激光傳感器特性及應(yīng)用講解

1、東北電力大學儀器儀表新技術(shù)作業(yè)激光傳感器特性及應(yīng)用學生姓名：應(yīng)力班級：測控071班專業(yè)名稱：測控技術(shù)與儀器任課教師：曹生現(xiàn)論文提交日期：總得分：1、 論文內(nèi)容1）論文內(nèi)容與題目要求相關(guān)程度 2）論文字數(shù)3）內(nèi)容論述思 路、語言簡練程度4）個人總結(jié)觀點5）論文內(nèi)容新穎性2、 論文格式1）摘要、關(guān)鍵詞、主要內(nèi)容、結(jié)論、參考文獻2）排版格式3）論文內(nèi)容序號編排目錄摘要1關(guān)鍵詞11. 引言12. 激光傳感器基本工作原理23. 特性及應(yīng)用2個人感受6參考文件7激光傳感器特性及應(yīng)用摘要：激光是在20世紀60年代初問世的。由于其具有方向性強、亮度高、單 色性好等特點，廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、醫(yī)學衛(wèi)激光

2、傳感器生、科學研究 等方面，如用來測距、精密檢測、定位等，還用做長度基準和光頻基準。其基本方 法是將光信號轉(zhuǎn)化成電信號。雖然高精密激光距離傳感器已上市多年，但是由于其 價格太高，一直不能獲得廣泛應(yīng)用。最近，由于其價格的大幅度下降，使其成為長 距離檢測場合一種最經(jīng)濟有效的方法。本文介紹其原理、特性及應(yīng)用。Abstract:Laser is in the early 20th century came out of 60. Because of its directive, the high bright ness and good color characteristics, widely us

3、ed in in dustrial and agricultural product ion, n atio nal defe nse, military, medical satellite laser sen sor health, research in this regard, such as in dista nee, precisi on detecti on, I ocati on, etc. le ngth is also used as ben chmarks and optical freque ncy refere nee. The basic approach is t

4、o con vert light signals into electrical signals. Although the high-precision laser distance sensor has been listed for years, but because of its price is too high, has not widely applied. Recently, because of its sharp drop in prices, making it one of the most Iong-distance detection of occasi ons,

5、 cost-effective way. This paper describes the prin ciples, characteristics and applicati on.關(guān)鍵詞：激光傳感器激光傳感器技術(shù)激光傳感器應(yīng)用單頻激光干涉儀引言： 激光傳感器一般是由激光器，光學零件，和光電器件所構(gòu)成的，它能把被測物理量（如長度，流量，速度等）轉(zhuǎn)換成光信號，然后應(yīng)用光電轉(zhuǎn)換器把光信號變成電信 號，通過相應(yīng)電路的過濾，放大，整流得到輸出信號，從而算出被測量。激光式傳感器具有以下優(yōu)點：結(jié)構(gòu)，原理簡單可靠，抗干擾能力強，適應(yīng)于各 種惡劣的工作環(huán)境，分辨率較高（如在測量長度時能達到幾個納米），示值誤

6、差 小，穩(wěn)定性好，宜用于快速測量。2.激光傳感器的基本工作原理:激光和激光器激光是20世紀60年代出現(xiàn)的最重大的科學技術(shù)成就之一。它 發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于國防、生產(chǎn)、醫(yī)學和非電測量等各方面。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E1,在適當頻率的外界光線的作用下，處于低能級的原子吸收光子能量受激 發(fā)而躍遷到高能級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 E2的原子會躍遷到低能級釋放能 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（即粒子數(shù)反

7、轉(zhuǎn)分布），就能使受激輻射過程占優(yōu)勢，從而使頻率為v的誘發(fā)光得到增強,并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產(chǎn)生強大的受激輻射光， 簡稱激光。激光具有3個重要特性：高方向性（即高定向性，光速發(fā)散角?。?激光束在幾公里外的擴展范圍不過幾厘米；高單色性，激光的頻率寬度比普通光 小10倍以上；高亮度，利用激光束會聚最高可產(chǎn)生達幾百萬度的溫度。激光器 按工作物質(zhì)可分為4種。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，特點是小而堅固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器 件，已達到數(shù)十兆瓦。氣體激光

8、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。液體激光器：它又可分為螯合物激光器、無機液體激光 器和有機染料激光器，其中最重要的是有機染料激光器，它的最大特點是波長連續(xù) 可調(diào)。半導體激光器：它是較年輕的一種激光器，其中較成熟的是砷化鎵激光 器。特點是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單，適宜于在飛機、軍艦、坦克上以 及步兵隨身攜帶?？芍瞥蓽y距儀和瞄準器。但輸出功率較小、定向性較差、受環(huán)境 溫度影響較大3. 激光傳感器特性及應(yīng)用 激光測

9、長一一精密測量長度是精密機械制造工業(yè)和 光學加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)代長度計量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進行的，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。由光學原理可知單色光的最大可測長 度L與波長入和譜線寬度S之間的關(guān)系是L=X 2/。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0.1微米。激光測距一一它的原理與無線電雷達相同，將激光對準目標發(fā)射出去后，測量它的往返 時間，再乘以光速即得到往

10、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，這些對于測遠距離、判定目標方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保儀器儀表新技術(shù)作業(yè)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)展起來的激光雷達不僅能測距，而且還可以測目標方位、運運速度和加速度等，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,測距范圍為5002000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距儀 的光源。激光測厚一一利用三角測距原理，上位于 C型架的上、下方分割有一個 精密激激光測厚 光測距傳感器，由激光器發(fā)射出的調(diào)制激光打到

11、被測物的表面， 通過對線陣CCD的信號進行采樣處理線陣CCD攝像機在控制電路的控制下同步得到被測，物到C型架之間的距離，通過傳感器反饋的數(shù)據(jù)來計算中間被測物的 厚度。由于檢測是連續(xù)進行的，因此就可以得到被測物的連續(xù)動態(tài)厚度值。影響激光測厚精度的安裝因素： 和其它傳感器測厚一樣，要實現(xiàn)精密測厚需要注意以 下條件，否則再好的傳感器 也測不準。精密測厚，選精密激光位移傳感器很重 要，但如果兩個傳感器不能同 步工作，安裝不同軸，則根本測不準：（1）單激光位移傳感器測厚 被測體放在測量平臺上，測量出傳感器到平臺表面距離，然后再 測出傳感器到被 測體表面間距，經(jīng)計算后測出厚度。要求被測體與測量平臺之間 無

12、氣隙，被測體無翹起。這些嚴格要求只有在離線情況能實現(xiàn)。（2）雙激光位移傳感器測厚在被測體上方和下方各安裝一個激光位移傳感器，被測體厚度D=C-（A+B。其中，C是兩個傳感器之間距離，A是上面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y體之間距離，B是下面?zhèn)?感器到被測體之間距離。在線厚度測量用這種方法優(yōu)點是可消除被測體 振動對測 量結(jié)果的影響。但同時對傳感器安裝和性能有要求。保證測量準確性的 條件是：兩個傳感器發(fā)射光束必須同軸，以及兩個傳感器掃描必須同步。同軸是 靠安裝實 現(xiàn)，而同步要靠選擇有同步端激光傳感器。不同步將代來很大誤差：如果被測體存在振動頻率20HZ，振幅1mm，如果信 號不同步延遲1ms,那么就會 帶來125m

13、誤差。安裝使兩個激光同軸，不但確保被測體同一位置上的厚度，同 時降低了被測體傾 斜帶來的誤差。以被測體運動方向不同軸為例，當不同軸 1mm,被測體傾斜2?？蓭?5m誤差。激光三角漫反射位移傳感器用于測厚有明 顯優(yōu)點：（1）非常小的測量光斑，是點光斑面積，它比面積型非接觸電容、電渦 流傳感器需要的面積小很多對被測體面積幾乎無要求適合測量非常小面積尺寸厚 度，；（2）較遠的測量范圍起始間距。它比非接觸電容、電渦流傳感器起始 間距大很 多。這樣傳感器可以遠離被測體，免受碰壞，及被測體熱輻射影響；（3）有很大的測量范圍，這是其它傳感器很難做到的；（4）與被測體材料無關(guān)，即金屬非金屬體，非透明有漫反射

14、條件表面都能測。（5）用激光測厚取代同位素測厚，可以消除對用戶的放射性損害。激光測振一一它基于多普勒原理測量物體的振動速度。多普勒原理是指：若波源 激光測振或接收波的觀察者相對于傳 播波的媒質(zhì)而運動，那么觀察者所測到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動頻率而且還取決于波源或觀察者的運動速度的大小和方向。所測頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動方向與方向一致時多普6儀器儀表新技術(shù)作業(yè)頻移fd=v/ A式中v為振動速度、入為波長。在激光多普 勒振動速度測量儀中， 由于光往返的原因,fd =2v/。這種測振儀在測量時由光學部 分將物體的振動轉(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，

15、再 由電路部分作適當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 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)動源，用光電倍增管進行光電檢測，用頻率跟蹤器來處理多普勒 信號。它的優(yōu) 點是使用方便，不需要固定參考系，不影響物體本身的振動，測量頻率 范圍寬、精 度高、動態(tài)范圍大。缺點是測量過程受其他雜散光的影響較大。激光測速一一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 激光測 速勒流速計（見激光流量計,它可以測量風洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射 氣

16、流流速、大氣風速和化學反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。多普勒測速系統(tǒng)（Doppler velocity-measuring system）原理： 從開過來的機車所聽到的聲波間的距 離被壓縮了，就好像一個人正在關(guān)手風琴。 這個動作的結(jié)果產(chǎn)生一個明顯的較高 的音調(diào)。當火車離去時，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)。檢查機動車速度的雷達測速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。從測速儀里射出一束射 線，射到汽車上再返回測速儀。測速儀里面的微型信息處理機把 返回的波長與原 波長進行比較。返回波長越緊密，前進的汽車速度也越快 -那就證 明駕駛員超速駕駛的可能性也越大。激光多普勒測速儀是測量

17、通過激光探頭的示 蹤粒子的多普勒信號，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 量，對于流場沒有干擾，測速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系，和該點的溫度，壓力沒有關(guān)系，是目前 世界上速度測量精度最高的儀器。多普勒測速工作原理可以用干涉條紋來說明。當聚焦透鏡把兩束入射光以某角會聚后，由干激光束良好的相干性，在會聚點上形成明暗相間的干涉條紋，條紋間隔正比干光波波長，而反比干半交角的正弦值。當流體中的粒子從條紋區(qū)的方向經(jīng)過時，會依次散射出光強隨時間變化的一列散射光波，稱為多普勒信號。這列光波強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

18、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。各個方向上的多普勒頻率的相位差和粒子的直光學測速測長系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)（1編碼器或測速馬達測量都在摩擦的地方就會有相對滑動的 此時會產(chǎn)生較明顯的誤差；而多 個誤差。（2）接觸式測量過程徑成正比，禾U用監(jiān)測到的相位差可以來確定粒徑。 的測速測長系統(tǒng)（編碼器或測速電機）的優(yōu)勢是: 是依靠測速輥與被測量物體的摩擦來實現(xiàn)的，存 存在，尤其是在速度變化的過程中滑動更明顯， 普勒測量系統(tǒng)是非接觸測量，從原理上消除了這中，當生產(chǎn)的產(chǎn)品為對表面光潔度要求非常高的產(chǎn)品

19、時，比如不銹鋼板帶，容易對表面產(chǎn)生損傷，而采用多普勒測量系統(tǒng)完全避免。（3）編碼器或測速馬達是機械類產(chǎn)品，長期的運轉(zhuǎn)存在機械磨損，從而影響到 測量精度，而多普勒測量系統(tǒng) 屬于光學儀器，內(nèi)部沒有機械磨損，不存在隨運行 時間而測量精度變化的問題。7儀器儀表新技術(shù)作業(yè) （4）在鋼鐵的軋機或平整機運行過程中，由于在板帶上有巨大的張力，在高速 運行中會產(chǎn)生高頻振動，對接觸式的測速系統(tǒng)影響非常大。比如在平整機上，采用編碼器對平整機的延長率進行控制時，實際測量的結(jié)果是板帶平整后的延長率是在3%-15%之間變化，升速或降速時編碼器信號由于摩擦打滑的影響無法參與控制。冷軋板帶的延長率直接影響的是深沖性能，延長率

20、控制不好，生產(chǎn)的成品板帶的質(zhì)量級別無法提高，無法滿足比如家電生產(chǎn)企業(yè)，汽車生產(chǎn)企業(yè)等對深沖 成型性能要求非常高的企業(yè)的要求。采用多普勒測量 系統(tǒng)進行控制時，延長率一 般可以控制在目標值的0.25%左右波動，優(yōu)勢非常明 達97%以上，效益非常明 顯。而采用編碼器時，由于受到諸多限制，成材率一般 低于85%。3.1材料表面反射系數(shù)對激光傳感器的影響激光漫反射位移傳感器正 常工作的前提是要求被測物體表面具有漫反射條件，出 廠時廠家是用白陶瓷作為 標準面。反射系數(shù)是光輸入到表面能量與返回能量之比。光亮表面反射系數(shù)高， 例如白紙就高，粗糙或黑色表面反射系數(shù)低，例如黑橡膠就低。并不是反射系數(shù) 愈大愈好，當反射系數(shù)100%時，例如鏡面時，激光成像光斑被 100%反射回到激 光光源，而接受漫反射的CCD端無成像光，所以鏡面就不能正常工作。反之當反顯。而且軋機的升速，降速對其性能無任何影響，所以整卷鋼帶的成材率可以高射系數(shù)為0%時絕對黑體，入射光被百分百吸收，無反射光，傳感器也不能工作。 只有反射系數(shù)100%,和0%之間，激光漫反射傳感器才能可靠工作。各種材料表面反射系數(shù)：白陶瓷約95%白紙約75-80%金屬材料約55-60%黑紙