Zasada działania i zastosowanie czujnika laserowego

Czujniki laserowe to czujniki wykorzystujące technologię laserową do pomiaru. Składa się z lasera, detektora laserowego i obwodu pomiarowego. Czujnik laserowy to nowy rodzaj przyrządu pomiarowego. Jego zaletą jest to, że może realizować bezkontaktowy pomiar na duże odległości, dużą prędkość, wysoką precyzję, duży zasięg, silną zdolność przeciwdziałania światłu i interferencji elektrycznej itp.
Światło i lasery Lasery były jednym z najważniejszych osiągnięć naukowych i technologicznych, jakie pojawiły się w latach 60. XX wieku. Szybko się rozwinął i jest szeroko stosowany w różnych aspektach, takich jak obrona narodowa, produkcja, medycyna i pomiary nieelektryczne. W przeciwieństwie do zwykłego światła, laser musi być generowany przez laser. W przypadku substancji roboczej lasera w normalnych warunkach większość atomów znajduje się na stabilnym niskim poziomie energii E1. Pod wpływem światła zewnętrznego o odpowiedniej częstotliwości atomy na niskim poziomie energetycznym absorbują energię fotonu i są podekscytowane przejściem na wyższy poziom energetyczny E2. Energia fotonu E=E2-E1=hv, gdzie h jest stałą Plancka, a v jest częstotliwością fotonu. I odwrotnie, pod wpływem indukcji światła o częstotliwości v atomy na poziomie energetycznym E2 przejdą na niższy poziom energetyczny, aby uwolnić energię i wyemitować światło, które nazywa się promieniowaniem wymuszonym. Laser najpierw powoduje, że atomy substancji roboczej są nienormalnie na wysokim poziomie energii (to jest rozkład inwersji populacji), co może sprawić, że stymulowany proces promieniowania dominuje, tak że indukowane światło o częstotliwości v jest wzmocnione i może przejść przez równoległe lustra Wzmocnienie typu lawinowego jest tworzone w celu generowania silnego stymulowanego promieniowania, które jest określane jako laser.

Lasery mają 3 ważne właściwości:
1. Wysoka kierunkowość (czyli wysoka kierunkowość, mały kąt rozbieżności prędkości światła), zakres ekspansji wiązki laserowej wynosi zaledwie kilka centymetrów od kilku kilometrów;
2. Wysoka monochromatyczność, szerokość częstotliwości lasera jest ponad 10 razy mniejsza niż w przypadku zwykłego światła;
3. Wysoka jasność, maksymalna temperatura kilku milionów stopni może być generowana za pomocą konwergencji wiązki laserowej.

Lasery można podzielić na 4 typy w zależności od substancji roboczej:
1. Laser na ciele stałym: jego substancja robocza jest stała. Powszechnie stosowane są lasery rubinowe, lasery z granatem itrowo-aluminiowym domieszkowanym neodymem (np. lasery YAG) oraz lasery ze szkła neodymowego. Mają mniej więcej taką samą strukturę i charakteryzują się tym, że są małe, solidne i mają dużą moc. Lasery neodymowo-szklane to obecnie urządzenia o największej mocy wyjściowej impulsu, sięgającej kilkudziesięciu megawatów.
2. Laser gazowy: jego substancją roboczą jest gaz. Teraz istnieją różne lasery atomów gazu, jonów, oparów metali, cząsteczek gazu. Powszechnie stosowane są lasery na dwutlenku węgla, lasery helowo-neonowe i lasery na tlenku węgla, które mają kształt zwykłych lamp wyładowczych i charakteryzują się stabilną mocą wyjściową, dobrą monochromatycznością i długą żywotnością, ale przy niskiej mocy i niskiej wydajności konwersji.
3. Laser płynny: Można go podzielić na laser chelatowy, nieorganiczny laser płynny i organiczny laser barwnikowy, z których najważniejszym jest organiczny laser barwnikowy, jego największą cechą jest to, że długość fali jest regulowana w sposób ciągły.
4. Laser półprzewodnikowy: Jest to stosunkowo młody laser, a bardziej dojrzały jest laser GaAs. Charakteryzuje się wysoką wydajnością, niewielkimi rozmiarami, lekkością i prostą budową i nadaje się do przewożenia na samolotach, okrętach wojennych, czołgach i piechocie. Można z nich zrobić dalmierze i celowniki. Jednak moc wyjściowa jest niewielka, kierunkowość jest słaba i ma na nią duży wpływ temperatura otoczenia.

Zastosowania czujnika laserowego
Wykorzystując cechy wysokiej kierunkowości, wysokiej monochromatyczności i wysokiej jasności lasera można realizować bezkontaktowe pomiary na duże odległości. Czujniki laserowe są często używane do pomiaru wielkości fizycznych, takich jak długość, odległość, wibracje, prędkość i orientacja, a także do wykrywania wad i monitorowania zanieczyszczeń atmosferycznych.
Laserowy pomiar długości:
Precyzyjny pomiar długości jest jedną z kluczowych technologii w przemyśle maszyn precyzyjnych i przemyśle optycznym. Współczesny pomiar długości odbywa się w większości za pomocą zjawiska interferencji fal świetlnych, a jego dokładność zależy głównie od monochromatyczności światła. Laser jest najbardziej idealnym źródłem światła, które jest 100 000 razy czystsze niż najlepsze monochromatyczne źródło światła (lampa krypton-86) w przeszłości. Dlatego zakres pomiaru długości lasera jest duży, a precyzja wysoka. Zgodnie z zasadą optyczną, zależność między maksymalną mierzalną długością L światła monochromatycznego, długością fali λ i szerokością linii widmowej δ wynosi L=λ/δ. Maksymalna długość, którą można zmierzyć lampą krypton-86, wynosi 38,5 cm. W przypadku dłuższych obiektów należy go mierzyć odcinkami, co zmniejsza dokładność. W przypadku zastosowania helowo-neonowego lasera gazowego może on mierzyć do kilkudziesięciu kilometrów. Ogólnie zmierz długość w ciągu kilku metrów, a jego dokładność może osiągnąć 0,1 mikrona.
Zasięg lasera:
Jego zasada działania jest taka sama jak w przypadku radaru radiowego. Po wycelowaniu lasera w cel i wystrzeleniu mierzony jest czas jego przelotu w obie strony, a następnie mnożony przez prędkość światła w celu uzyskania odległości w obie strony. Ponieważ laser ma zalety wysokiej kierunkowości, wysokiej monochromatyczności i dużej mocy, są one bardzo ważne przy pomiarach dużych odległości, określaniu orientacji celu, poprawie stosunku sygnału do szumu systemu odbiorczego i zapewnieniu dokładności pomiaru . coraz częściej zwracano na siebie uwagę. Lidar opracowany na bazie dalmierza laserowego potrafi nie tylko mierzyć odległość, ale także azymut, prędkość i przyspieszenie celu. Radar, w zakresie od 500 do 2000 kilometrów, błąd wynosi tylko kilka metrów. Obecnie lasery rubinowe, lasery ze szkła neodymowego, lasery na dwutlenku węgla i lasery z arsenku galu są często używane jako źródła światła w dalmierzach laserowych.

Laserowy pomiar drgań:
x
Laserowy pomiar prędkości:
Jest to również laserowa metoda pomiaru prędkości oparta na zasadzie Dopplera. Laserowy przepływomierz Dopplera (patrz przepływomierz laserowy) jest częściej używany, który może mierzyć prędkość przepływu powietrza w tunelu aerodynamicznym, prędkość przepływu paliwa rakietowego, prędkość przepływu powietrza odrzutowca samolotu, prędkość wiatru atmosferycznego oraz wielkość cząstek i prędkość konwergencji w reakcjach chemicznych itp.