Принцип і застосування лазерного датчика

Лазерні датчики – це датчики, які використовують лазерну технологію для вимірювання. Він складається з лазера, лазерного детектора та вимірювальної схеми. Лазерний датчик є новим типом вимірювального приладу. Його переваги полягають у тому, що він може здійснювати безконтактні вимірювання на великій відстані, високу швидкість, високу точність, великий діапазон, сильну здатність проти світла та електричних перешкод тощо.
Світло та лазери Лазери були одним із найзначніших наукових і технологічних досягнень, які з'явилися в 1960-х роках. Він швидко розвивався і широко використовувався в різних аспектах, таких як національна оборона, виробництво, медицина та неелектричні вимірювання. На відміну від звичайного світла, лазер потрібно генерувати лазером. Для робочої речовини лазера за нормальних умов більшість атомів знаходяться на стабільному низькоенергетичному рівні E1. Під дією зовнішнього світла відповідної частоти атоми на низькому енергетичному рівні поглинають енергію фотона і збуджуються для переходу на високий енергетичний рівень E2. Енергія фотона E=E2-E1=hv, де h — постійна Планка, а v — частота фотона. Навпаки, під дією світла з частотою v атоми на енергетичному рівні E2 переходитимуть на нижчий енергетичний рівень, вивільняючи енергію та випромінюючи світло, що називається стимульованим випромінюванням. Лазер спочатку перетворює атоми робочої речовини на аномально високий енергетичний рівень (тобто розподіл інверсії населеності), що може зробити процес стимульованого випромінювання домінуючим, так що індуковане світло частоти v посилюється та може проходити через паралельні дзеркала Підсилення лавинного типу формується для генерації потужного стимульованого випромінювання, яке називають лазером.

Лазери мають 3 важливі властивості:
1. Висока спрямованість (тобто висока спрямованість, малий кут розбіжності швидкості світла), діапазон розширення лазерного променя становить лише кілька сантиметрів від кількох кілометрів;
2. Висока монохроматичність, ширина частоти лазера більш ніж у 10 разів менша, ніж у звичайного світла;
3. Висока яскравість, максимальна температура в кілька мільйонів градусів може бути створена за допомогою конвергенції лазерного променя.

За робочою речовиною лазери можна розділити на 4 види:
1. Твердотільний лазер: його робоча речовина тверда. Зазвичай використовуються рубінові лазери, леговані неодимом лазери на ітрій-алюмінієвому гранаті (тобто YAG-лазери) і лазери на неодимовому склі. Вони мають приблизно однакову структуру, характеризуються невеликими розмірами, міцністю та високою потужністю. Лазери на неодимовому склі в даний час є пристроями з найбільшою імпульсною вихідною потужністю, яка досягає десятків мегават.
2. Газовий лазер: робочою речовиною є газ. Зараз існують різні лазери на атомах газу, іонах, парах металів, молекулах газу. Зазвичай використовуються лазери на діоксиді вуглецю, гелій-неонові лазери та лазери на монооксиді вуглецю, які мають форму звичайних газорозрядних трубок і характеризуються стабільним вихідним сигналом, хорошою монохроматичністю та тривалим терміном служби, але з низькою потужністю та низькою ефективністю перетворення.
3. Рідинний лазер: його можна розділити на хелатний лазер, лазер на неорганічній рідині та лазер на органічних барвниках, найважливішим з яких є лазер на органічних барвниках, його найбільшою особливістю є безперервне регулювання довжини хвилі.
4. Напівпровідниковий лазер: це відносно молодий лазер, і більш зрілий лазер GaAs. Він характеризується високою ефективністю, малими розмірами, легкою вагою та простою конструкцією, і підходить для перевезення на літаках, військових кораблях, танках і піхоті. Можна виготовляти далекоміри та приціли. Однак вихідна потужність мала, спрямованість погана, і на неї сильно впливає температура навколишнього середовища.

Застосування лазерних датчиків
Використовуючи характеристики високої спрямованості, високої монохроматичності та високої яскравості лазера, можна реалізувати безконтактне вимірювання на великій відстані. Лазерні датчики часто використовуються для вимірювання фізичних величин, таких як довжина, відстань, вібрація, швидкість і орієнтація, а також для дефектоскопії та моніторингу атмосферних забруднювачів.
Лазерне вимірювання довжини:
Точне вимірювання довжини є однією з ключових технологій у виробництві точних машин і промисловості оптичної обробки. Сучасне вимірювання довжини в основному здійснюється за допомогою явища інтерференції світлових хвиль, і його точність в основному залежить від монохроматичності світла. Лазер є найбільш ідеальним джерелом світла, яке в 100 000 разів чистіше, ніж найкраще монохроматичне джерело світла (криптон-86 лампа) у минулому. Тому діапазон вимірювання довжини лазера великий, а точність висока. Згідно з оптичним принципом, співвідношення між максимальною вимірюваною довжиною L монохроматичного світла, довжиною хвилі Î» і шириною спектральної лінії δ є L=λ/δ. Максимальна довжина, яку можна виміряти криптоновою лампою-86, становить 38,5 см. Для більш довгих об’єктів його необхідно вимірювати в розрізах, що знижує точність. Якщо використовувати гелій-неоновий газовий лазер, він може вимірювати до десятків кілометрів. Зазвичай вимірюють довжину в межах кількох метрів, а її точність може досягати 0,1 мікрона.
Лазерне визначення дальності:
Його принцип такий же, як і у радіолокатора. Після того, як лазер націлений на ціль і запущений, вимірюється час його проходження туди й назад, а потім множиться на швидкість світла, щоб отримати відстань туди й назад. Оскільки лазер має такі переваги, як висока спрямованість, висока монохроматичність і висока потужність, вони дуже важливі для вимірювання великих відстаней, визначення орієнтації цілі, покращення співвідношення сигнал/шум приймальної системи та забезпечення точності вимірювань. . привертала все більше уваги. Розроблений на базі лазерного далекоміра лідар може не тільки вимірювати відстань, а й вимірювати азимут, швидкість і прискорення цілі. РЛС, дальністю від 500 до 2000 кілометрів, похибка становить лише кілька метрів. В даний час рубінові лазери, лазери на неодимовому склі, лазери на вуглекислому газі і лазери на арсеніді галію часто використовуються як джерела світла для лазерних далекомірів.

Лазерне вимірювання вібрації:
x
Лазерне вимірювання швидкості:
Це також метод вимірювання швидкості лазера, заснований на принципі Доплера. Більше використовується лазерний доплерівський витратомір (див. лазерний витратомір), який може вимірювати швидкість повітряного потоку в аеродинамічній трубі, швидкість потоку ракетного палива, швидкість повітряного потоку літака, швидкість атмосферного вітру, розмір частинок і швидкість конвергенції в хімічних реакціях тощо.