激光传感器的工作原理及主要用途

激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器，它能把被测物理量（如长度，流量，速度等）转换成光信号，然后应用光电转换器把光信号变成电信号，通过相应电路的过滤、放大，整流得到输出信号，从而算出被测量。激光传感器的发展迅速，在现代科技、医疗、汽车方面都运用广泛。本篇主要介绍激光传感器的工作原理及主要用途，如果您对涉及的内容感兴趣的话，那就继续往下阅读吧。

激光传感器工作原理

激光传感器工作时，激光发射二极管首先对准目标发射激光脉冲。激光被目标反射后向四面八方散射。部分散射光返回传感器接收器，被光学系统接收后在雪崩光电二极管上成像。雪崩光电二极管是一种具有内部放大功能的光学传感器，因此可以检测极微弱的光信号并将其转换为相应的电信号。最常见的是激光测距传感器，它可以通过记录和处理从发出光脉冲到接收到光脉冲的时间来确定目标距离。由于光速太快，激光传感器可以准确测量传输时间。

比如光速大约是3*10^8m/s。为了达到1mm的分辨率，传输时间测距传感器的电子电路可以区分以下极短的时间：0.001m/(3*10^8m/s)=3ps，需要区分3ps的时间，即对电子技术要求太高，实现成本太高。但是今天的激光测距传感器巧妙地避开了这个障碍，采用了一个简单的统计原理，即平均法实现了1mm的分辨率，并且可以保证响应速度。

激光传感器的主要用途

1、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=λ2/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。

2、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。目前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。

3、激光测厚

利用三角测距原理，上位于C型架的上、下方分割有一个精密激光测距传感器，由激光器发射出的调制激光打到被测物的表面，通过对线阵 CCD的信号进行采样处理，线阵CCD摄像机在控制电路的控制下同步得到被测物到C型架之间的距离，通过传感器反馈的数据来计算中间被测物的厚度。由于检测是连续进行的，因此就可以得到被测物的连续动态厚度值。

激光测厚的分类：

1）单激光位移传感器测厚 

被测体放在测量平台上，测量出传感器到平台表面距离，然后再测出传感器到被测体表面间距，经计算后测出厚度。要求被测体与测量平台之间无气隙，被测体无翘起。这些严格要求只有在离线情况能实现。 

2）双激光位移传感器测厚

在被测体上方和下方各安装一个激光位移传感器，被测体厚度D=C-(A+B)。其中，C是两个传感器之间距离，A是上面传感器到被测体之间距离，B是下面传感器到被测体之间距离。在线厚度测量用这种方法优点是可消除被测体振动对测量结果的影响。但同时对传感器安装和性能有要求。保证测量准确性的条件是：两个传感器发射光束必须同轴，以及两个传感器扫描必须同步。同轴是靠安装实现，而同步要靠选择有同步端激光传感器。

4、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。

5、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，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。

总结，激光传感器的用途广泛，它可以利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点从而实现无接触远距离测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等，因此也受到了很多人的青睐，是一项非常使用的技术，深入专研或可以发现更多的奥秘，造福各行各业。