•                            激光傳感器

  
  

     激光傳感器：利用激光技術(shù)進(jìn)行測量的傳感器。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。

主要分類

     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。現(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,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。 

工作原理

      激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號。 　常見的是激光測距傳感器，它通過記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測定目標(biāo)距離。激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時(shí)間，因?yàn)楣馑偬臁?/span>

例如，光速約為3*10^8m/s，要想使分辨率達(dá)到1mm，則傳輸時(shí)間測距傳感器的電子電路必須能分辨出以下極短的時(shí)間：

0.001m/(3*10^8m/s)=3ps

要分辨出3ps的時(shí)間，這是對電子技術(shù)提出的過高要求，實(shí)現(xiàn)起來造價(jià)太高。但是如今的激光測距傳感器巧妙地避開了這一障礙，利用一種簡單的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，即平均法則實(shí)現(xiàn)了1mm的分辨率，并且能保證響應(yīng)速度。 

主要功能

    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)距離測量。激光傳感器常用于長度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測等。

激光測長

     精密測量長度是精密機(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。因此激光測長的量程大、精度高。由光學(xué)原理可知單色光的最大可測長度L與波長λ和譜線寬度δ之間的關(guān)系是L=λ/δ。用氪－86燈可測最大長度為38.5厘米，對于較長物體就需分段測量而使精度降低。若用氦氖氣體激光器，則最大可測幾十公里。一般測量數(shù)米之內(nèi)的長度，其精度可達(dá)0.1微米。

激光測距

    它的原理與無線電雷達(dá)相同，將激光對準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測量它的往返時(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)，這些對于測遠(yuǎn)距離、判定目標(biāo)方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保證測量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測距儀日益受到重視。在激光測距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光雷達(dá)不僅能測距，而且還可以測目標(biāo)方位、運(yùn)運(yùn)速度和加速度等，已成功地用于人造衛(wèi)星的測距和跟蹤，例如采用紅寶石激光器的激光雷達(dá)，測距范圍為500～2000公里,誤差僅幾米。不久前，真尚有的研發(fā)中心研制出的LDM系列測距傳感器，可以在數(shù)千米測量范圍內(nèi)的精度可以達(dá)到微米級別。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距儀的光源。

激光測振

      它基于多普勒原理測量物體的振動(dòng)速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的觀察者相對于傳播波的媒質(zhì)而運(yùn)動(dòng)，那么觀察者所測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。在激光多普勒振動(dòng)速度測量儀中，由于光往返的原因,fd =2v/λ。這種測振儀在測量時(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,并由光檢測器將此頻移轉(zhuǎn)換為電信號,再由電路部分作適當(dāng)處理后送往多普勒信號處理器將多普勒頻移信號變換為與振動(dòng)速度相對應(yīng)的電信號，最后記錄于磁帶。這種測振儀采用波長為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，用頻率跟蹤器來處理多普勒信號。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),測量頻率范圍寬、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大。缺點(diǎn)是測量過程受其他雜散光的影響較大。

激光測速

    它也是基多普勒原理的一種激光測速方法,用得較多的是激光多普勒流速計(jì)(見激光流量計(jì)),它可以測量風(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。 [4] 

應(yīng)用案例

    車輛寬高的超限檢測

    采用激光傳感器進(jìn)行快速測量，利用PC工控機(jī)和可視化編程軟件VB的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)核與傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸及處理，同時(shí)還設(shè)計(jì)了界面友好的上位機(jī)控制軟件。現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、測量精度高，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

    高速公路收費(fèi)站

    用于高速公路收費(fèi)站，以進(jìn)行車輛的計(jì)數(shù)及安全保護(hù)。馬來西亞Teras公司就已將上百套BEA激光傳感器應(yīng)用于其手動(dòng)和自動(dòng)收費(fèi)站系統(tǒng)。激光傳感器采用飛行時(shí)間（TOF）測量原理，可在檢測區(qū)域內(nèi)形成4個(gè)平面，以對車輛進(jìn)行檢測，同時(shí)，該產(chǎn)品還具有防追尾、車輛安全保護(hù)等功能。激光傳感器較之傳統(tǒng)光幕具有靈敏度高、精確性高、安裝方便、性價(jià)比高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)勢。 

谷歌第二代無人車：配備激光傳感器

谷歌第二代無人駕駛車原型車除了

    頂部的激光傳感器依然相當(dāng)明顯，其他傳感器都設(shè)置得非常隱蔽。

    車輛的前后方和兩側(cè)都貼有明顯的谷歌無人車標(biāo)志。谷歌無人車的控制駕駛原理是通過車子四周安裝的諸多傳感器，持續(xù)不斷地收集車輛本身以及四周的各種精確數(shù)據(jù)，通過車內(nèi)的處理器進(jìn)行分析和運(yùn)算，再根據(jù)計(jì)算結(jié)果來控制車子行駛。無人車會(huì)借助GPS設(shè)備與傳感器，精準(zhǔn)定位車輛位置以及前行速度，判斷周圍的行人、車輛、自行車、信號燈以及諸多其他物體。

     在這輛雷克薩斯的車頂帶有一個(gè)360°旋轉(zhuǎn)的激光全息傳感器，可以幾乎同時(shí)感應(yīng)到車子前、側(cè)與后方的狀況。傳感器收集的數(shù)據(jù)會(huì)通過綠色的數(shù)據(jù)線，輸入到位于車輛右后側(cè)的處理器中。這個(gè)激光傳感器也可以讓無人車進(jìn)行全球精準(zhǔn)定位。車前原本L型的雷克薩斯車標(biāo)也被拆除，取而代之的是一個(gè)雷達(dá)傳感器；用于測量前方距離以及車輛速度，以便判別前方車況，控制車輛安全加速與減速。

    車胎輪轂上也帶有位置傳感器，用于探測車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，幫助車輛進(jìn)行定位。谷歌無人車的心臟——處理器位于車輛的右后側(cè)，來自各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)信息都會(huì)通過數(shù)據(jù)導(dǎo)線傳輸?shù)竭@里，通過軟件進(jìn)行分析和處理，以便精確傳感與判斷無人車附近的不同物體。除了分析和判斷無人車周圍物體當(dāng)前的位置，無人車還需要通過軟件進(jìn)行計(jì)算，準(zhǔn)確預(yù)判每個(gè)物體可能的下一步位置。最后無人車會(huì)根據(jù)所有收集的數(shù)據(jù)做出安全駕駛的決策，包括控制車速以及周圍車距。