定能夠造成眼睛損傷。就像灼燒皮膚和點燃衣物一樣，激光能夠引燃其他材料。這類激光系統(tǒng)必須具備：
（1）鑰匙開關(guān)，阻止他人擅自使用；
（2）保險裝置，防止工作時系統(tǒng)的保護蓋被打開；
（3）激光發(fā)射指示燈，表明激光器是否在工作；
（4）裝有急停開關(guān)，隨時關(guān)斷激光光束；
（5）在激光器上貼好紅色危險標(biāo)簽和xx（aperature）標(biāo)簽，這類激光反射光束和主光束一樣都很危險。（一個1000瓦二氧化碳激光器可以在一塊鋼板上打孔，設(shè)象一下，如果是眼睛會怎么樣?。?br>