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激光传感器原理

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  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之一。激光技术与应用的迅猛发展,已与多个学科相结合,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。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以及其主要应用领域。

  激光传感器是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。激光传感器必须极其精确地测定传输时间,因为光□◁速太快。

  例如,光速约为3*10^8m/s,要想使分辨率达到1mm,则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间:

  要分辨出3ps的时间,这是对电子技术提出的过高要求,实现起来造价太高。但是如今的激光测距传感器巧妙地避开了这一障碍,利用一种简单的统计学原理,即平均法则实现了1mm的分辨率,并且能保证响应速度。

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