Načelo in uporaba laserskega senzorja

Laserski senzorji so senzorji, ki za merjenje uporabljajo lasersko tehnologijo. Sestavljen je iz laserja, laserskega detektorja in merilnega vezja. Laserski senzor je nov tip merilnega instrumenta. Njegove prednosti so, da lahko izvaja brezkontaktne meritve na dolge razdalje, visoka hitrost, visoka natančnost, velik doseg, močna sposobnost proti svetlobi in električnim motnjam itd.
Svetloba in laserji Laserji so bili eden najpomembnejših znanstvenih in tehnoloških dosežkov v šestdesetih letih prejšnjega stoletja. Hitro se je razvil in se pogosto uporablja v različnih vidikih, kot so nacionalna obramba, proizvodnja, medicina in neelektrične meritve. Za razliko od navadne svetlobe je treba laser ustvariti z laserjem. Za delovno snov laserja je v normalnih pogojih večina atomov v stabilni nizkoenergijski ravni E1. Pod delovanjem zunanje svetlobe ustrezne frekvence atomi na nizkem energijskem nivoju absorbirajo energijo fotona in so vzburjeni za prehod na visoko energijski nivo E2. Energija fotona E=E2-E1=hv, kjer je h Planckova konstanta in v frekvenca fotona. Nasprotno pa bodo pod indukcijo svetlobe s frekvenco v atomi na energijski ravni E2 prešli na nižjo energijsko raven, da bodo sprostili energijo in oddali svetlobo, kar imenujemo stimulirano sevanje. Laser najprej naredi atome delovne snovi nenormalno na visoki energijski ravni (to je porazdelitev populacijske inverzije), zaradi česar lahko prevladuje proces stimuliranega sevanja, tako da je inducirana svetloba frekvence v okrepljena in lahko prehaja skozi vzporedna zrcala Ojačitev lavinskega tipa se oblikuje za ustvarjanje močnega stimuliranega sevanja, ki ga imenujemo laser.

Laserji imajo 3 pomembne lastnosti:
1. Visoka usmerjenost (to je visoka usmerjenost, majhen divergenčni kot svetlobne hitrosti), razširitveni obseg laserskega žarka je le nekaj centimetrov stran od nekaj kilometrov;
2. Visoka monokromatičnost, frekvenčna širina laserja je več kot 10-krat manjša od običajne svetlobe;
3. Visoka svetlost, največja temperatura več milijonov stopinj se lahko ustvari z uporabo konvergence laserskega žarka.

Glede na delovno snov lahko laserje razdelimo na 4 vrste:
1. Polprevodniški laser: Njegova delovna snov je trdna. Običajno se uporabljajo rubinski laserji, laserji z itrijevim aluminijevim granatom, dopiranim z neodimom (tj. laserji YAG) in laserji iz neodimovega stekla. Imajo približno enako strukturo, zanje pa je značilno, da so majhne, ​​robustne in zmogljive. Laserji iz neodimovega stekla so trenutno naprave z največjo impulzno izhodno močjo, ki dosega več deset megavatov.
2. Plinski laser: njegova delovna snov je plin. Zdaj obstajajo različni laserji plinskih atomov, ionov, kovinskih hlapov, plinskih molekul. Običajno se uporabljajo laserji z ogljikovim dioksidom, helijevi neonski laserji in laserji z ogljikovim monoksidom, ki so oblikovani kot navadne razelektritvene cevi in ​​jih odlikuje stabilen izhod, dobra monokromatičnost in dolga življenjska doba, vendar z nizko močjo in nizko učinkovitostjo pretvorbe.
3. Tekoči laser: lahko ga razdelimo na kelatni laser, anorganski tekoči laser in organski barvni laser, najpomembnejši med katerimi je organski barvni laser, njegova največja značilnost je, da je valovna dolžina nenehno nastavljiva.
4. Polprevodniški laser: Je razmeroma mlad laser, zrelejši pa je GaAs laser. Odlikujejo ga visoka učinkovitost, majhnost, majhna teža in preprosta zgradba ter je primeren za prevoz na letalih, vojnih ladjah, tankih in pehoti. Lahko se izdela v daljinomere in merke. Vendar pa je izhodna moč majhna, usmerjenost je slaba in nanjo močno vpliva temperatura okolja.

Aplikacije laserskega senzorja
Z uporabo značilnosti visoke usmerjenosti, visoke monokromatičnosti in visoke svetlosti laserja je mogoče izvesti brezkontaktno merjenje na dolge razdalje. Laserski senzorji se pogosto uporabljajo za merjenje fizičnih veličin, kot so dolžina, razdalja, vibracije, hitrost in orientacija, kot tudi za odkrivanje napak in spremljanje atmosferskih onesnaževal.
Lasersko merjenje dolžine:
Natančno merjenje dolžine je ena ključnih tehnologij v industriji preciznih strojev in industriji optične obdelave. Sodobno merjenje dolžine večinoma poteka z uporabo interferenčnega pojava svetlobnih valov, njegova natančnost pa je odvisna predvsem od monokromatičnosti svetlobe. Laser je najbolj idealen vir svetlobe, ki je 100.000-krat čistejši od najboljšega monokromatskega vira svetlobe (sijalke s kriptonom-86) v preteklosti. Zato je lasersko merilno območje dolžine veliko in natančnost visoka. Po optičnem principu je razmerje med največjo merljivo dolžino L monokromatske svetlobe, valovno dolžino λ in širino spektralne črte δ L=λ/δ. Največja dolžina, ki jo lahko izmerimo s kripton-86 žarnico, je 38,5 cm. Pri daljših objektih ga je treba meriti po delih, kar zmanjša natančnost. Če uporabimo helij-neonski plinski laser, lahko merimo do deset kilometrov. Na splošno merite dolžino v nekaj metrih, njegova natančnost pa lahko doseže 0,1 mikrona.
Lasersko določanje razdalje:
Njegov princip je enak kot pri radijskem radarju. Ko je laser usmerjen v tarčo in sprožen, se izmeri njegov čas povratnega potovanja in nato pomnoži s hitrostjo svetlobe, da se dobi povratna razdalja. Ker ima laser prednosti visoke usmerjenosti, visoke monokromatičnosti in velike moči, so te zelo pomembne za merjenje velikih razdalj, določanje orientacije tarče, izboljšanje razmerja med signalom in šumom sprejemnega sistema ter zagotavljanje točnosti meritev. . dobival vedno več pozornosti. Lidar, razvit na osnovi laserskega daljinomera, lahko meri ne le razdaljo, ampak tudi azimut, hitrost in pospešek cilja. Radar v razponu od 500 do 2000 kilometrov, napaka je le nekaj metrov. Trenutno se rubinski laserji, laserji iz neodimovega stekla, laserji z ogljikovim dioksidom in laserji z galijevim arzenidom pogosto uporabljajo kot viri svetlobe za laserske daljinomere.

Lasersko merjenje vibracij:
x
Lasersko merjenje hitrosti:
Je tudi laserska metoda merjenja hitrosti, ki temelji na Dopplerjevem principu. Več se uporablja laserski Dopplerjev merilnik pretoka (glej laserski merilnik pretoka), ki lahko meri hitrost pretoka zraka v vetrovniku, hitrost pretoka raketnega goriva, hitrost pretoka zraka letala, hitrost atmosferskega vetra in velikost delcev ter hitrost konvergence pri kemičnih reakcijah itd.