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激光传感器的原来与应用
 
更新时间:2010.12.15 浏览次数:
 

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。

激光和激光器——激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速,已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。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取光子能量受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强大的受激辐射光,简称激光。激光具有3个重要特性:
(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;
(2)高单色性,激光的频率宽度比普通光小10倍以上;
(3)高亮度,利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。
激光器按工作物质可分为4种:
(1)固体激光器:它的工作物质是固体。常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器 (即YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构大致相同,特点是小而坚固、功率高,钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件,已达到数十兆瓦。
(2)气体激光器:它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器,其形状如普通放电管,特点是输出稳定,单色性好,寿命长,但功率较小,转换效率较低。
(3)液体激光器:它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器,其中最重要的是有机染料激光器,它的最大特点是波长连续可调。
(4)半导体激光器:它是较年轻的一种激光器,其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单,适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。

应用——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。

激光测长——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(氪-86灯)还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。由光学原理可知单色光的最大可测长度 L与波长λ和谱线宽度δ之间的关系是L=λ2/δ。用氪-86灯可测最大长度为38.5厘米,对于较长物体就需分段测量而使精度降低。若用氦氖气体激光器,则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度,其精度可达0.1微米。

激光测距——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激光雷达不仅能测距,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,例如采用红宝石激光器的激光雷达,测距范围为500~2000公里,误差仅几米。目前常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。

激光测厚——利用三角测距原理,上位于C型架的上、下方分割有一个精密激光测距传感器,由激光器发射出的调制激光打到被测物的表面,通过对线阵 CCD的信号进行采样处理,线阵CCD摄像机在控制电路的控制下同步得到被测物到C型架之间的距离,通过传感器反馈的数据来计算中间被测物的厚度。由于检测是连续进行的,因此就可以得到被测物的连续动态厚度值。
影响激光测厚精度的安装因素:
和其它传感器测厚一样,要实现精密测厚需要注意以下条件,否则再好的传感器也测不准。精密测厚,选精密激光位移传感器很重要,但如果两个传感器不能同步工作,安装不同轴,则根本测不准:
(1)单激光位移传感器测厚
被测体放在测量平台上,测量出传感器到平台表面距离,然后再测出传感器到被测体表面间距,经计算后测出厚度。要求被测体与测量平台之间无气隙,被测体无翘起。这些严格要求只有在离线情况能实现。
(2)双激光位移传感器测厚
在被测体上方和下方各安装一个激光位移传感器,被测体厚度D=C-(A+B)。其中,C是两个传感器之间距离,A是上面传感器到被测体之间距离,B是下面传感器到被测体之间距离。在线厚度测量用这种方法优点是可消除被测体振动对测量结果的影响。但同时对传感器安装和性能有要求。保证测量准确性的条件是:两个传感器发射光束必须同轴,以及两个传感器扫描必须同步。同轴是靠安装实现,而同步要靠选择有同步端激光传感器。
不同步将代来很大误差:如果被测体存在振动频率20HZ,振幅1mm,如果信号不同步延迟1ms,那么就会带来125µm误差。
安装使两个激光同轴,不但确保被测体同一位置上的厚度,同时降低了被测体倾斜带来的误差。以被测体运动方向不同轴为例,当不同轴1mm,被测体倾斜2°可带来35µm误差。
激光三角漫反射位移传感器用于测厚有明显优点:
(1)非常小的测量光斑,是点光斑面积,它比面积型非接触电容、电涡流传感器需要的面积小很多,对被测体面积几乎无要求,适合测量非常小面积尺寸厚度;
(2)较远的测量范围起始间距。它比非接触电容、电涡流传感器起始间距大很多。这样传感器可以远离被测体,免受碰坏,及被测体热辐射影响;
(3)有很大的测量范围,这是其它传感器很难做到的;
(4)与被测体材料无关,即金属非金属体,非透明有漫反射条件表面都能测。
(5)用激光测厚取代同位素测厚,可以消除对用户的放射性损害。

激光测振——它基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指:若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动,那么观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率而且还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。在振动方向与方向一致时多普频移 fd=v/λ,式中v 为振动速度、λ为波长。在激光多普勒振动速度测量仪中,由于光往返的原因,fd =2v/λ。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。这种测振仪采用波长为6328埃(┱)的氦氖激光器,用声光调制器进行光频调制,用石英晶体振荡器加功率放大电路作为声光调制器的驱动源,用光电倍增管进行光电检测,用频率跟踪器来处理多普勒信号。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。

激光测速——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(见激光流量计),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。
多普勒测速系统(Doppler velocity-measuring system)原理:
从开过来的机车所听到的声波间的距离被压缩了,就好像一个人正在关手风琴。这个动作的结果产生一个明显的较高的音调。当火车离去时,声波传播开来,就出现了较低的声音--这种现象被称为“多普勒”效应。
检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。从测速仪里射出一束射线,射到汽车上再返回测速仪。测速仪里面的微型信息处理机把返回的波长与原波长进行比较。返回波长越紧密,前进的汽车速度也越快--那就证明驾驶员超速驾驶的可能性也越大。
激光多普勒测速仪是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号,再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量,对于流场没有干扰,测速范围宽,而且由于多普勒频率与速度是线性关系,和该点的温度,压力没有关系,是目前世界上速度测量精度最高的仪器。
多普勒测速工作原理可以用干涉条纹来说明。当聚焦透镜把两束入射光以某角会聚后,由干激光束良好的相干性,在会聚点上形成明暗相间的干涉条纹,条纹间隔正比干光波波长,而反比干半交角的正弦值。当流体中的粒子从条纹区的方向经过时,会依次散射出光强随时间变化的一列散射光波,称为多普勒信号。这列光波强度变化的频率称为多普勒频移。经过条纹区粒子的速度愈高,多普勒频移就愈高。将垂直于条纹方向上的粒子速度,除以条纹间隔,考虑到流体的折射率就能得到多普勒频移与流体速度之间线性关系。多普勒测速系统就是利用速度与多谱勒频移的线性关系来确定速度的。各个方向上的多普勒频率的相位差和粒子的直径成正比,利用监测到的相位差可以来确定粒径。
光学测速测长系统相对于传统的测速测长系统(编码器或测速电机)的优势是:
(1)编码器或测速马达测量都是依靠测速辊与被测量物体的摩擦来实现的,存在摩擦的地方就会有相对滑动的存在,尤其是在速度变化的过程中滑动更明显,此时会产生较明显的误差;而多普勒测量系统是非接触测量,从原理上消除了这个误差。
(2)接触式测量过程中,当生产的产品为对表面光洁度要求非常高的产品时,比如不锈钢板带,容易对表面产生损伤,而采用多普勒测量系统完全避免。
(3)编码器或测速马达是机械类产品,长期的运转存在机械磨损,从而影响到测量精度,而多普勒测量系统属于光学仪器,内部没有机械磨损,不存在随运行时间而测量精度变化的问题。
(4)在钢铁的轧机或平整机运行过程中,由于在板带上有巨大的张力,在高速运行中会产生高频振动,对接触式的测速系统影响非常大。比如在平整机上,采用编码器对平整机的延长率进行控制时,实际测量的结果是板带平整后的延长率是在3%-15%之间变化,升速或降速时编码器信号由于摩擦打滑的影响无法参与控制。冷轧板带的延长率直接影响的是深冲性能,延长率控制不好,生产的成品板带的质量级别无法提高,无法满足比如家电生产企业,汽车生产企业等对深冲成型性能要求非常高的企业的要求。采用多普勒测量系统进行控制时,延长率一般可以控制在目标值的0.25%左右波动,优势非常明显。而且轧机的升速,降速对其性能无任何影响,所以整卷钢带的成材率可以高达97%以上,效益非常明显。而采用编码器时,由于受到诸多限制,成材率一般低于85%。

材料表面反射系数对激光传感器的影响
激光漫反射位移传感器正常工作的前提是要求被测物体表面具有漫反射条件,出厂时厂家是用白陶瓷作为标准面。
反射系数是光输入到表面能量与返回能量之比。光亮表面反射系数高,例如白纸就高,粗糙或黑色表面反射系数低,例如黑橡胶就低。并不是反射系数愈大愈好,当反射系数100%时,例如镜面时,激光成像光斑被100%反射回到激光光源,而接受漫反射的CCD端无成像光,所以镜面就不能正常工作。反之当反射系数为0%时绝对黑体,入射光被百分百吸取,无反射光,传感器也不能工作。只有反射系数<100%,和>0%之间,激光漫反射传感器才能可靠工作。
各种材料表面反射系数:
白陶瓷      约95%
白纸        约75-80%
金属材料    约55-60%
黑纸        约5%
黑橡胶      约3-5%
黑绒布      约0.5%

激光传感器所能解决其它技术无法解决的问题
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韦德国际1946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,普通韦德国际1946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。
(1)待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内。
(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。
(3)需要可见光斑进行位置校准的场合。
(4)多风的场合。
(5)真空场合。
(6)温度梯度较大的场合。因为这种情况下会造成声速的变化。
(7)需要快速响应的场合。
而激光传感器能解决上述所有场合的检测。

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