激光传感器原理与运用常识
激光传感器是运用激光技能进行丈量的传感器。它由激光器、激光检测器和丈量电路组成。激光传感器是新式丈量外表，它的长处是能完结无触摸远间隔丈量，速度快，精度高，量程大，抗光、电搅扰能力强等。
激光和激光器——激光是20世纪60年代呈现的最严重的科学技能成果之一。它发展迅速，已广泛运用于国防、出产、医学和非电丈量等各方面。激光与一般光不同，需求用激光器发作。激光器的作业物质，在正常状态下，大都原子处于安稳的低能级E1,在恰当频率的外界光线的效果下，处于低能级的原子吸收光子能量受激起而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v的光的诱发下，处于能级 E2的原子会跃迁到低能级开释能量而发光，称为受激辐射。激光器首要使作业物质的原子失常地大都处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射进程占优势，然后使频率为v的诱发光得到增强,并可通过平行的反射镜构成雪崩式的扩大效果而发作强壮的受激辐射光，简称激光。激光具有3个重要特性：
（1）高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展规模不过几厘米；
（2）高单色性，激光的频率宽度比一般光小10倍以上；
（3）高亮度，运用激光束集聚最高可发作达几百万度的温度。
激光器按作业物质可分为4种：
（1）固体激光器：它的作业物质是固体。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，特色是小而巩固、功率高，钕玻璃激光器是现在脉冲输出功率最高的器材，已达到数十兆瓦。
（2）气体激光器：它的作业物质为气体。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，其形状如一般放电管，特色是输出安稳，单色性好,寿命长,但功率较小，转化功率较低。
（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，其间最重要的是有机染料激光器，它的最大特色是波长接连可调。
（4）半导体激光器：它是较年青的一种激光器，其间较老练的是砷化镓激光器。特色是功率高、体积小、重量轻、结构简略，适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步卒随身携带。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。
运用——运用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特色可完结无触摸远间隔丈量。激光传感器常用于长度、间隔、振荡、速度、方位等物理量的丈量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。
激光测长——精细丈量长度是精细机械制造工业和光学加工工业的要害技能之一。现代长度计量多是运用光波的干与现象来进行的，其精度首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。因而激光测长的量程大、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之间的联系是L=λ2/δ。用氪－86灯可测最大长度为38.5厘米，关于较长物体就需分段丈量而使精度下降。若用氦氖气体激光器，则最大可测几十公里。一般丈量数米之内的长度，其精度可达0.1微米。
激光测距——它的原理与无线电雷达相同，将激光对准方针发射出去后，丈量它的往复时刻，再乘以光速即得到往复间隔。因为激光具有高方向性、高单色性和高功率等长处，这些关于测远间隔、断定方针方位、进步接纳体系的信噪比、保证丈量精度等都是很要害的，因而激光测距仪日益遭到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不只能测距，并且还能够测方针方位、运运速度和加速度等，已成功地用于人造卫星的测距和盯梢，例如选用红宝石激光器的激光雷达，测距规模为500～2000公里,差错仅几米。现在常选用红宝石激光器、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。
激光测厚——运用三角测距原理，上坐落C型架的上、下方切开有一个精细激光测距传感器，由激光器发射出的调制激光打到被测物的外表，通过对线阵 CCD的信号进行采样处理，线阵CCD摄像机在操控电路的操控下同步得到被测物到C型架之间的间隔，通过传感器反应的数据来核算中心被测物的厚度。因为检测是接连进行的，因而就能够得到被测物的接连动态厚度值。
影响激光测厚精度的设备要素：
和其它传感器测厚相同，要完结精细测厚需求留意以下条件，不然再好的传感器也测禁绝。精细测厚，选精细激光位移传感器很重要，但假如两个传感器不能同步作业，设备不同轴，则底子测禁绝：
（1）单激光位移传感器测厚
被测体放在丈量渠道上，丈量出传感器到渠道外表间隔，然后再测出传感器到被测体外表间隔，经核算后测出厚度。要求被测体与丈量渠道之间无气隙，被测体无翘起。这些严格要求只要在离线状况能完结。
（2）双激光位移传感器测厚
在被测体上方和下方各设备一个激光位移传感器，被测体厚度D=C-(A+B)。其间，C是两个传感器之间间隔，A是上面传感器到被测体之间间隔，B是下面传感器到被测体之间间隔。在线厚度丈量用这种办法长处是可消除被测体振荡对丈量成果的影响。但一起对传感器设备和功能有要求。保证丈量准确性的条件是：两个传感器发射光束有必要同轴，以及两个传感器扫描有必要同步。同轴是靠设备完结，而同步要靠挑选有同步端激光传感器。
不同步将代来很大差错：假如被测体存在振荡频率20HZ，振幅1mm，假如信号不同步推迟1ms，那么就会带来125µm差错。
设备使两个激光同轴，不光保证被测体同一方位上的厚度，一起下降了被测体歪斜带来的差错。以被测体运动方向不同轴为例，当不同轴1mm，被测体歪斜2°可带来35µm差错。
激光三角漫反射位移传感器用于测厚有显着长处：
（1）十分小的丈量光斑，是点光斑面积，它比面积型非触摸电容、电涡流传感器需求的面积小许多，对被测体面积简直无要求，合适丈量十分小面积尺度厚度；
（2）较远的丈量规模开始间隔。它比非触摸电容、电涡流传感器开始间隔大许多。这样传感器能够远离被测体，免受碰坏，及被测体热辐射影响；
（3）有很大的丈量规模，这是其它传感器很难做到的；
（4）与被测体资料无关，即金属非金属体，非通明有漫反射条件外表都能测。
（5）用激光测厚替代同位素测厚，能够消除对用户的放射性损害。
激光测振——它根据多普勒原理丈量物体的振荡速度。多普勒原理是指：若波源或接纳波的观察者相关于传达波的媒质而运动，那么观察者所测到的频率不只取决于波源宣布的振荡频率并且还取决于波源或观察者的运动速度的巨细和方向。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。在振荡方向与方向共同时多普频移 fd=v/λ，式中v 为振荡速度、λ为波长。在激光多普勒振荡速度丈量仪中，因为光往复的原因,fd =2v/λ。这种测振仪在丈量时由光学部分将物体的振荡转化为相应的多普勒频移,并由光检测器将此频移转化为电信号,再由电路部分作恰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荡速度相对应的电信号，最终记载于磁带。这种测振仪选用波长为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扩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，用频率盯梢器来处理多普勒信号。它的长处是运用方便，不需求固定参考系,不影响物体自身的振荡,丈量频率规模宽、精度高、动态规模大。缺陷是丈量进程受其他杂散光的影响较大。
激光测速——它也是基多普勒原理的一种激光测速办法,用得较多的是激光多普勒流速计(见激光流量计),它能够丈量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷发气流流速、大气风速和化学反应中粒子的巨细及集聚速度等。
多普勒测速体系（Doppler velocity-measuring system）原理：
从开过来的机车所听到的声波间的间隔被紧缩了，就好像一个人正在关手风琴。这个动作的成果发作一个显着的较高的腔调。当火车离去时，声波传达开来，就呈现了较低的声响–这种现象被称为“多普勒”效应。
查看机动车速度的雷达测速仪也是运用这种多普勒效应。从测速仪里射出一束射线，射到轿车上再回来测速仪。测速仪里边的微型信息处理机把回来的波长与原波长进行比较。回来波长越严密，行进的轿车速度也越快–那就证明驾驭员超速驾驭的或许性也越大。
激光多普勒测速仪是丈量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的联系得到速度。因为是激光丈量，关于流场没有搅扰，测速规模宽，并且因为多普勒频率与速度是线性联系，和该点的温度，压力没有联系，是现在世界上速度丈量精度最高的仪器。
多普勒测速作业原理能够用干与条纹来阐明。当聚集透镜把两束入射光以某角集聚后，由干激光束杰出的相干性，在集聚点上构成明暗相间的干与条纹，条纹间隔正比干光波波长，而反比干半交角的正弦值。当流体中的粒子从条纹区的方向通过期，会顺次散射出光强随时刻改变的一列散射光波，称为多普勒信号。这列光波强度改变的频率称为多普勒频移。通过条纹区粒子的速度愈高，多普勒频移就愈高。将笔直于条纹方向上的粒子速度，除以条纹间隔，考虑到流体的折射率就能得到多普勒频移与流体速度之间线性联系。多普勒测速体系便是运用速度与多谱勒频移的线性联系来确认速度的。各个方向上的多普勒频率的相位差和粒子的直径成正比，运用监测到的相位差能够来确认粒径。
光学测速测长体系相关于传统的测速测长体系（编码器或测速电机）的优势是：
（1）编码器或测速马达丈量都是依托测速辊与被丈量物体的冲突来完结的，存在冲突的当地就会有相对滑动的存在，尤其是在速度改变的进程中滑动更显着，此时会发作较显着的差错；而多普勒丈量体系对错触摸丈量，从原理上消除了这个差错。
（2）触摸式丈量进程中，当出产的产品为对外表光洁度要求十分高的产品时，比方不锈钢板带，简单对外表发作损害，而选用多普勒丈量体系完全避免。
（3）编码器或测速马达是机械类产品，长时刻的作业存在机械磨损，然后影响到丈量精度，而多普勒丈量体系归于光学仪器，内部没有机械磨损，不存在随运转时刻而丈量精度改变的问题。
（4）在钢铁的轧机或平坦机运转进程中，因为在板带上有巨大的张力，在高速运转中会发作高频振荡，对触摸式的测速体系影响十分大。比方在平坦机上，选用编码器对平坦机的延伸率进行操控时，实践丈量的成果是板带平坦后的延伸率是在3%-15%之间改变，升速或降速时编码器信号因为冲突打滑的影响无法参加操控。冷轧板带的延伸率直接影响的是深冲功能，延伸率操控欠好，出产的制品板带的质量等级无法进步，无法满意比方家电出产企业，轿车出产企业等对深冲成型功能要求十分高的企业的要求。选用多普勒丈量体系进行操控时，延伸率一般能够操控在方针值的0.25%左右动摇，优势十分显着。并且轧机的升速，降速对其功能无任何影响，所以整卷钢带的成材率能够高达97%以上，效益十分显着。而选用编码器时，因为遭到许多约束，成材率一般低于85%。
资料外表反射系数对激光传感器的影响
激光漫反射位移传感器正常作业的条件是要求被测物体外表具有漫反射条件，出厂时厂家是用白陶瓷作为规范面。
反射系数是光输入到外表能量与回来能量之比。亮光外表反射系数高，例如白纸就高，粗糙或黑色外表反射系数低，例如黑橡胶就低。并不是反射系数愈大愈好，当反射系数100%时，例如镜面时，激光成像光斑被100%反射回到激光光源，而承受漫反射的CCD端无成像光，所以镜面就不能正常作业。反之当反射系数为0%时肯定黑体，入射光被百分百吸收，无反射光，传感器也不能作业。只要反射系数<100%,和>0%之间，激光漫反射传感器才干牢靠作业。
各种资料外表反射系数：
白陶瓷 约95%
白纸 约75-80%
金属资料 约55-60%
黑纸 约5%
黑橡胶 约3-5%
黑绒布 约0.5%
激光传感器所能处理其它技能无法处理的问题
激光传感器可用于其它技能无法运用的场合。例如，当方针很近时，核算来自方针反射光的一般光电传感器也能完结很多的精细方位检测使命。可是，当方针间隔较远内或方针色彩改变时，一般光电传感器就难以应付了。
虽然先进的背景噪声按捺传感器和三角丈量传感器在方针色彩改变的状况下能较好地作业，可是，在方针视点不固定或方针太亮时，其功能的可猜测性变差。此外，一般光电三角丈量传感器一般量程只限于0.5m以内。
超声波传感器虽然也常常用于检测间隔较远的物体，并且因为它不是光学设备，所以不受色彩改变的影响。可是，超声波传感器是根据声速丈量间隔的，因而存在一些固有的缺陷，不能用于以下场合。
（1）待测方针与传感器的换能器不相笔直的场合。因为超声波检测的方针有必要处于与传感器笔直方位偏角不大于10°角以内。
（2）需求光束直径很小的场合。因为一般超声波束在脱离传感器2m远时直径为0.76cm。
（3）需求可见光斑进行方位校准的场合。
（4）多风的场合。
（5）真空场合。
（6）温度梯度较大的场合。因为这种状况下会形成声速的改变。
（7）需求快速呼应的场合。
而激光传感器能处理上述一切场合的检测。
激光产品风险等级区分
激光产品风险等级分类是描绘激光体系对人体形成损害程度的界定目标。分类从第I类激光（无损害）到第IV类激光器如2000瓦二氧化碳激光器（能够切开厚钢板)。制造商有必要在第II类，第III类和第IV类激光产品上贴有带激光风险等级分类字样的正告标签。
第I类激光产品——没有生物性损害。任何或许观看的光束都是被屏蔽的，且在激光露出时激光体系是互锁的。（大型激光打印机如DEC LPS-40是由10毫瓦（IIIb类）氦氖激光驱动的，虽然实践的激光器是IIIb类，但打印机是互锁的，以避免和露出的激光束发作任何触摸，因而，该设备不发作任何生物性损害。这也适用于CD 播放器和小型激光打印机，他们都是第一类设备）。
第II类激光产品——输出功率1毫瓦。不会灼伤皮肤，不会引起火灾。因为眼睛反射能够避免一些眼部损害，所以这类激光器不被视为风险的光学设备。（例如当眼遇到亮堂的光线时，会主动眨眼，或许滚动头部以避开这些强光线。这便是所谓的反射行为或反射时刻。在这段时刻内这类激光产品不会对眼睛形成损害。虽然如此，一个人也不会乐意较长时刻盯着看它）。在这类激光设备上应放黄色正告标签。
第IIIa类激光产品——输出功率1毫瓦到5毫瓦。不会灼伤皮肤。在某种条件下，这类激光能够对眼睛形成致盲以及其他损害。这类激光产品应该有：
（1）激光发射指示灯，标明激光器是否在作业；
（2）应该运用电源钥匙开关，阻挠别人私行运用；
（3）应该贴有一个风险标签和输出xx的标签。
第IIIb类激光产品——输出功率5毫瓦到500毫瓦。在功率比较高时，这类激光产品能够烧焦皮肤。这类激光产品清晰认义为对眼睛有损害，尤其是在功率比较高时，将形成眼睛损害。这类激光产品有必要具有：
（1）钥匙开关，阻挠别人私行运用；
（2）激光发射指示灯，标明激光器是否在作业；
（3）发动电源后有3至5秒推迟时刻使操作者脱离光束途径；
（4）装有急停开关，随时关断激光光束；
（5）在激光器上有必要贴有赤色的风险标签和xx（aperature）标签。（250mw激光器照耀一张红纸，不到2秒钟就点着了！
第IV类激光产品——输出功率大于500毫瓦。这类激光产品必定能够形成眼睛损害。就像灼烧皮肤和点着衣物相同，激光能够点燃其他资料。这类激光体系有必要具有：
（1）钥匙开关，阻挠别人私行运用；
（2）保险设备，避免作业时体系的维护盖被翻开；
（3）激光发射指示灯，标明激光器是否在作业；
（4）装有急停开关，随时关断激光光束；
（5）在激光器上贴好赤色风险标签和xx（aperature）标签，这类激光反射光束和主光束相同都很风险。（一个1000瓦二氧化碳激光器能够在一块钢板上打孔，设象一下，假如是眼睛会怎么样！）
