El principio y la aplicación del sensor láser.

Los sensores láser son sensores que utilizan tecnología láser para medir. Consiste en un láser, un detector láser y un circuito de medición. El sensor láser es un nuevo tipo de instrumento de medición. Sus ventajas son que puede realizar mediciones de larga distancia sin contacto, alta velocidad, alta precisión, amplio rango, fuerte capacidad de interferencia eléctrica y anti-luz, etc.
Luz y láseres Los láseres fueron uno de los logros científicos y tecnológicos más significativos que surgieron en la década de 1960. Se ha desarrollado rápidamente y se ha utilizado ampliamente en diversos aspectos, como la defensa nacional, la producción, la medicina y la medición no eléctrica. A diferencia de la luz ordinaria, un láser necesita ser generado por un láser. Para la sustancia de trabajo del láser, en condiciones normales, la mayoría de los átomos se encuentran en un nivel de energía bajo estable E1. Bajo la acción de la luz externa de la frecuencia apropiada, los átomos en el nivel de energía bajo absorben la energía del fotón y se excitan para pasar al nivel de energía alto E2. La energía del fotón E=E2-E1=hv, donde h es la constante de Planck y v es la frecuencia del fotón. Por el contrario, bajo la inducción de luz con frecuencia v, los átomos en el nivel de energía E2 pasarán a un nivel de energía más bajo para liberar energía y emitir luz, lo que se denomina radiación estimulada. El láser primero hace que los átomos de la sustancia de trabajo estén anormalmente en un alto nivel de energía (es decir, la distribución de inversión de población), lo que puede hacer que el proceso de radiación estimulada sea dominante, de modo que la luz inducida de frecuencia v se mejore y pueda atravesar espejos paralelos La amplificación tipo avalancha se forma para generar una poderosa radiación estimulada, que se conoce como láser.

Los láseres tienen 3 propiedades importantes:
1. Alta directividad (es decir, alta directividad, pequeño ángulo de divergencia de la velocidad de la luz), el rango de expansión del rayo láser está a solo unos centímetros de unos pocos kilómetros;
2. Alta monocromaticidad, el ancho de frecuencia del láser es más de 10 veces más pequeño que el de la luz ordinaria;
3. Alto brillo, la temperatura máxima de varios millones de grados puede generarse mediante el uso de la convergencia del rayo láser.

Los láseres se pueden dividir en 4 tipos según la sustancia de trabajo:
1. Láser de estado sólido: Su sustancia de trabajo es sólida. Comúnmente se utilizan láseres de rubí, láseres de granate de itrio y aluminio dopados con neodimio (es decir, láseres YAG) y láseres de vidrio de neodimio. Tienen aproximadamente la misma estructura y se caracterizan por ser pequeños, robustos y de gran potencia. Los láseres de vidrio de neodimio son actualmente los dispositivos con mayor potencia de salida de pulsos, alcanzando decenas de megavatios.
2. Láser de gas: su sustancia de trabajo es el gas. Ahora hay varios láseres de átomos de gas, iones, vapor de metal, moléculas de gas. Comúnmente se utilizan láseres de dióxido de carbono, láseres de neón de helio y láseres de monóxido de carbono, que tienen la forma de tubos de descarga ordinarios y se caracterizan por una salida estable, buena monocromaticidad y larga vida útil, pero con baja potencia y baja eficiencia de conversión.
3. Láser líquido: se puede dividir en láser de quelato, láser líquido inorgánico y láser de colorante orgánico, el más importante de los cuales es el láser de colorante orgánico, su principal característica es que la longitud de onda se puede ajustar continuamente.
4. Láser semiconductor: Es un láser relativamente joven, y el más maduro es el láser GaAs. Se caracteriza por su alta eficiencia, tamaño pequeño, peso ligero y estructura simple, y es adecuado para transportar en aviones, buques de guerra, tanques e infantería. Se puede convertir en telémetros y miras. Sin embargo, la potencia de salida es pequeña, la direccionalidad es pobre y se ve muy afectada por la temperatura ambiente.

Aplicaciones de sensores láser
El uso de las características de alta directividad, alta monocromaticidad y alto brillo del láser puede realizar mediciones de larga distancia sin contacto. Los sensores láser se utilizan a menudo para la medición de cantidades físicas como longitud, distancia, vibración, velocidad y orientación, así como para la detección de defectos y el control de contaminantes atmosféricos.
Medición de longitud láser:
La medición precisa de la longitud es una de las tecnologías clave en la industria de fabricación de maquinaria de precisión y la industria de procesamiento óptico. La medición de longitud moderna se lleva a cabo principalmente mediante el uso del fenómeno de interferencia de las ondas de luz, y su precisión depende principalmente de la monocromaticidad de la luz. El láser es la fuente de luz más ideal, que es 100 000 veces más pura que la mejor fuente de luz monocromática (lámpara de criptón-86) del pasado. Por lo tanto, el rango de medición de la longitud del láser es grande y la precisión es alta. De acuerdo con el principio óptico, la relación entre la longitud máxima medible L de la luz monocromática, la longitud de onda λ y el ancho de la línea espectral δ es L=λ/δ. La longitud máxima que se puede medir con una lámpara de criptón-86 es de 38,5 cm. Para objetos más largos, debe medirse en secciones, lo que reduce la precisión. Si se utiliza un láser de gas helio-neón, puede medir hasta decenas de kilómetros. Generalmente mida la longitud dentro de unos pocos metros, y su precisión puede alcanzar 0,1 micras.
Rango láser:
Su principio es el mismo que el del radar de radio. Después de que el láser apunta al objetivo y se lanza, se mide su tiempo de ida y vuelta y luego se multiplica por la velocidad de la luz para obtener la distancia de ida y vuelta. Debido a que el láser tiene las ventajas de alta directividad, alta monocromaticidad y alta potencia, estas son muy importantes para medir largas distancias, determinar la orientación del objetivo, mejorar la relación señal-ruido del sistema receptor y garantizar la precisión de la medición. . recibió cada vez más atención. El lidar desarrollado sobre la base del telémetro láser no solo puede medir la distancia, sino también el acimut, la velocidad y la aceleración del objetivo. Radar, que van desde 500 a 2000 kilómetros, el error es de sólo unos pocos metros. En la actualidad, los láseres de rubí, láseres de vidrio de neodimio, láseres de dióxido de carbono y láseres de arseniuro de galio se utilizan a menudo como fuentes de luz para telémetros láser.

Medición de vibraciones láser:
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Medición de la velocidad del láser:
También es un método de medición de la velocidad del láser basado en el principio Doppler. El medidor de flujo láser Doppler (ver medidor de flujo láser) se usa más, que puede medir la velocidad del flujo de aire del túnel de viento, la velocidad del flujo de combustible del cohete, la velocidad del flujo de aire del avión, la velocidad del viento atmosférico y el tamaño de las partículas y la velocidad de convergencia en las reacciones químicas, etc.