Principiul și aplicarea senzorului laser

Senzorii laser sunt senzori care folosesc tehnologia laser pentru a măsura. Este format dintr-un laser, un detector laser și un circuit de măsurare. Senzorul laser este un nou tip de instrument de măsurare. Avantajele sale sunt că poate realiza măsurători fără contact la distanță lungă, viteză rapidă, precizie ridicată, rază mare, capacitate puternică anti-lumină și interferență electrică etc.
Lumină și lasere Laserele au fost una dintre cele mai semnificative realizări științifice și tehnologice apărute în anii 1960. S-a dezvoltat rapid și a fost utilizat pe scară largă în diverse aspecte, cum ar fi apărarea națională, producția, medicina și măsurarea non-electrică. Spre deosebire de lumina obișnuită, un laser trebuie să fie generat de un laser. Pentru substanța de lucru a laserului, în condiții normale, majoritatea atomilor se află într-un nivel stabil de energie scăzută E1. Sub acțiunea luminii externe de frecvență adecvată, atomii din nivelul de energie scăzut absorb energia fotonului și sunt excitați să treacă la nivelul de energie înalt E2. Energia fotonului E=E2-E1=hv, unde h este constanta lui Planck și v este frecvența fotonului. Dimpotrivă, sub inducerea luminii cu frecvența v, atomii de la nivelul de energie E2 vor trece la un nivel de energie mai scăzut pentru a elibera energie și a emite lumină, ceea ce se numește radiație stimulată. Laserul face mai întâi atomii substanței de lucru anormale la un nivel de energie ridicat (adică distribuția inversă a populației), ceea ce poate face ca procesul de radiație stimulat să fie dominant, astfel încât lumina indusă de frecvența v este îmbunătățită și poate trece prin oglinzi paralele Amplificarea de tip avalanșă este formată pentru a genera o radiație puternică stimulată, care este denumită laser.

Laserele au 3 proprietăți importante:
1. Directivitate mare (adică directivitate mare, unghi mic de divergență al vitezei luminii), domeniul de expansiune al fasciculului laser este la doar câțiva centimetri distanță de câțiva kilometri;
2. Monocromaticitate ridicată, lățimea frecvenței laserului este de peste 10 ori mai mică decât cea a luminii obișnuite;
3. Luminozitate ridicată, temperatura maximă de câteva milioane de grade poate fi generată prin utilizarea convergenței fasciculului laser.

Laserele pot fi împărțite în 4 tipuri în funcție de substanța de lucru:
1. Laser cu stare solidă: substanța sa de lucru este solidă. Utilizate în mod obișnuit sunt laserele rubin, laserele granat ytriu aluminiu dopat cu neodim (adică laserele YAG) și laserele cu sticlă neodim. Au aproximativ aceeași structură și se caracterizează prin a fi mici, robuste și de mare putere. Laserele cu neodim-sticlă sunt în prezent dispozitivele cu cea mai mare putere de ieșire a impulsurilor, ajungând la zeci de megawați.
2. Laser cu gaz: substanța sa de lucru este gazul. Acum există diverse lasere cu atomi de gaz, ioni, vapori de metal, molecule de gaz. Utilizate în mod obișnuit sunt laserele cu dioxid de carbon, laserele cu heliu neon și laserele cu monoxid de carbon, care au forma unor tuburi de descărcare obișnuite și se caracterizează prin putere stabilă, monocromaticitate bună și viață lungă, dar cu putere scăzută și eficiență de conversie scăzută.
3. Laser lichid: Poate fi împărțit în laser chelat, laser lichid anorganic și laser cu colorant organic, cel mai important dintre acestea fiind laserul cu colorant organic, cea mai mare caracteristică este că lungimea de undă este reglabilă continuu.
4. Laser semiconductor: Este un laser relativ tânăr, iar cel mai matur este laserul GaAs. Se caracterizează prin eficiență ridicată, dimensiuni mici, greutate ușoară și structură simplă și este potrivit pentru transportul în avioane, nave de război, tancuri și infanterie. Poate fi transformat în telemetre și obiective. Cu toate acestea, puterea de ieșire este mică, direcționalitatea este slabă și este foarte afectată de temperatura ambientală.

Aplicații cu senzori laser
Folosind caracteristicile de directivitate ridicată, monocromaticitate ridicată și luminozitate ridicată ale laserului se poate realiza măsurarea la distanță lungă fără contact. Senzorii laser sunt adesea folosiți pentru măsurarea mărimilor fizice, cum ar fi lungimea, distanța, vibrația, viteza și orientarea, precum și pentru detectarea defectelor și monitorizarea poluanților atmosferici.
Măsurarea lungimii cu laser:
Măsurarea precisă a lungimii este una dintre tehnologiile cheie în industria de fabricare a mașinilor de precizie și industria de prelucrare optică. Măsurarea modernă a lungimii este efectuată în principal prin utilizarea fenomenului de interferență al undelor luminoase, iar acuratețea acesteia depinde în principal de monocromaticitatea luminii. Laserul este cea mai ideală sursă de lumină, care este de 100.000 de ori mai pură decât cea mai bună sursă de lumină monocromatică (lampa krypton-86) din trecut. Prin urmare, intervalul de măsurare a lungimii laserului este mare și precizia este mare. Conform principiului optic, relația dintre lungimea maximă măsurabilă L a luminii monocromatice, lungimea de undă λ și lățimea liniei spectrale δ este L=λ/δ. Lungimea maximă care poate fi măsurată cu o lampă krypton-86 este de 38,5 cm. Pentru obiectele mai lungi, trebuie măsurat în secțiuni, ceea ce reduce precizia. Dacă se folosește un laser cu gaz heliu-neon, acesta poate măsura până la zeci de kilometri. În general, măsurați lungimea în câțiva metri, iar precizia acesteia poate ajunge la 0,1 microni.
Gama cu laser:
Principiul său este același cu cel al radarului radio. După ce laserul este îndreptat spre țintă și lansat, timpul său dus-întors este măsurat și apoi înmulțit cu viteza luminii pentru a obține distanța dus-întors. Deoarece laserul are avantajele de directivitate ridicată, monocromaticitate ridicată și putere mare, acestea sunt foarte importante pentru măsurarea distanțelor lungi, determinarea orientării țintei, îmbunătățirea raportului semnal-zgomot al sistemului de recepție și asigurarea preciziei măsurării. . a primit din ce în ce mai multă atenție. Lidarul dezvoltat pe baza telemetrului laser poate măsura nu numai distanța, ci și azimutul, viteza și accelerația țintei. Radar, variind de la 500 la 2000 de kilometri, eroarea este de doar câțiva metri. În prezent, laserele rubin, laserele din sticlă neodim, laserele cu dioxid de carbon și laserele cu arseniură de galiu sunt adesea folosite ca surse de lumină pentru telemetrul cu laser.

Măsurarea vibrațiilor cu laser:
x
Măsurarea vitezei cu laser:
Este, de asemenea, o metodă de măsurare a vitezei laser bazată pe principiul Doppler. Debitmetrul laser Doppler (vezi debitmetrul laser) este folosit mai mult, care poate măsura viteza fluxului de aer în tunelul de vânt, viteza fluxului de combustibil al rachetei, viteza fluxului de aer cu jet de avion, viteza vântului atmosferic și dimensiunea particulelor și viteza de convergență în reacții chimice etc.