Princíp a použitie laserového senzora

Laserové senzory sú senzory, ktoré na meranie využívajú laserovú technológiu. Pozostáva z laseru, laserového detektora a meracieho obvodu. Laserový senzor je nový typ meracieho prístroja. Jeho výhody spočívajú v tom, že dokáže realizovať bezkontaktné meranie na veľké vzdialenosti, vysokú rýchlosť, vysokú presnosť, veľký dosah, silnú schopnosť proti svetlu a elektrickému rušeniu atď.
Svetlo a lasery Lasery boli jedným z najvýznamnejších vedeckých a technologických úspechov, ktoré sa objavili v 60. rokoch. Rýchlo sa vyvinul a bol široko používaný v rôznych aspektoch, ako je národná obrana, výroba, medicína a neelektrické meranie. Na rozdiel od bežného svetla musí byť laser generovaný laserom. Pre pracovnú látku lasera je za normálnych podmienok väčšina atómov v stabilne nízkej energetickej hladine E1. Atómy na nízkej energetickej úrovni pôsobením vonkajšieho svetla vhodnej frekvencie absorbujú fotónovú energiu a sú excitované na prechod na vysokú energetickú hladinu E2. Energia fotónu E=E2-E1=hv, kde h je Planckova konštanta a v je frekvencia fotónu. Naopak, pri indukcii svetla s frekvenciou v budú atómy na energetickej hladine E2 prechádzať na nižšiu energetickú hladinu, aby uvoľnili energiu a vyžarovali svetlo, čo sa nazýva stimulované žiarenie. Laser najprv robí atómy pracovnej látky abnormálne na vysokej energetickej úrovni (to znamená distribúcia inverzie populácie), čo môže urobiť proces stimulovaného žiarenia dominantným, takže indukované svetlo o frekvencii v je zosilnené a môže prechádzať cez paralelné zrkadlá Zosilnenie lavínového typu je vytvorené na generovanie silného stimulovaného žiarenia, ktoré sa označuje ako laser.

Lasery majú 3 dôležité vlastnosti:
1. Vysoká smerovosť (teda vysoká smerovosť, malý uhol divergencie rýchlosti svetla), rozsah expanzie laserového lúča je vzdialený len niekoľko centimetrov od niekoľkých kilometrov;
2. Vysoká monochromatickosť, frekvenčná šírka lasera je viac ako 10-krát menšia ako u bežného svetla;
3. Vysoký jas, maximálna teplota niekoľko miliónov stupňov môže byť generovaná použitím konvergencie laserového lúča.

Lasery možno rozdeliť do 4 typov podľa pracovnej látky:
1. Pevný laser: Jeho pracovnou látkou je pevná látka. Bežne používané sú rubínové lasery, lasery s ytriom a hliníkovým granátom dopované neodýmom (tj YAG lasery) a lasery z neodýmového skla. Majú približne rovnakú štruktúru a vyznačujú sa tým, že sú malé, robustné a majú vysoký výkon. Lasery z neodymového skla sú v súčasnosti zariadeniami s najvyšším pulzným výstupným výkonom, ktorý dosahuje desiatky megawattov.
2. Plynový laser: jeho pracovnou látkou je plyn. Teraz existujú rôzne lasery na atómy plynu, ióny, kovové pary, molekuly plynu. Bežne používané sú lasery na oxid uhličitý, hélium neónové lasery a lasery na oxid uhoľnatý, ktoré majú tvar obyčajných výbojkových trubíc a vyznačujú sa stabilným výstupom, dobrou monochromaticitou a dlhou životnosťou, ale s nízkym výkonom a nízkou účinnosťou konverzie.
3. Kvapalný laser: Dá sa rozdeliť na chelátový laser, anorganický kvapalinový laser a organický farbivový laser, z ktorých najdôležitejší je organický farbivový laser, jeho najväčšou vlastnosťou je plynule nastaviteľná vlnová dĺžka.
4. Polovodičový laser: Je to relatívne mladý laser a tým vyspelejším je GaAs laser. Vyznačuje sa vysokou účinnosťou, malými rozmermi, nízkou hmotnosťou a jednoduchou konštrukciou a je vhodný na nosenie v lietadlách, vojnových lodiach, tankoch a pechote. Možno z nich vyrobiť diaľkomery a mieridlá. Výstupný výkon je však malý, smerovosť je zlá a je značne ovplyvnená okolitou teplotou.

Aplikácie laserových senzorov
Použitím charakteristík vysokej smerovosti, vysokej monochromatičnosti a vysokého jasu lasera je možné realizovať bezkontaktné meranie na veľké vzdialenosti. Laserové senzory sa často používajú na meranie fyzikálnych veličín, ako je dĺžka, vzdialenosť, vibrácie, rýchlosť a orientácia, ako aj na detekciu chýb a monitorovanie látok znečisťujúcich ovzdušie.
Laserové meranie dĺžky:
Presné meranie dĺžky je jednou z kľúčových technológií v priemysle výroby presných strojov a v priemysle optického spracovania. Moderné meranie dĺžky sa väčšinou vykonáva pomocou interferenčného javu svetelných vĺn a jeho presnosť závisí najmä od monochromatičnosti svetla. Laser je najideálnejší svetelný zdroj, ktorý je 100 000-krát čistejší ako najlepší monochromatický svetelný zdroj (krypton-86 lampa) v minulosti. Preto je rozsah merania dĺžky laserom veľký a presnosť je vysoká. Podľa optického princípu je vzťah medzi maximálnou merateľnou dĺžkou L monochromatického svetla, vlnovou dĺžkou λ a šírkou spektrálnej čiary δ L=λ/δ. Maximálna dĺžka, ktorú je možné merať s lampou krypton-86, je 38,5 cm. Pri dlhších objektoch je potrebné merať po častiach, čo znižuje presnosť. Ak sa použije hélium-neónový plynový laser, dokáže merať až desiatky kilometrov. Vo všeobecnosti merajte dĺžku do niekoľkých metrov a jej presnosť môže dosiahnuť 0,1 mikrónu.
Laserové meranie:
Jeho princíp je rovnaký ako u rádiového radaru. Potom, čo je laser nasmerovaný na cieľ a vypustený, sa zmeria jeho doba obehu a potom sa vynásobí rýchlosťou svetla, aby sa získala spiatočná vzdialenosť. Pretože laser má výhody vysokej smerovosti, vysokej monochromatičnosti a vysokého výkonu, tieto sú veľmi dôležité pre meranie veľkých vzdialeností, určenie orientácie cieľa, zlepšenie pomeru signálu k šumu prijímacieho systému a zabezpečenie presnosti merania. . dostávali čoraz viac pozornosti. Lidar vyvinutý na báze laserového diaľkomeru dokáže merať nielen vzdialenosť, ale aj azimut, rýchlosť a zrýchlenie cieľa. Radar, v rozmedzí od 500 do 2000 kilometrov, chyba je len niekoľko metrov. V súčasnosti sa ako svetelné zdroje pre laserové diaľkomery často používajú rubínové lasery, lasery z neodýmového skla, oxid uhličitý a arzenid gália.

Laserové meranie vibrácií:
x
Laserové meranie rýchlosti:
Je to tiež metóda merania rýchlosti lasera založená na Dopplerovom princípe. Viac sa používa laserový Dopplerov prietokomer (pozri laserový prietokomer), ktorý dokáže merať rýchlosť prúdenia vzduchu v aerodynamickom tuneli, rýchlosť prúdenia paliva rakiet, rýchlosť prúdenia vzduchu lietadla, rýchlosť atmosférického vetra a veľkosť častíc a rýchlosť konvergencie pri chemických reakciách atď.