案例展示

激光传感器的原理和应用

发布日期:2021-04-28 03:46

  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、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, 使得激光器的应用范围扩展到几乎国民经济的所有领域。

  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。

  (1)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。

  利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量,还可用于探伤和大气污染物的监测等。总之,激光传感器的应用领域越来越广泛了,下面介绍两种激光传感器主要原理和应用。

  激光位移传感器能够利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光位移传感器(磁致伸缩位移传感器)就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表,它的出现,使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高,也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。

  半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集,投射到CCD阵列4上;信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。

  激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面,经物体反射的激光通过接受器镜头,被内部的CCD线性相机接受,根据不同的距离,CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离,数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。

  同时,光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理,并通过微处理器分析,计算出相应的输出值,并在用户设定的模拟量窗口内,按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出,则在设定的窗口内导通,窗口之外截止。另外,模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。

  激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接受器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个脉冲到检测物并返回至接收器,处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回接收器所需时间,以此计算出距离值,该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。

  激光测距传感器的原理与无线雷达相同,将激光对准目标发射出去后,测量它的往返时间,再乘以光速既得到往返距离。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、提高接受系统的性噪比、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。

  激光测距实际上是一种主动光学探测方法。主动光学探测的探测机制是:由探测系统向目标发射波束(在光学探测中,一般是红外或者可见光),波束被目标表面放射产生回波信号。回波信号中直接或简介地包含待测信息。接收与信号处理系统通过接收和分析回波信号,获得被测量。

  其工作原理如下:人机操作发出测距指令,出发激光器发出激光脉冲,一小部分能量透过分束片,作为参考脉冲直接送到脉冲采集系统,作为计时的起始点,启动数字式测距计时器开始计时:另一部分由折射棱镜放射,射向目标。一般发射前端有望远光学系统,为的是减少出射光束的发散角,以提高光能面密度,增大工作距离,还可以减少背景和周围非目标标物的干扰。到达目标的激光束有一部分被表面漫反射回到测距仪;经接收物镜和光学滤波器,到达探测器APD,窄带光学滤波器的主要作用是充分利用激光优良的单色性,提高系统的信噪比;光探测器APD将光学信号转换为电信号,然后将电信号进行信号放大、滤波整形。整形后的回波信号关闭时间间隔处理模块,使其停止计时。这样,根据时间间隔处理的结果t即可计算出待测目标的距离L为:

  式(1)中,c为光速。图3中,滤光片和光圈可以减少背景及杂闪光的影响,降低探测器输出信号中的背景噪声。根据式(1),脉冲测距精度,可以表示为:

  由式(2)可知,系统处理的时间间隔精度直接决定了脉冲激光测距系统的测距精度。

  激光传感器可用于其它技术无法应用的场合。例如,当目标很近时,计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是,当目标距离较远内或目标颜色变化时,普通光电传感器就难以应付了。

  虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作,但是,在目标角度不固定或目标太亮时,其性能的可预测性变差。此外,普通光电三角测量传感器一般量程只限于0.5m 以内。超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体,而且由于它不是光学装置,所以不受颜色变化的影响。但是,超声波传感器是依据声速测量距离的,因此存在一些固有的缺点,不能用于以下场合。

  2、需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m 远时直径为0.76cm。

  制造业中的应用激光传感器的作用主要包括激光测长、激光测距、激光测振、激光测速。利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量,还可用于探伤和大气污染物的监测等。

  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。现代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还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。

  它的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

  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。

  它基于多普勒原理测量物体的振动速度。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。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。

  它也是基多普勒原理的一种激光测速方法,用得较多的是激光多普勒流速计(见激光

  ),它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。激光与普通光源相比,有很多普通光源所无法替代的优点,但激光需要用激光器产生,技术要求比较高。大力发展激光传感技术有利于国家在科技、经济、以及国防等多个领域独领风骚。

  文章出处:【微信号:WW_CGQJS,微信公众号:传感器技术】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

  随着科技的不断发展,氧气浓度检测的技术也越来越方便对于缺氧环境检测以及微量氧气的排查检测,我们都可以....

  随着现代人越来越重视健康管理,运动手表等可穿戴装备已经成为日常生活的常用的物品。而对健康监测装备便携....

  降雨是指各种水凝物以不同的方式从天空落到地面的过程。首先,在大气中,受地形和空气的热作用影响形成云,....

  倾角传感器又称作倾斜仪、测斜仪、水平仪、倾角计,常用于系统的水平角度变化测量,此类传感器过去只是简单....

  可以公平地说,随着我们开始从新冠肺炎大流行中恢复过来,所有人的目光开始转向医疗保健领域。由于技术对于....

  华中科技大学同济医学院附属协和医院院长胡豫曾在提案中表示:“人工智能、大数据、云计算等信息技术迭代升....

  无线生物电子通信系统今后将大大提高人们的生活品质。要想实现这一理想,就要开发出由小型智能传感器节点组....

  Digi-Key Electronics与Option和GetWireless合作为其所有现场员工部署安全距离保持解决方案

  新建成的 LoRa 网络以无线方式将信息传输到云平台,云平台会安全地维护接触记录,并在需要时根据这些....

  尽管人工心脏成功延长了一些心脏病人的生命,但一直存在的几个设计缺陷仍然限制了它们的使用。目前,这些电....

  脉压模拟器是一个仿真系统,同时也是一个闭环控制系统,涉及到A/D数据采集、波形的实时显示和处理以及D....

  手机使用MotorolA388c,血糖仪是吉林大学仪器学院自主开发的以MSP430单片机与酶电极传感....

  本文提出了一种全新的数字化的双向微型无线内窥镜系统, 该系统具有可实时观察病人消化道图像、全消化道检....

  气体检测仪在我国工业领域中的应用范围很广,应用价值也越来越被人们所重视与关注。我们知道在气体检测仪的....

  今年2月,C200M及C200S已双双斩获该业界符合UL3100标准的ETL认证证书。此次再添CE认....

  CPAP或持续气道正压通气是一种呼吸道通气方法,主要用于在家治疗睡眠呼吸暂停症。压力传感器、微处理器....

  整个硬件系统可以分为三个部分:信号的采集部分、信号的处理控制部分、信号的输出部分。信号的采集包括心音....

  基于PIC16F876单片机和ADS7846接口实现激光治疗仪触摸屏接口设计

  随着社会自动化程度的提高,人机交互能力急需大的转变,向着更方便使用、更直观的方向发展。激光治疗机主要....

  汽车传感器测试具有哪些特点? 柔性测试技术是什么?有哪些特性? 怎样通过柔性技术去设计传感器测试系统的? 汽车传感器测试...

  长期以来,一些单位特别是私营企业,将盗窃电能作为获利手段,这严重损害了供电企业的合法权益,扰乱了正常的供用电秩序,严重影...

  如何去分析传感器的静态特性? 基于PC的虚拟仪器硬件是如何设计的? 基于PC的虚拟仪器软件是如何设计的? 虚拟仪器主要有...

  本文在保证传感器满量程范围内线性响应的前提下,调整牺牲层厚度,通过弹性膜片与衬底的适当接触来有效提高传感器的过载能力。利...

  探丝传感器是什么?有什么优势? 光电式探丝传感器是怎样工作的? 光电式探丝传感器电路是由哪些设备组成的? 如何去实现光电...

  使用简单的无线传感器而非摄像头构建IoT网状网络可以帮助了解购物者的行为。但是,为什么要建立一个物联....

  我国科研人员在柔性可穿戴器件供电系统研究领域取得新进展,使得未来可穿戴设备的电池设计有望标准化,供电....

  机器人技术可能在人们能想到的每一个领域都有不同的应用。教育、旅行、国防,只要你能说出它们的名字,你就....

  诊断、治疗和医疗监护的形态为互联式可穿戴医疗设备的发展搭建起了舞台。我们来分别了解一下这三个主要的互....

  几乎所有的研究机构和生产企业都会用到显微镜。由于光学系统和机械系统的使用寿命都很长,因此模拟显微镜至....

  RFID标签可以用来实现一系列鲁棒的安防传感器。运动探测器可以通过将RFID标签与磁簧开关集成在一起....

  毫无疑问,伤断了脖子和脊梁是最让人悲惨的伤痛之一。如果脊髓断裂,大脑就失去了与身体其它部分联系的能力....

  在旋转编码应用中,当试图监控速度和方向(顺时针或逆时针)时,通常使用两个霍尔效应锁存器或双锁存器。造....

  “便携式”医疗电子设备所面临的挑战是对远距离连接便携性的要求越来越高,同时还要保持对所有采集数据的质....

  可靠性模型就是建立可靠性框图和数学模型,通过模型定量定性评估可靠性各环节的可靠性薄弱点和产品的系统设....

  聋哑人如何与外界进行有效沟通一直是一个备受关注的难点问题。文中提出了一种基于惯性传感器融合控制算法的....

  激光雷达的全称是光检测和测距,即通过光波段中的电磁辐射所进行的(远程)检测和测量。这种装置采用了经典....

  二极管结的这种温度依赖性既是诅咒又是祝福。当然,这会严重影响半导体器件的基本性能,因为电流和电压会发....

  传感器读取数据后,视觉里程计估计两个时刻的相对运动(Ego-motion),后端处理视觉里程计估计结....

  TPSBL-GPRS-4G田间环境监测系统是农业环境监测站系列产品中较为常见的仪器设备,是一种由太阳....

  NL-5G农业小型气象站也称便携式自动气象站,是由托普云农研发供应的,该仪器采用便携式设计,可实时采....

  石英晶体振荡频率对晶体表面质量负载(质量效应)和反应体系物理性状如密度、粘度、电导率等(非质量效应)....

  声表面波(SAW)技术是一门新兴热门研究课题之一,国内外已有温度、压力、加速度等传感器的相关报道。S....

  在无数的工业、汽车、仪器仪表和众多其他应用中,普遍存在着一项挑战,就是如何将微小的传感器讯号正确连接....

  热释电红外探测器是由热释电红外传感器、菲涅耳透镜及电子电路组成的一种光电检测装置。他能无接触地检测人....

  医学临床监护技术就是把患者的各种重要生理信息及时、准确地提取出来进行处理、分析和判断帮助医护人员对患....

  当你不知道怎么选传颜色传感器时应该从以下几个方面入手: 1、应用的目的? 2、现有电源类型如何?交流....

  基于PIC16F877单片机和HD44780A芯片实现家用电子血压计的设计

  随着生活水平的不断提高以及城市老龄化比例的提高,医疗检测设备的家庭化逐渐成为了趋势。其中家用电子血压....

  如果有人问你现在有多压力,你会说什么?一点?很多?你不知道? 这些都是有效的响应,但是对研究人员和医....

  目前检测心率的仪器虽然很多,但是能实现精确测量、数据上传PC机并且具有声光报警等多种功能的便携式全数....

  腰椎牵引器采用AT89C51单片机作为系统控制单元,利用其控制能力实现对牵引力进行实时检测并通过LE....

  怎么设计一种动态能量测试系统? 动态能量测试系统是如何构成的?其主要特点有哪些? TDS系列示波器是指什么?有什么优势?...

  光纤电流传感器的原理是什么? 光纤电流传感器具有哪些优点?光纤电流传感器光路是怎样设计的? 光纤电流传感器有哪些应用价值...

  压电生物传感器原理是什么? 为什么要设计压电生物传感器检测电路? 微型压电传感器检测电路硬件是如何设计的? 怎样去设计压...

  怎么设计一种弹药库温/湿度监控系统? SHT15型传感器的性能和特点有哪些? 弹药库温/湿度监控系统是如何构成的?工作原理是...

  现代应用中运算放大器主要有哪几类? 现代应用中运算放大器的主要特征有哪些? 选择最佳放大器有哪些原则需要遵循? 运算放大...

  典型的相控阵CWD(连续波多普勒)架构中,超声传感器的聚焦孔径分成两部分,一半的(64至128个)传....

  视觉传感器能直观反映物体的外部信息,但单个摄像头只能获得物体的二维图像,立体视觉虽能提供三维信息,但....

  本文设计了一种可闭环控制的多功能水中蛇形机器人,主要解决现有无人潜水器不能进行运动姿态调整、续航能力....

  为了让机器人更好地与其周围的事物进行互动,并灵活地移动,机器人必须能够看到并辨别其周围的环境。经济高....

  基于单片机SST89E554RC和超声波传感器实现机器人测控系统的设计

  智能清洁机器人测控系统主要包括控制器核心系统、传感器系统和驱动系统等。其原理如图1所示。基于清洁机器....

  瑞萨电子推出16位通用RL78/G23,扩充低功耗MCU RL78产品家族

  RL78/G23采用瑞萨独有的电容式触摸传感器单元,结合卓越的高灵敏度和低噪声特性,可用于实现基于手....

  基于ATmage128单片机和红外测距传感器实现自平衡机器人系统的设计

  移动式机器人在各行各业具有广泛的应用,而轮式移动机器人由于具有结构简单、可控性强、成本低等优点,成为....

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  轴承探头 元件材料  铂, 铜, 镍 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢探针,铜质尖端 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0005...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  轴承探头 元件材料  铂, 铜, 镍 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢探针,铜质尖端 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0006...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  轴承探头 元件材料  铂, 铜, 镍 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢探针,铜质尖端 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0007...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  轴承嵌入式探头 元件材料  铂, 镍 引线导线种类  PTFE, 护套电缆 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢, 镀锡 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0008...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  点传感探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢和铝 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0009...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  点传感探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢和铝 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0010...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  点传感探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢和铝 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0011...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  点传感探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢和铝 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0012...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  点传感探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢和铝 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0013...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  空气传感探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0014...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  空气传感探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  135 °C [ 275 °F ] 包装特性 元件包装  铝 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0015...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  空气传感探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0016...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  平均化探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  200 °C [ 392 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0017...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  平均化探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  200 °C [ 392 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0018...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  平均化探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  200 °C [ 392 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0019...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  平均化探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  200 °C [ 392 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0020...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  平均化探头 元件材料  铂 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  200 °C [ 392 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0021...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  通用探头 元件材料  铂, 铜, 镍 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0023...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  通用探头 元件材料  铂, 铜, 镍 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0024...

  看产品文档或联系我们以了解最新的机构审批信息。  产品类型特性 传感器类型  通用探头 元件材料  铂, 铜, 镍 引线导线种类  PTFE 使用环境 最大温度  250 °C [ 482 °F ] 包装特性 元件包装  不锈钢 参考编号 TE 内部编号 CAT-RTD0026...