激光传感器原理——介绍

　　激光技术和激光器是二十世纪六十年代出现的最重大的科学技术。激光技术与应用的迅猛发展，和多个学科相结合，形成新兴的交叉学科。

　　如光电子学、信息光学、激光光谱学、非线性光学、超快激光学、量子光学、光纤光学、导波光学、激光医学、激光生物学、激光化学等。

　　激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

　　激光传感器由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

　　这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展，使得激光器的应用范围扩展到几乎国民经济的所有领域。本文主要介绍激光传感器的原理。

　　激光传感器原理——原理

　　激光传感器工作时，先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号，并将其转化为相应的电信号。

　　常见的是激光测距传感器，它通过记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离，还有一种是激光位移传感器。

　　激光器按工作物质可分为 4种。①固体激光器：它的工作物质是固体。常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器 (即YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构大致相同，特点是小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到数十兆瓦。②气体激光器：它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形状如普通放电管，特点是输出稳定，单色性好,寿命长,但功率较小，转换效率较低。③液体激光器:它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中最重要的是有机染料激光器，它的最大特点是波长连续可调。④半导体激光器：它是较年轻的一种激光器，其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。

　　激光传感器原理——激光的特点

　　激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1，在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 为普朗克常数，v 为光子频率。反之，在频率为v 的光的诱发下，处于能级E2 的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。

　　激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级(即粒子数反转分布),就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v 的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生大的受激辐射光，简称激光。激光具有3 个重要特性。[1]

　　Ⅰ ：高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。

　　Ⅱ：高单色性，激光的频率宽度比普通光小10 倍以上。

　　Ⅲ：高方向性(即高定向性，光速发散角小)，激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米。

　　激光传感器原理——激光测长

　　现代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。

　　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=λ/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。

　　激光传感器原理——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。

　　激光传感器原理——激光测距

　　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。不久前，真尚有的研发中心研制出的LDM系列测距传感器，可以在数千米测量范围内的精度可以达到微米级别。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。

　　发展前景

　　2008年全球传感器市场容量为506亿美元，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。真尚有公司等世界高端传感器制造商开始进入中国大陆，并且设立了技术开发部门。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。

　　一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。

　　全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。在高端技术传感器领域，真尚有等国际传感器巨头也已经进入国内市场，并直接在中国设立技术研发部。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大。