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激光传感器

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激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等。


1主要分类


激光器按工作物质可分为4种。①固体激光器:它的工作物质是固体。常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器 (即YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构大致相同,特点是小而坚固、功率高,钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件,已达到数十兆瓦。②气体激光器:它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器,其形状如普通放电管,特点是输出稳定,单色性好,寿命长,但功率较小,转换效率较低。③液体激光器:它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器,其中最重要的是有机染料激光器,它的最大特点是波长连续可调。④半导体激光器:它是较年轻的一种激光器,其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单,适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。 [1] 

532nm绿光固体激光器-(型号:mw|408x306532nm绿光固体激光器-(型号:mw|408x306 [2]锚点

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2工作原理


激光传感器工作时,

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

先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号,并将其转化为相应的电信号。  常见的是激光测距传感器,它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离。激光传感器必须极其精确地测定传输时间,因为光速太快。

例如,光速约为3*10^8m/s,要想使分辨率达到1mm,则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间:

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

要分辨出3ps的时间,这是对电子技术提出的过高要求,实现起来造价太高。但是如今的激光测距传感器巧妙地避开了这一障碍,利用一种简单的统计学原理,即平均法则实现了1mm的分辨率,并且能保证响应速度。 [1] 

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3主要功能


利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量,还可用于探伤和大气污染物的监测等。 [3] 

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激光测长

精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。

现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的,其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源,它比以往最好的单色光源(氪-86灯)还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。由光学原理可知单色光的最大可测长度L与波长λ和谱线宽度δ之间的关系是L=λ/δ。用氪-86灯可测最大长度为38.5厘米,对于较长物体就需分段测量而使精度降低。若用氦氖气体激光器,则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度,其精度可达0.1微米。

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激光测距

它的原理与无线电雷达相同,将激光对准目标发射出去后,测量它的往返时间,再乘以光速即得到往返距离。由

雷达传感器测距雷达传感器测距

于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点,这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的,因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距,而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等,已成功地用于人造卫星的测距和跟踪,例如采用红宝石激光器的激光雷达,测距范围为500~2000公里,误差仅几米。不久前,真尚有的研发中心研制出的LDM系列测距传感器,可以在数千米测量范围内的精度可以达到微米级别。常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。

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激光测振

它基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指:

若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动,那么观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率而且还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。在振动方向与方向一致时多普频移fd=v/λ,式中v 为振动速度、λ为波长。在激光多普勒振动速度测量仪中,由于光往返的原因,fd =2v/λ。这种测振仪在测量时由光学部分将物体的振动转换为相应的多普勒频移,并由光检测器将此频移转换为电信号,再由电路部分作适当处理后送往多普勒信号处理器将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号,最后记录于磁带。这种测振仪采用波长为6328埃(┱)的氦氖激光器,用声光调制器进行光频调制,用石英晶体振荡器加功率放大电路作为声光调制器的驱动源,用光电倍增管进行光电检测,用频率跟踪器来处理多普勒信号。它的优点是使用方便,不需要固定参考系,不影响物体本身的振动,测量频率范围宽、精度高、动态范围大。缺点是测量过程受其他杂散光的影响较大。

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激光测速

它也是基多普勒原理的一种激光测速方法,用得较多的是激光多普勒流速计(见激光流量计),它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。 [4] 

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4应用案例


车辆宽高的超限检测

采用激光传感器进行快速测量,利用PC工控机和可视化编程软件VB的网络内核与传感器进行数据的实时传输及处理,同时还设计了界面友好的上位机控制软件。现场试验数据表明,该系统实时性好、测量精度高,具有一定的实用价值。

高速公路收费站

用于高速公路收费站,以进行车辆的计数及安全保护。马来西亚Teras公司就已将上百套BEA激光传感器应用于其手动和自动收费站系统。激光传感器采用飞行时间(TOF)测量原理,可在检测区域内形成4个平面,以对车辆进行检测,同时,该产品还具有防追尾、车辆安全保护等功能。激光传感器较之传统光幕具有灵敏度高、精确性高、安装方便、性价比高、稳定性强等优势。 [5] 

谷歌第二代无人车:配备激光传感器

谷歌第二代无人驾驶车原型车除了

顶部的激光传感器依然相当明显,其他传感器都设置得非常隐蔽。

车辆的前后方和两侧都贴有明显的谷歌无人车标志。谷歌无人车的控制驾驶原理是通过车子四周安装的诸多传感器,持续不断地收集车辆本身以及四周的各种精确数据,通过车内的处理器进行分析和运算,再根据计算结果来控制车子行驶。无人车会借助GPS设备与传感器,精准定位车辆位置以及前行速度,判断周围的行人、车辆、自行车、信号灯以及诸多其他物体。

在这辆雷克萨斯的车顶带有一个360°旋转的激光全息传感器,可以几乎同时感应到车子前、侧与后方的状况。传感器收集的数据会通过绿色的数据线,输入到位于车辆右后侧的处理器中。这个激光传感器也可以让无人车进行全球精准定位。车前原本L型的雷克萨斯车标也被拆除,取而代之的是一个雷达传感器;用于测量前方距离以及车辆速度,以便判别前方车况,控制车辆安全加速与减速。

车胎轮毂上也带有位置传感器,用于探测车轮转动,帮助车辆进行定位。谷歌无人车的心脏——处理器位于车辆的右后侧,来自各个传感器的数据信息都会通过数据导线传输到这里,通过软件进行分析和处理,以便精确传感与判断无人车附近的不同物体。除了分析和判断无人车周围物体当前的位置,无人车还需要通过软件进行计算,准确预判每个物体可能的下一步位置。最后无人车会根据所有收集的数据做出安全驾驶的决策,包括控制车速以及周围车距。 [6] 

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5发展前景


2008年全球传感器市场容量为506亿美元,东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区,而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。真尚有公司等世界高端传感器制造商开始进入中国大陆,并且设立了技术开发部门。就世界范围而言,传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场,占第二位的是过程控制市场,看好通讯市场前景。

一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大,分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems,微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中,无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。

全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出,传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高,各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化,竞争也将日益激烈。在高端技术传感器领域,真尚有等国际传感器巨头也已经进入国内市场,并直接在中国设立技术研发部。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场,比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。 [4] 

参考资料
  • 1.  什么是激光传感器  .5联网[引用日期2012-09-13]
  • 2.  百度 
  • 3.  激光技术在传感器行业的应用  .5联网[引用日期2012-09-13]
  • 4.  激光传感器的工作原理及应用  .偶然物联网商城.2012-12-26[引用日期2013-01-15]
  • 5.  BEA激光传感器应用于高速公路收费站  .中国移动物联网[引用日期2013-06-20]
  • 6.  详解谷歌第二代无人车:配备激光传感器  .新浪网[引用日期2014-06-15]