Principen och tillämpningen av lasersensor

Lasersensorer är sensorer som använder laserteknik för att mäta. Den består av en laser, en laserdetektor och en mätkrets. Lasersensor är en ny typ av mätinstrument. Dess fördelar är att den kan realisera beröringsfri långdistansmätning, snabb hastighet, hög precision, stort räckvidd, stark anti-ljus och elektrisk störningsförmåga, etc.
Ljus och laser Lasrar var en av de viktigaste vetenskapliga och tekniska landvinningarna som växte fram på 1960-talet. Den har utvecklats snabbt och har använts i stor utsträckning inom olika aspekter som nationellt försvar, produktion, medicin och icke-elektrisk mätning. Till skillnad från vanligt ljus måste en laser genereras av en laser. För laserns arbetssubstans, under normala förhållanden, är de flesta atomer i en stabil lågenerginivå E1. Under inverkan av externt ljus med lämplig frekvens absorberar atomerna i den låga energinivån fotonenergin och exciteras till övergången till den höga energinivån E2. Fotonenergin E=E2-E1=hv, där h är Plancks konstant och v är fotonfrekvensen. Omvänt, under induktion av ljus med frekvens v, kommer atomer på energinivå E2 att övergå till en lägre energinivå för att frigöra energi och avge ljus, vilket kallas stimulerad strålning. Lasern gör först atomerna i det arbetande ämnet onormalt i en hög energinivå (det vill säga populationsinversionsfördelningen), vilket kan göra den stimulerade strålningsprocessen dominerande, så att det inducerade ljuset med frekvensen v förstärks och kan passera igenom parallella speglar Den lavinliknande förstärkningen är formad för att generera kraftfull stimulerad strålning, som kallas laser.

Lasrar har 3 viktiga egenskaper:
1. Hög riktningsförmåga (det vill säga hög riktning, liten divergensvinkel för ljusets hastighet), laserstrålens expansionsområde är bara några centimeter från några kilometer;
2. Hög monokromaticitet, laserns frekvensbredd är mer än 10 gånger mindre än för vanligt ljus;
3. Hög ljusstyrka, den maximala temperaturen på flera miljoner grader kan genereras genom användning av laserstrålekonvergens.

Lasrar kan delas in i 4 typer beroende på arbetsämnet:
1. Solid-state laser: Dess arbetssubstans är fast. Vanligtvis används rubinlasrar, neodymdopade yttriumaluminiumgranatlasrar (dvs. YAG-lasrar) och neodymglaslasrar. De har ungefär samma struktur och kännetecknas av att de är små, robusta och kraftfulla. Neodymium-glaslasrar är för närvarande de enheter som har den högsta pulsutgångseffekten och når tiotals megawatt.
2. Gaslaser: dess arbetssubstans är gas. Nu finns det olika gasatomer, joner, metallångor, gasmolekyllasrar. Vanligtvis används koldioxidlasrar, heliumneonlasrar och kolmonoxidlasrar, som är formade som vanliga urladdningsrör och kännetecknas av stabil uteffekt, god monokromaticitet och lång livslängd, men med låg effekt och låg omvandlingseffektivitet.
3. Vätskelaser: Den kan delas in i kelatlaser, oorganisk vätskelaser och organisk färglaser, varav den viktigaste är organisk färglaser, dess största egenskap är att våglängden är kontinuerligt justerbar.
4. Halvledarlaser: Det är en relativt ung laser, och den mer mogen är GaAs-lasern. Den kännetecknas av hög effektivitet, liten storlek, lätt vikt och enkel struktur, och är lämplig att bära på flygplan, krigsfartyg, stridsvagnar och infanteri. Kan göras till avståndsmätare och sevärdheter. Uteffekten är dock liten, riktningsförmågan är dålig och den påverkas kraftigt av omgivningstemperaturen.

Lasersensorapplikationer
Genom att använda egenskaperna för hög riktning, hög monokromaticitet och hög ljusstyrka hos lasern kan man realisera beröringsfri långdistansmätning. Lasersensorer används ofta för mätning av fysiska storheter som längd, avstånd, vibrationer, hastighet och orientering, samt för feldetektering och övervakning av atmosfäriska föroreningar.
Laserlängdsmätning:
Exakt längdmätning är en av nyckelteknologierna inom tillverkningsindustrin för precisionsmaskiner och den optiska bearbetningsindustrin. Modern längdmätning utförs mestadels med hjälp av interferensfenomenet ljusvågor, och dess noggrannhet beror huvudsakligen på ljusets monokromaticitet. Laser är den mest idealiska ljuskällan, som är 100 000 gånger renare än den bästa monokromatiska ljuskällan (krypton-86-lampa) tidigare. Därför är laserlängdmätområdet stort och precisionen hög. Enligt den optiska principen är förhållandet mellan den maximala mätbara längden L av monokromatiskt ljus, våglängden λ och den spektrala linjebredden δ L=λ/δ. Den maximala längden som kan mätas med en krypton-86 lampa är 38,5 cm. För längre föremål behöver det mätas i sektioner, vilket minskar noggrannheten. Om en helium-neongaslaser används kan den mäta upp till tiotals kilometer. Mät i allmänhet längden inom några meter, och dess noggrannhet kan nå 0,1 mikron.
Laseravstånd:
Dess princip är densamma som för radioradar. Efter att lasern har riktats mot målet och avfyrats, mäts dess tur och retur-tid och multipliceras sedan med ljusets hastighet för att erhålla avståndet tur och retur. Eftersom lasern har fördelarna med hög riktning, hög monokromaticitet och hög effekt, är dessa mycket viktiga för att mäta långa avstånd, bestämma målets orientering, förbättra signal-brusförhållandet i det mottagande systemet och säkerställa mätnoggrannheten. . fick allt mer uppmärksamhet. Den lidar som utvecklats på basis av laseravståndsmätaren kan inte bara mäta avståndet, utan också mäta målets azimut, hastighet och acceleration. Radar, som sträcker sig från 500 till 2000 kilometer, felet är bara några meter. För närvarande används ofta rubinlasrar, neodymglaslasrar, koldioxidlasrar och galliumarsenidlasrar som ljuskällor för laseravståndsmätare.

Laservibrationsmätning:
x
Laserhastighetsmätning:
Det är också en laserhastighetsmätningsmetod baserad på Dopplerprincipen. Laser-dopplerflödesmätaren (se laserflödesmätare) används mer, som kan mäta vindtunnelns luftflödeshastighet, raketbränsleflödeshastighet, flygplans jetluftflödeshastighet, atmosfärisk vindhastighet och partikelstorlek och konvergenshastighet i kemiska reaktioner, etc.