A lézerszenzor elve és alkalmazása

A lézeres érzékelők olyan érzékelők, amelyek lézertechnológiát használnak a méréshez. Lézerből, lézerdetektorból és mérőáramkörből áll. A lézerszenzor egy új típusú mérőműszer. Előnye, hogy érintésmentes nagy távolságú mérést, gyors sebességet, nagy pontosságot, nagy hatótávolságot, erős fény- és elektromos interferencia-képességet stb.
Fény és lézerek A lézerek az 1960-as években az egyik legjelentősebb tudományos és technológiai vívmány volt. Gyorsan fejlődött, és széles körben alkalmazzák különféle területeken, mint például a honvédelem, a termelés, az orvostudomány és a nem elektromos mérés. A hagyományos fénnyel ellentétben a lézert lézerrel kell előállítani. A lézer munkaanyaga esetében normál körülmények között a legtöbb atom stabilan alacsony energiaszinten van E1. Megfelelő frekvenciájú külső fény hatására az alacsony energiaszintű atomok elnyelik a fotonenergiát, és gerjesztik, hogy átálljanak a magas E2 energiaszintre. A fotonenergia E=E2-E1=hv, ahol h a Planck-állandó és v a fotonfrekvencia. Ezzel szemben a v frekvenciájú fény indukciója során az E2 energiaszintű atomok alacsonyabb energiaszintre állnak át, hogy energiát szabadítanak fel és fényt bocsátanak ki, amit stimulált sugárzásnak neveznek. A lézer először a munkaanyag atomjait teszi abnormálisan magas energiaszintre (vagyis a populáció inverziós eloszlására), ami dominánssá teheti a stimulált sugárzási folyamatot, így az indukált v frekvenciájú fény fokozódik, és át tud haladni. párhuzamos tükrök A lavina típusú erősítést úgy alakítják ki, hogy erőteljes stimulált sugárzást hozzon létre, amelyet lézernek neveznek.

A lézernek három fontos tulajdonsága van:
1. Nagy irányíthatóság (azaz nagy irányíthatóság, kis fénysebesség divergenciaszög), a lézersugár tágulási tartománya néhány kilométertől csak néhány centiméter távolságra van;
2. Nagy monokromatikus, a lézer frekvenciaszélessége több mint 10-szer kisebb, mint a közönséges fényé;
3. Nagy fényerő, több millió fokos maximális hőmérséklet állítható elő a lézersugár konvergenciájával.

A lézerek 4 típusra oszthatók a munkaanyag szerint:
1. Szilárdtestlézer: Munkaanyaga szilárd. Általánosan használt rubinlézerek, neodímiummal adalékolt ittrium-alumínium gránátlézerek (azaz YAG lézerek) és neodímium üveglézerek. Nagyjából azonos felépítésűek, kicsik, robusztusak és nagy teljesítményűek. Jelenleg a neodímium-üveg lézerek a legnagyobb impulzuskimenő teljesítményű eszközök, amelyek elérik a több tíz megawattot.
2. Gázlézer: munkaanyaga gáz. Ma már különféle gázatomos, ionos, fémgőz-, gázmolekulás lézerek léteznek. Általánosan használt szén-dioxid lézerek, hélium neonlézerek és szén-monoxid lézerek, amelyek formájúak, mint a közönséges kisülési csövek, és stabil kimenettel, jó monokromatikussággal és hosszú élettartammal, de alacsony teljesítménnyel és alacsony konverziós hatékonysággal jellemezhetők.
3. Folyékony lézer: Kelátlézerre, szervetlen folyékony lézerre és szerves festéklézerre osztható, melyek közül a legfontosabb a szerves festéklézer, legnagyobb jellemzője, hogy a hullámhossz folyamatosan állítható.
4. Félvezető lézer: Ez egy viszonylag fiatal lézer, és az érettebb a GaAs lézer. Nagy hatékonyság, kis méret, könnyű súly és egyszerű szerkezet jellemzi, alkalmas repülőgépek, hadihajók, harckocsik és gyalogság szállítására. Készíthető távolságmérővé és irányzékká. A kimenő teljesítmény azonban kicsi, az irányítottság rossz, és nagyban befolyásolja a környezeti hőmérséklet.

Lézeres érzékelő alkalmazások
A lézer nagy irányíthatósága, nagy monokromatikussága és nagy fényereje jellemzőinek felhasználásával érintés nélküli nagy távolságú mérés valósítható meg. A lézerszenzorokat gyakran használják fizikai mennyiségek, például hosszúság, távolság, rezgés, sebesség és tájékozódás mérésére, valamint a légköri szennyező anyagok hibák észlelésére és megfigyelésére.
Lézeres hosszmérés:
A precíziós hosszmérés a precíziós gépgyártás és az optikai feldolgozóipar egyik kulcstechnológiája. A modern hosszmérés többnyire a fényhullámok interferenciajelenségének felhasználásával történik, pontossága elsősorban a fény monokromatikusságától függ. A lézer a legideálisabb fényforrás, amely 100 000-szer tisztább, mint a múltban a legjobb monokromatikus fényforrás (kripton-86 lámpa). Ezért a lézerhossz mérési tartománya nagy és a pontosság nagy. Az optikai elv szerint a monokromatikus fény legnagyobb mérhető hossza L, a hullámhossz λ és a spektrumvonal szélessége δ L=λ/δ. A kripton-86 lámpával mérhető maximális hosszúság 38,5 cm. Hosszabb objektumok esetén szakaszonként kell mérni, ami csökkenti a pontosságot. Ha hélium-neon gázlézert használnak, akkor akár több tíz kilométert is mérhet. A hosszt általában néhány méteren belül mérik, és a pontossága elérheti a 0,1 mikront.
Lézeres hatótávolság:
Elve ugyanaz, mint a rádióradaré. Miután a lézert a célpontra irányították és elindították, megmérik az oda-vissza út idejét, majd megszorozzák a fénysebességgel, hogy megkapják az oda-vissza út távolságát. Mivel a lézer előnye a nagy irányíthatóság, a nagy monokromatikusság és a nagy teljesítmény, ezek nagyon fontosak a nagy távolságok mérésénél, a céltárgy tájolásának meghatározásában, a vevő rendszer jel-zaj arányának javításában és a mérési pontosság biztosításában. . egyre nagyobb figyelmet kapott. A lézeres távolságmérő alapján kifejlesztett lidar nemcsak a távolságot, hanem a cél irányszögét, sebességét és gyorsulását is képes mérni. A radar 500 és 2000 kilométer között mozog, a hiba csak néhány méter. Jelenleg a rubinlézereket, a neodímium üveglézereket, a szén-dioxid lézereket és a gallium-arzenid lézereket gyakran használják fényforrásként a lézeres távolságmérőkhöz.

Lézeres rezgésmérés:
x
Lézeres sebességmérés:
Ez is egy Doppler-elven alapuló lézeres sebességmérési módszer. A lézeres Doppler áramlásmérőt (lásd a lézeres áramlásmérőt) jobban használják, amely képes mérni a szélcsatorna légáramlási sebességét, a rakéta üzemanyag-áramlási sebességét, a repülőgép-sugár légáramlási sebességét, a légköri szél sebességét és a részecskeméretet és a konvergencia sebességét a kémiai reakciókban stb.