激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)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(cè)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(jí)E1,在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級(jí)的原子吸收光子能量受激發(fā)而躍遷到高能級(jí)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(jí) E2的原子會(huì)躍遷到低能級(jí)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(jí)（即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布），就能使受激輻射過程占優(yōu)勢(shì)，從而使頻率為v的誘發(fā)光得到增強(qiáng),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(qiáng)大的受激輻射光，簡(jiǎn)稱激光。激光具有3個(gè)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(kuò)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(huì)聚最高可產(chǎn)生達(dá)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(diǎn)是小而堅(jiān)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(dá)到數(shù)十兆瓦。
（2）氣體激光器：它的工作物質(zhì)為氣體。現(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(diǎn)是輸出穩(wěn)定，單色性好,壽命長(zhǎng),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(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中最重要的是有機(jī)染料激光器，它的最大特點(diǎn)是波長(zhǎng)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(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜于在飛機(jī)、軍艦、坦克上以及步兵隨身攜帶�？芍瞥蓽y(cè)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(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光傳感器常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測(cè)量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)等。
激光測(cè)長(zhǎng)——精密測(cè)量長(zhǎng)度是精密機(jī)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(zhǎng)度計(jì)量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進(jìn)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(cè)長(zhǎng)的量程大、精度高。由光學(xué)原理可知單色光的最大可測(cè)長(zhǎng)度 L與波長(zhǎng)λ和譜線寬度δ之間的關(guān)系是L=λ2/δ。用氪－86燈可測(cè)最大長(zhǎng)度為38.5厘米，對(duì)于較長(zhǎng)物體就需分段測(cè)量而使精度降低。若用氦氖氣體激光器，則最大可測(cè)幾十公里。一般測(cè)量數(shù)米之內(nèi)的長(zhǎng)度，其精度可達(dá)0.1微米。
激光測(cè)距——它的原理與無線電雷達(dá)相同，將激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測(cè)量它的往返時(shí)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(diǎn)，這些對(duì)于測(cè)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(cè)量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測(cè)距儀日益受到重視。在激光測(cè)距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光雷達(dá)不僅能測(cè)距，而且還可以測(cè)目標(biāo)方位、運(yùn)運(yùn)速度和加速度等，已成功地用于人造衛(wèi)星的測(cè)距和跟蹤，例如采用紅寶石激光器的激光雷達(dá)，測(cè)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(cè)距儀的光源。
激光測(cè)厚——利用三角測(cè)距原理，上位于C型架的上、下方分割有一個(gè)精密激光測(cè)距傳感器，由激光器發(fā)射出的調(diào)制激光打到被測(cè)物的表面，通過對(duì)線陣 CCD的信號(hào)進(jìn)行采樣處理，線陣CCD攝像機(jī)在控制電路的控制下同步得到被測(cè)物到C型架之間的距離，通過傳感器反饋的數(shù)據(jù)來計(jì)算中間被測(cè)物的厚度。由于檢測(cè)是連續(xù)進(jìn)行的，因此就可以得到被測(cè)物的連續(xù)動(dòng)態(tài)厚度值。
影響激光測(cè)厚精度的安裝因素：
和其它傳感器測(cè)厚一樣，要實(shí)現(xiàn)精密測(cè)厚需要注意以下條件，否則再好的傳感器也測(cè)不準(zhǔn)。精密測(cè)厚，選精密激光位移傳感器很重要，但如果兩個(gè)傳感器不能同步工作，安裝不同軸，則根本測(cè)不準(zhǔn)：
（1）單激光位移傳感器測(cè)厚
被測(cè)體放在測(cè)量平臺(tái)上，測(cè)量出傳感器到平臺(tái)表面距離，然后再測(cè)出傳感器到被測(cè)體表面間距，經(jīng)計(jì)算后測(cè)出厚度。要求被測(cè)體與測(cè)量平臺(tái)之間無氣隙，被測(cè)體無翹起。這些嚴(yán)格要求只有在離線情況能實(shí)現(xiàn)。
（2）雙激光位移傳感器測(cè)厚
在被測(cè)體上方和下方各安裝一個(gè)激光位移傳感器，被測(cè)體厚度D=C-(A+B)。其中，C是兩個(gè)傳感器之間距離，A是上面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y(cè)體之間距離，B是下面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y(cè)體之間距離。在線厚度測(cè)量用這種方法優(yōu)點(diǎn)是可消除被測(cè)體振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。但同時(shí)對(duì)傳感器安裝和性能有要求。保證測(cè)量準(zhǔn)確性的條件是：兩個(gè)傳感器發(fā)射光束必須同軸，以及兩個(gè)傳感器掃描必須同步。同軸是靠安裝實(shí)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(cè)體存在振動(dòng)頻率20HZ，振幅1mm，如果信號(hào)不同步延遲1ms，那么就會(huì)帶來125µm誤差。
安裝使兩個(gè)激光同軸，不但確保被測(cè)體同一位置上的厚度，同時(shí)降低了被測(cè)體傾斜帶來的誤差。以被測(cè)體運(yùn)動(dòng)方向不同軸為例，當(dāng)不同軸1mm，被測(cè)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(cè)厚有明顯優(yōu)點(diǎn)：
（1）非常小的測(cè)量光斑，是點(diǎn)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(duì)被測(cè)體面積幾乎無要求，適合測(cè)量非常小面積尺寸厚度；
（2）較遠(yuǎn)的測(cè)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(cè)體，免受碰壞，及被測(cè)體熱輻射影響；
（3）有很大的測(cè)量范圍，這是其它傳感器很難做到的；
（4）與被測(cè)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(cè)。
（5）用激光測(cè)厚取代同位素測(cè)厚，可以消除對(duì)用戶的放射性損害。
激光測(cè)振——它基于多普勒原理測(cè)量物體的振動(dòng)速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的觀察者相對(duì)于傳播波的媒質(zhì)而運(yùn)動(dòng)，那么觀察者所測(cè)到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動(dòng)頻率而且還取決于波源或觀察者的運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向。所測(cè)頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動(dòng)方向與方向一致時(shí)多普頻移 fd=v/λ，式中v 為振動(dòng)速度、λ為波長(zhǎng)。在激光多普勒振動(dòng)速度測(cè)量?jī)x中，由于光往返的原因,fd =2v/λ。這種測(cè)振儀在測(cè)量時(shí)由光學(xué)部分將物體的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的多普勒頻移,并由光檢測(cè)器將此頻移轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再由電路部分作適當(dāng)處理后送往多普勒信號(hào)處理器將多普勒頻移信號(hào)變換為與振動(dòng)速度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，最后記錄于磁帶。這種測(cè)振儀采用波長(zhǎng)為6328埃(┱)的氦氖激光器，用聲光調(diào)制器進(jìn)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(dòng)源，用光電倍增管進(jìn)行光電檢測(cè)，用頻率跟蹤器來處理多普勒信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，不需要固定參考系,不影響物體本身的振動(dòng),測(cè)量頻率范圍寬、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大。缺點(diǎn)是測(cè)量過程受其他雜散光的影響較大。
激光測(cè)速——它也是基多普勒原理的一種激光測(cè)速方法,用得較多的是激光多普勒流速計(jì)(見激光流量計(jì)),它可以測(cè)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(cè)速系統(tǒng)（Doppler velocity-measuring system）原理：
從開過來的機(jī)車所聽到的聲波間的距離被壓縮了，就好像一個(gè)人正在關(guān)手風(fēng)琴。這個(gè)動(dòng)作的結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)明顯的較高的音調(diào)。當(dāng)火車離去時(shí)，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(jī)動(dòng)車速度的雷達(dá)測(cè)速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。從測(cè)速儀里射出一束射線，射到汽車上再返回測(cè)速儀。測(cè)速儀里面的微型信息處理機(jī)把返回的波長(zhǎng)與原波長(zhǎng)進(jìn)行比較。返回波長(zhǎng)越緊密，前進(jìn)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(cè)速儀是測(cè)量通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號(hào)，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(cè)量，對(duì)于流場(chǎng)沒有干擾，測(cè)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(diǎn)的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界上速度測(cè)量精度最高的儀器。
多普勒測(cè)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(huì)聚后，由干激光束良好的相干性，在會(huì)聚點(diǎn)上形成明暗相間的干涉條紋，條紋間隔正比干光波波長(zhǎng)，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(shí)，會(huì)依次散射出光強(qiáng)隨時(shí)間變化的一列散射光波，稱為多普勒信號(hào)。這列光波強(qiáng)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(cè)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(gè)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(cè)到的相位差可以來確定粒徑。
光學(xué)測(cè)速測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)速測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)（編碼器或測(cè)速電機(jī)）的優(yōu)勢(shì)是：
（1）編碼器或測(cè)速馬達(dá)測(cè)量都是依靠測(cè)速輥與被測(cè)量物體的摩擦來實(shí)現(xiàn)的，存在摩擦的地方就會(huì)有相對(duì)滑動(dòng)的存在，尤其是在速度變化的過程中滑動(dòng)更明顯，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生較明顯的誤差；而多普勒測(cè)量系統(tǒng)是非接觸測(cè)量，從原理上消除了這個(gè)誤差。
（2）接觸式測(cè)量過程中，當(dāng)生產(chǎn)的產(chǎn)品為對(duì)表面光潔度要求非常高的產(chǎn)品時(shí)，比如不銹鋼板帶，容易對(duì)表面產(chǎn)生損傷，而采用多普勒測(cè)量系統(tǒng)完全避免。
（3）編碼器或測(cè)速馬達(dá)是機(jī)械類產(chǎn)品，長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)存在機(jī)械磨損，從而影響到測(cè)量精度，而多普勒測(cè)量系統(tǒng)屬于光學(xué)儀器，內(nèi)部沒有機(jī)械磨損，不存在隨運(yùn)行時(shí)間而測(cè)量精度變化的問題。
（4）在鋼鐵的軋機(jī)或平整機(jī)運(yùn)行過程中，由于在板帶上有巨大的張力，在高速運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)，對(duì)接觸式的測(cè)速系統(tǒng)影響非常大。比如在平整機(jī)上，采用編碼器對(duì)平整機(jī)的延長(zhǎng)率進(jìn)行控制時(shí)，實(shí)際測(cè)量的結(jié)果是板帶平整后的延長(zhǎng)率是在3%-15%之間變化，升速或降速時(shí)編碼器信號(hào)由于摩擦打滑的影響無法參與控制。冷軋板帶的延長(zhǎng)率直接影響的是深沖性能，延長(zhǎng)率控制不好，生產(chǎn)的成品板帶的質(zhì)量級(jí)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(duì)深沖成型性能要求非常高的企業(yè)的要求。采用多普勒測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)，延長(zhǎng)率一般可以控制在目標(biāo)值的0.25%左右波動(dòng)，優(yōu)勢(shì)非常明顯。而且軋機(jī)的升速，降速對(duì)其性能無任何影響，所以整卷鋼帶的成材率可以高達(dá)97%以上，效益非常明顯。而采用編碼器時(shí)，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(duì)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(cè)物體表面具有漫反射條件，出廠時(shí)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(shí)，例如鏡面時(shí)，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(shí)絕對(duì)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(chǎng)合。例如，當(dāng)目標(biāo)很近時(shí)，計(jì)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(cè)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(shí)，普通光電傳感器就難以應(yīng)付了。
雖然先進(jìn)的背景噪聲抑制傳感器和三角測(cè)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(cè)性變差。此外，普通光電三角測(cè)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(cè)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(cè)量距離的，因此存在一些固有的缺點(diǎn)，不能用于以下場(chǎng)合。
（1）待測(cè)目標(biāo)與傳感器的換能器不相垂直的場(chǎng)合。因?yàn)槌暡z測(cè)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(chǎng)合。因?yàn)橐话愠暡ㄊ陔x開傳感器2m遠(yuǎn)時(shí)直徑為0.76cm。
（3）需要可見光斑進(jìn)行位置校準(zhǔn)的場(chǎng)合。
（4）多風(fēng)的場(chǎng)合。
（5）真空?qǐng)龊稀?BR>（6）溫度梯度較大的場(chǎng)合。因?yàn)檫@種情況下會(huì)造成聲速的變化。
（7）需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合。
而激光傳感器能解決上述所有場(chǎng)合的檢測(cè)。 |
當(dāng)前位置：
