Princip a použití laserového senzoru

Laserové senzory jsou senzory, které k měření využívají laserovou technologii. Skládá se z laseru, laserového detektoru a měřicího obvodu. Laserový senzor je nový typ měřicího přístroje. Jeho výhoda spočívá v tom, že dokáže realizovat bezkontaktní měření na dlouhé vzdálenosti, vysokou rychlost, vysokou přesnost, velký dosah, silnou schopnost proti světlu a elektrickému rušení atd.
Světlo a lasery Lasery byly jedním z nejvýznamnějších vědeckých a technologických úspěchů, které se objevily v 60. letech 20. století. Rychle se vyvíjel a byl široce používán v různých aspektech, jako je národní obrana, výroba, medicína a neelektrická měření. Na rozdíl od běžného světla musí být laser generován laserem. Pro pracovní látku laseru je za normálních podmínek většina atomů ve stabilní nízké energetické hladině E1. Působením vnějšího světla vhodné frekvence atomy v nízkoenergetické hladině absorbují fotonovou energii a jsou excitovány k přechodu na vysokou energetickou hladinu E2. Energie fotonu E=E2-E1=hv, kde h je Planckova konstanta a v je frekvence fotonů. Naopak při indukci světla s frekvencí v přejdou atomy na energetické úrovni E2 na nižší energetickou hladinu, aby uvolnily energii a emitovaly světlo, což se nazývá stimulované záření. Laser nejprve dělá atomy pracovní látky abnormálně na vysoké energetické úrovni (tj. rozložení inverze populace), což může učinit proces stimulovaného záření dominantním, takže indukované světlo o frekvenci v je zesíleno a může procházet skrz paralelní zrcadla Zesílení lavinového typu je vytvořeno tak, aby generovalo silné stimulované záření, které se nazývá laser.

Lasery mají 3 důležité vlastnosti:
1. Vysoká směrovost (tj. vysoká směrovost, malý úhel divergence rychlosti světla), rozsah expanze laserového paprsku je jen několik centimetrů od několika kilometrů;
2. Vysoká monochromatičnost, frekvenční šířka laseru je více než 10krát menší než u běžného světla;
3. Vysoký jas, maximální teplota několika milionů stupňů může být generována použitím konvergence laserového paprsku.

Lasery lze rozdělit do 4 typů podle pracovní látky:
1. Pevný laser: Jeho pracovní látkou je pevná látka. Běžně používané jsou rubínové lasery, neodymem dopované ytrium hliníkové granátové lasery (tj. YAG lasery) a neodymové skleněné lasery. Mají zhruba stejnou strukturu a vyznačují se tím, že jsou malé, robustní a vysoce výkonné. Lasery z neodymového skla jsou v současnosti zařízení s nejvyšším pulzním výstupním výkonem, dosahujícím desítek megawattů.
2. Plynový laser: jeho pracovní látkou je plyn. Nyní existují různé lasery na atomy plynu, ionty, kovové páry, molekuly plynu. Běžně používané jsou lasery s oxidem uhličitým, helium neonové lasery a lasery na bázi oxidu uhelnatého, které mají tvar běžných výbojkových trubic a vyznačují se stabilním výkonem, dobrou monochromatičností a dlouhou životností, ale s nízkým výkonem a nízkou účinností konverze.
3. Kapalný laser: Lze jej rozdělit na chelátový laser, anorganický tekutý laser a laser s organickým barvivem, z nichž nejdůležitější je laser s organickým barvivem, jeho největší vlastností je plynule nastavitelná vlnová délka.
4. Polovodičový laser: Jedná se o relativně mladý laser a tím vyspělejším je GaAs laser. Vyznačuje se vysokou účinností, malými rozměry, nízkou hmotností a jednoduchou konstrukcí a je vhodný pro nošení v letadlech, válečných lodích, tancích a pěchotě. Lze z nich udělat dálkoměry a mířidla. Výstupní výkon je však malý, směrovost špatná a je značně ovlivněna okolní teplotou.

Aplikace laserových senzorů
Pomocí charakteristik vysoké směrovosti, vysoké monochromatičnosti a vysokého jasu laseru lze realizovat bezkontaktní měření na velké vzdálenosti. Laserové senzory se často používají pro měření fyzikálních veličin, jako je délka, vzdálenost, vibrace, rychlost a orientace, stejně jako pro detekci defektů a monitorování látek znečišťujících ovzduší.
Laserové měření délky:
Přesné měření délky je jednou z klíčových technologií ve výrobě přesných strojů a optickém zpracovatelském průmyslu. Moderní měření délek se většinou provádí pomocí interferenčního jevu světelných vln a jeho přesnost závisí především na monochromatičnosti světla. Laser je nejideálnější světelný zdroj, který je 100 000krát čistší než nejlepší monochromatický světelný zdroj (krypton-86) v minulosti. Proto je rozsah měření délky laserem velký a přesnost je vysoká. Podle optického principu je vztah mezi maximální měřitelnou délkou L monochromatického světla, vlnovou délkou λ a šířkou spektrální čáry δ L=λ/δ. Maximální délka, kterou lze měřit s lampou krypton-86, je 38,5 cm. U delších objektů je potřeba měřit po úsecích, což snižuje přesnost. Pokud se použije helium-neonový plynový laser, může měřit až desítky kilometrů. Obecně změřte délku do několika metrů a její přesnost může dosáhnout 0,1 mikronu.
Laserové měření vzdálenosti:
Jeho princip je stejný jako u radiolokátoru. Poté, co je laser namířen na cíl a vypuštěn, změří se jeho doba oběhu a poté se vynásobí rychlostí světla, aby se získala vzdálenost zpět. Protože laser má výhody vysoké směrovosti, vysoké monochromatičnosti a vysokého výkonu, jsou tyto velmi důležité pro měření na dlouhé vzdálenosti, určení orientace cíle, zlepšení poměru signálu k šumu přijímacího systému a zajištění přesnosti měření. . dostávala stále větší pozornost. Lidar vyvinutý na základě laserového dálkoměru dokáže nejen měřit vzdálenost, ale také měřit azimut, rychlost a zrychlení cíle. Radar se pohybuje od 500 do 2000 kilometrů, chyba je jen pár metrů. V současnosti se jako zdroje světla pro laserové dálkoměry často používají rubínové lasery, lasery z neodymového skla, oxid uhličitý a arsenid galia.

Laserové měření vibrací:
x
Laserové měření rychlosti:
Je to také metoda měření rychlosti laserem založená na Dopplerově principu. Více se používá laserový Dopplerův průtokoměr (viz laserový průtokoměr), který dokáže měřit rychlost proudění vzduchu v aerodynamickém tunelu, rychlost proudění paliva rakety, proudění vzduchu v letadle, rychlost atmosférického větru a velikost částic a rychlost konvergence při chemických reakcích atd.