激光技術(shù)與應(yīng)用的迅猛發(fā)展，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合，形成新興的交叉學(xué)科，如光電子學(xué)、信息光學(xué)、激光光譜學(xué)、非線性光學(xué)、超快激光學(xué)、量子光學(xué)、光纖光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、激光醫(yī)學(xué)、激光生物學(xué)、激光化學(xué)等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得激光器的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到幾乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域。

激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器，一般是由激光器，光學(xué)零件，和光電器件所構(gòu)成的，它能把被測(cè)物理量（如長(zhǎng)度，流量，速度等）轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，然后應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器把光信號(hào)變成電信號(hào)，通過相應(yīng)電路的過濾，放大，整流得到輸出信號(hào)，從而算出被測(cè)量。

激光式傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)，原理簡(jiǎn)單可靠，抗干擾能力強(qiáng)，適應(yīng)于各種惡劣的工作環(huán)境，分辨率較高（如在測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)能達(dá)到幾個(gè)納米），示值誤差小，穩(wěn)定性好，宜用于快速測(cè)量。

什么是激光

激光與普通光不同，需要用激光器產(chǎn)生。激光器的工作物質(zhì)，在正常狀態(tài)下，多數(shù)原子處于穩(wěn)定的低能級(jí)E1，在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級(jí)的原子吸收光子能量激發(fā)而躍遷到高能級(jí)E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 為普朗克常數(shù)，v 為光子頻率。反之，在頻率為v 的光的誘發(fā)下，處于能級(jí)E2 的原子會(huì)躍遷到低能級(jí)釋放能量而發(fā)光，稱為受激輻射。激光器首先使工作物質(zhì)的原子反常地多數(shù)處于高能級(jí)（即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布),就能使受激輻射過程占優(yōu)勢(shì)，從而使頻率為v 的誘發(fā)光得到增強(qiáng)，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產(chǎn)生大的受激輻射光，簡(jiǎn)稱激光。

激光的重要特性

1、 高方向性（即高定向性，光速發(fā)散角小），激光束在幾公里外的擴(kuò)展范圍不過幾厘米。

2、高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10 倍以上。

3、高亮度，利用激光束會(huì)聚最高可產(chǎn)生達(dá)幾百萬度的溫度。

激光的種類

激光器按工作物質(zhì)可分為4種：

1、固體激光器

它的工作物質(zhì)是固體。常用的有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器(即YAG激光器)和釹玻璃激光器等。它們的結(jié)構(gòu)大致相同，特點(diǎn)是小而堅(jiān)固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達(dá)到數(shù)十兆瓦。

2、氣體激光器

它的工作物質(zhì)為氣體?，F(xiàn)已有各種氣體原子、離子、金屬蒸氣、氣體分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形狀如普通放電管，特點(diǎn)是輸出穩(wěn)定，單色性好,壽命長(zhǎng),但功率較小，轉(zhuǎn)換效率較低。

3、液體激光器

它又可分為螯合物激光器、無機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中最重要的是有機(jī)染料激光器，它的最大特點(diǎn)是波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。

4、半導(dǎo)體激光器

它是較年輕的一種激光器，其中較成熟的是砷化鎵激光器。特點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜于在飛機(jī)、軍艦、坦克上以及步兵隨身攜帶。可制成測(cè)距儀和瞄準(zhǔn)器。但輸出功率較小、定向性較差、受環(huán)境溫度影響較大。

激光傳感器特性及用途

激光測(cè)長(zhǎng)

精密測(cè)量長(zhǎng)度是精密機(jī)械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。現(xiàn)代長(zhǎng)度計(jì)量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進(jìn)行的，其精度主要取決于光的單色性的好壞。激光是最理想的光源，它比以往最好的單色光源（氪-86燈）還純10萬倍。因此激光測(cè)長(zhǎng)的量程大、精度高。由光學(xué)原理可知單色光的最大可測(cè)長(zhǎng)度 L與波長(zhǎng)λ和譜線寬度δ之間的關(guān)系是L=λ2/δ。用氪－86燈可測(cè)最大長(zhǎng)度為38.5厘米，對(duì)于較長(zhǎng)物體就需分段測(cè)量而使精度降低。若用氦氖氣體激光器，則最大可測(cè)幾十公里。一般測(cè)量數(shù)米之內(nèi)的長(zhǎng)度，其精度可達(dá)0.1微米。

激光測(cè)距

它的原理與無線電雷達(dá)相同，將激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測(cè)量它的往返時(shí)間，再乘以光速即得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點(diǎn)，這些對(duì)于測(cè)遠(yuǎn)距離、判定目標(biāo)方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保證測(cè)量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測(cè)距儀日益受到重視。在激光測(cè)距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光雷達(dá)不僅能測(cè)距，而且還可以測(cè)目標(biāo)方位、運(yùn)運(yùn)速度和加速度等，已成功地用于人造衛(wèi)星的測(cè)距和跟蹤，例如采用紅寶石激光器的激光雷達(dá)，測(cè)距范圍為500～2000公里,誤差僅幾米。目前常采用紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化鎵激光器作為激光測(cè)距儀的光源。

激光測(cè)厚

利用三角測(cè)距原理，上位于C型架的上、下方分割有一個(gè)精密激光測(cè)距傳感器，由激光器發(fā)射出的調(diào)制激光打到被測(cè)物的表面，通過對(duì)線陣 CCD的信號(hào)進(jìn)行采樣處理，線陣CCD攝像機(jī)在控制電路的控制下同步得到被測(cè)物到C型架之間的距離，通過傳感器反饋的數(shù)據(jù)來計(jì)算中間被測(cè)物的厚度。由于檢測(cè)是連續(xù)進(jìn)行的，因此就可以得到被測(cè)物的連續(xù)動(dòng)態(tài)厚度值。

1、單激光位移傳感器測(cè)厚

被測(cè)體放在測(cè)量平臺(tái)上，測(cè)量出傳感器到平臺(tái)表面距離，然后再測(cè)出傳感器到被測(cè)體表面間距，經(jīng)計(jì)算后測(cè)出厚度。要求被測(cè)體與測(cè)量平臺(tái)之間無氣隙，被測(cè)體無翹起。這些嚴(yán)格要求只有在離線情況能實(shí)現(xiàn)。

2、雙激光位移傳感器測(cè)厚

在被測(cè)體上方和下方各安裝一個(gè)激光位移傳感器，被測(cè)體厚度D=C-(A+B)。其中，C是兩個(gè)傳感器之間距離，A是上面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y(cè)體之間距離，B是下面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y(cè)體之間距離。在線厚度測(cè)量用這種方法優(yōu)點(diǎn)是可消除被測(cè)體振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。但同時(shí)對(duì)傳感器安裝和性能有要求。保證測(cè)量準(zhǔn)確性的條件是：兩個(gè)傳感器發(fā)射光束必須同軸，以及兩個(gè)傳感器掃描必須同步。同軸是靠安裝實(shí)現(xiàn)，而同步要靠選擇有同步端激光傳感器。

激光測(cè)振

它基于多普勒原理測(cè)量物體的振動(dòng)速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的觀察者相對(duì)于傳播波的媒質(zhì)而運(yùn)動(dòng)，那么觀察者所測(cè)到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動(dòng)頻率而且還取決于波源或觀察者的運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向。所測(cè)頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動(dòng)方向與方向一致時(shí)多普頻移fd=v/λ，式中v 為振動(dòng)速度、λ為波長(zhǎng)。在激光多普勒振動(dòng)速度測(cè)量?jī)x中，由于光往返的原因,fd =2v/λ。這種測(cè)振儀在測(cè)量時(shí)由光學(xué)部分將物體的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的多普勒頻移,并由光檢測(cè)器將此頻移轉(zhuǎn)換為電信號(hào),再由電路部分作適當(dāng)處理后送往多普勒信號(hào)處理器將多普勒頻移信號(hào)變換為與振動(dòng)速度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，最后記錄于磁帶。這種測(cè)振儀采用波長(zhǎng)為6328埃(┱)的氦氖激光器，用聲光調(diào)制器進(jìn)行光頻調(diào)制，用石英晶體振蕩器加功率放大電路作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)源，用光電倍增管進(jìn)行光電檢測(cè)，用頻率跟蹤器來處理多普勒信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，不需要固定參考系,不影響物體本身的振動(dòng),測(cè)量頻率范圍寬、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大。缺點(diǎn)是測(cè)量過程受其他雜散光的影響較大。

激光測(cè)速

它也是基多普勒原理的一種激光測(cè)速方法,用得較多的是激光多普勒流速計(jì)，它可以測(cè)量風(fēng)洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風(fēng)速和化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。

多普勒測(cè)速系統(tǒng)原理：

從開過來的機(jī)車所聽到的聲波間的距離被壓縮了，就好像一個(gè)人正在關(guān)手風(fēng)琴。這個(gè)動(dòng)作的結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)明顯的較高的音調(diào)。當(dāng)火車離去時(shí)，聲波傳播開來，就出現(xiàn)了較低的聲音--這種現(xiàn)象被稱為“多普勒”效應(yīng)。

檢查機(jī)動(dòng)車速度的雷達(dá)測(cè)速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。從測(cè)速儀里射出一束射線，射到汽車上再返回測(cè)速儀。測(cè)速儀里面的微型信息處理機(jī)把返回的波長(zhǎng)與原波長(zhǎng)進(jìn)行比較。返回波長(zhǎng)越緊密，前進(jìn)的汽車速度也越快--那就證明駕駛員超速駕駛的可能性也越大。

激光多普勒測(cè)速儀是測(cè)量通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號(hào)，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到速度。由于是激光測(cè)量，對(duì)于流場(chǎng)沒有干擾，測(cè)速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點(diǎn)的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前世界上速度測(cè)量精度最高的儀器。

多普勒測(cè)速工作原理可以用干涉條紋來說明。當(dāng)聚焦透鏡把兩束入射光以某角會(huì)聚后，由干激光束良好的相干性，在會(huì)聚點(diǎn)上形成明暗相間的干涉條紋，條紋間隔正比干光波波長(zhǎng)，而反比干半交角的正弦值。當(dāng)流體中的粒子從條紋區(qū)的方向經(jīng)過時(shí)，會(huì)依次散射出光強(qiáng)隨時(shí)間變化的一列散射光波，稱為多普勒信號(hào)。這列光波強(qiáng)度變化的頻率稱為多普勒頻移。經(jīng)過條紋區(qū)粒子的速度愈高，多普勒頻移就愈高。將垂直于條紋方向上的粒子速度，除以條紋間隔，考慮到流體的折射率就能得到多普勒頻移與流體速度之間線性關(guān)系。多普勒測(cè)速系統(tǒng)就是利用速度與多譜勒頻移的線性關(guān)系來確定速度的。各個(gè)方向上的多普勒頻率的相位差和粒子的直徑成正比，利用監(jiān)測(cè)到的相位差可以來確定粒徑。

兩種激光傳感器主要原理和應(yīng)用

利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光傳感器常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測(cè)量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)等?？傊す鈧鞲衅鞯膽?yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛了，下面介紹兩種激光傳感器主要原理和應(yīng)用。

激光位移傳感器

激光位移傳感器能夠利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光位移傳感器(磁致伸縮位移傳感器)就是利用激光的這些優(yōu)點(diǎn)制成的新型測(cè)量?jī)x表，它的出現(xiàn)，使位移測(cè)量的精度、可靠性得到極大的提高，也為非接觸位移測(cè)量提供了有效的測(cè)量方法。

激光三角法測(cè)量原理

半導(dǎo)體激光器1被鏡片2聚焦到被測(cè)物體6。反射光被鏡片3收集，投射到CCD陣列4上；信號(hào)處理器5通過三角函數(shù)計(jì)算陣列4上的光點(diǎn)位置得到距物體的距離。

激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接受器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接受，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度即知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物之間的距離。

同時(shí)，光束在接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，并通過微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)。如果使用開關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口內(nèi)導(dǎo)通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關(guān)量輸出可設(shè)置獨(dú)立檢測(cè)窗口。

激光回波分析法測(cè)量原理

激光位移傳感器采用回波分析原理來測(cè)量距離可以達(dá)到一定程度的精度。傳感器內(nèi)部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接受器等部分組成。激光位移傳感器通過激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬個(gè)脈沖到檢測(cè)物并返回至接收器，處理器計(jì)算激光脈沖遇到檢測(cè)物并返回接收器所需時(shí)間，以此計(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出。

激光位移傳感器的應(yīng)用

1、尺寸測(cè)定：微小零件的位置識(shí)別;傳送帶上有無零件的監(jiān)測(cè);材料重疊和覆蓋的探測(cè);機(jī)械手位置(工具中心位置)的控制;器件狀態(tài)檢測(cè);器件位置的探測(cè)(通過小孔);液位的監(jiān)測(cè);厚度的測(cè)量;振動(dòng)分析;碰撞試驗(yàn)測(cè)量;汽車相關(guān)試驗(yàn)等。

2、金屬薄片和薄板的厚度測(cè)量：激光傳感器測(cè)量金屬薄片(薄板)的厚度。厚度的變化檢出可以幫助發(fā)現(xiàn)皺紋，小洞或者重疊，以避免機(jī)器發(fā)生故障。

3、氣缸筒的測(cè)量，同時(shí)測(cè)量：角度，長(zhǎng)度，內(nèi)、外直徑偏心度，圓錐度，同心度以及表面輪廓。

4、長(zhǎng)度的測(cè)量：將測(cè)量的組件放在指定位置的輸送帶上，激光傳感器檢測(cè)到該組件并與觸發(fā)的激光掃描儀同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，最后得到組件的長(zhǎng)度。

5、均勻度的檢查：在要測(cè)量的工件運(yùn)動(dòng)的傾斜方向一行放幾個(gè)激光傳感器，直接通過一個(gè)傳感器進(jìn)行度量值的輸出，另外也可以用一個(gè)軟件計(jì)算出度量值，并根據(jù)信號(hào)或數(shù)據(jù)讀出結(jié)果。

6、電子元件的檢查：用兩個(gè)激光掃描儀，將被測(cè)元件擺放在兩者之間，最后通過傳感器讀出數(shù)據(jù)，從而檢測(cè)出該元件尺寸的精確度及完整性。

7、生產(chǎn)線上灌裝級(jí)別的檢查：激光傳感器集成到灌裝產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中，當(dāng)灌裝產(chǎn)品經(jīng)過傳感器時(shí)，就可以檢測(cè)到是否填充滿。傳感器用激光束反射表面的擴(kuò)展程序就能精確的識(shí)別灌裝產(chǎn)品填充是否合格以及產(chǎn)品的數(shù)量。

激光測(cè)距傳感器

激光測(cè)距傳感器的原理與無線雷達(dá)相同，將激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測(cè)量它的往返時(shí)間，再乘以光速既得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點(diǎn)，這些對(duì)于測(cè)遠(yuǎn)距離、判定目標(biāo)方位、提高接受系統(tǒng)的性噪比、保證測(cè)量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測(cè)距儀日益受到重視。

激光測(cè)距傳感器原理

激光測(cè)距實(shí)際上是一種主動(dòng)光學(xué)探測(cè)方法。主動(dòng)光學(xué)探測(cè)的探測(cè)機(jī)制是：由探測(cè)系統(tǒng)向目標(biāo)發(fā)射波束（在光學(xué)探測(cè)中，一般是紅外或者可見光），波束被目標(biāo)表面放射產(chǎn)生回波信號(hào)?；夭ㄐ盘?hào)中直接或簡(jiǎn)介地包含待測(cè)信息。接收與信號(hào)處理系統(tǒng)通過接收和分析回波信號(hào)，獲得被測(cè)量。

上圖為脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)簡(jiǎn)圖，其工作原理如下：

人機(jī)操作發(fā)出測(cè)距指令，出發(fā)激光器發(fā)出激光脈沖，一小部分能量透過分束片，作為參考脈沖直接送到脈沖采集系統(tǒng)，作為計(jì)時(shí)的起始點(diǎn)，啟動(dòng)數(shù)字式測(cè)距計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)：另一部分由折射棱鏡放射，射向目標(biāo)。一般發(fā)射前端有望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)，為的是減少出射光束的發(fā)散角，以提高光能面密度，增大工作距離，還可以減少背景和周圍非目標(biāo)標(biāo)物的干擾。到達(dá)目標(biāo)的激光束有一部分被表面漫反射回到測(cè)距儀；經(jīng)接收物鏡和光學(xué)濾波器，到達(dá)探測(cè)器APD，窄帶光學(xué)濾波器的主要作用是充分利用激光優(yōu)良的單色性，提高系統(tǒng)的信噪比；光探測(cè)器APD將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后將電信號(hào)進(jìn)行信號(hào)放大、濾波整形。整形后的回波信號(hào)關(guān)閉時(shí)間間隔處理模塊，使其停止計(jì)時(shí)。這樣，根據(jù)時(shí)間間隔處理的結(jié)果t即可計(jì)算出待測(cè)目標(biāo)的距離L為：

激光測(cè)距傳感器的應(yīng)用

汽車防撞探測(cè)器

一般來說，大多數(shù)現(xiàn)有汽車碰撞預(yù)防系統(tǒng)的激光測(cè)距傳感器使用激光光束以不接觸方式用于識(shí)別汽車在前或者在后形勢(shì)的目標(biāo)汽車之間的距離，當(dāng)汽車間距小于預(yù)定安全距離時(shí)，汽車防碰撞系統(tǒng)對(duì)汽車進(jìn)行緊急剎車，或者對(duì)司機(jī)發(fā)出報(bào)警，或者綜合目標(biāo)汽車速度、車距、汽車制動(dòng)距離、響應(yīng)時(shí)間等對(duì)汽車行駛進(jìn)行即時(shí)的判斷和響應(yīng)，可以大量的減少行車事故。在高速公路上使用，其優(yōu)點(diǎn)更加明顯。

車流量監(jiān)控

如圖所示，這種使用方式一般固定到高速或者重要路口的龍門架上，激光發(fā)射和接收垂直地面向下，對(duì)準(zhǔn)一條車道的中間位置，當(dāng)有車輛通行時(shí)，激光測(cè)距傳感器能實(shí)時(shí)輸出所測(cè)得的距離值的相對(duì)改變值，進(jìn)而描繪出所測(cè)車的輪廓。這種測(cè)量方式一般使用測(cè)距范圍小于30米即可，且要求激光測(cè)距速率比較高，一般要求能達(dá)到100赫茲就可以了。這對(duì)于在重要路段監(jiān)控可以達(dá)到很好的效果，能夠區(qū)分各種車型，對(duì)車身高度掃描的采樣率可以達(dá)到10厘米一個(gè)點(diǎn)（在40Km/h時(shí)，采樣率為11厘米一個(gè)點(diǎn)）。對(duì)車流限高，限長(zhǎng)，車輛分型等都能實(shí)時(shí)分辨，并能快速輸出結(jié)果。