中文名稱：激光傳感器

　　英文名稱：laser sensor

　　定義：利用激光檢測(cè)原理，將感受的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成可輸出信號(hào)的傳感器。

　　應(yīng)用學(xué)科：機(jī)械工程（一級(jí)學(xué)科）；傳感器（二級(jí)學(xué)科）；傳感器一般名詞（三級(jí)學(xué)科）
 
　　激光傳感器：利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。

　　激　光

　　激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大的科學(xué)技術(shù)成就之一。它發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于國防、生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)和非電測(cè)量等各方面。激光與普通光不同，需要用激光器產(chǎn)生。激光器的工作物質(zhì)，在正常狀態(tài)下，多數(shù)原子處于穩(wěn)定的低能級(jí)E1，在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下，處于低能級(jí)的原子吸收光子能量受激發(fā)而躍遷到高能級(jí)E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h為普朗克常數(shù)，v為光子頻率。反之，在頻率為v的光的誘發(fā)下，處于能級(jí)E2的原子會(huì)躍遷到低能級(jí)釋放能量而發(fā)光，稱為受激輻射。激光器首先使工作物質(zhì)的原子反常地多數(shù)處于高能級(jí)（即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布），就能使受激輻射過程占優(yōu)勢(shì)，從而使頻率為v的誘發(fā)光得到增強(qiáng)，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產(chǎn)生強(qiáng)大的受激輻射光，簡(jiǎn)稱激光�！　�

　　激光具有3個(gè)重要特性：①高方向性（即高定向性，光速發(fā)散角�。�，激光束在幾公里外的擴(kuò)展范圍不過幾厘米；②高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10倍以上；③高亮度，利用激光束會(huì)聚最高可產(chǎn)生達(dá)幾百萬度的溫度。

　　激光器分類

　　激光器按工作物質(zhì)可分為4種。

　�、俟腆w激光器：它的工作物質(zhì)是固體。常用的有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器 （即YAG激光器）和釹玻璃激光器等。它們的結(jié)構(gòu)大致相同，特點(diǎn)是小而堅(jiān)固、功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達(dá)到數(shù)十兆瓦。

　�、跉怏w激光器：它的工作物質(zhì)為氣體�，F(xiàn)已有各種氣體原子、離子、金屬蒸氣、氣體分子激光器。常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形狀如普通放電管，特點(diǎn)是輸出穩(wěn)定，單色性好，壽命長(zhǎng)，但功率較小，轉(zhuǎn)換效率較低。

　�、垡后w激光器：它又可分為螯合物激光器、無機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中最重要的是有機(jī)染料激光器，它的最大特點(diǎn)是波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。

　�、馨雽�(dǎo)體激光器：它是較年輕的一種激光器，其中較成熟的是砷化鎵激光器。特點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜于在飛機(jī)、軍艦、坦克上以及步兵隨身攜帶�？芍瞥蓽y(cè)距儀和瞄準(zhǔn)器。但輸出功率較小、定向性較差、受環(huán)境溫度影響較大。

　　工作原理

　　激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。 常見的是激光測(cè)距傳感器，它通過記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離。激光傳感器必須極其精確地測(cè)定傳輸時(shí)間，因?yàn)楣馑偬�快�?br/>
　　例如，光速約為3´108m/s，要想使分辨率達(dá)到1mm，則傳輸時(shí)間測(cè)距傳感器的電子電路必須能分辨出以下極短的時(shí)間：0.001m（3´108m／s）=3ps

　　要分辨出3ps的時(shí)間，這是對(duì)電子技術(shù)提出的過高要求，實(shí)現(xiàn)起來造價(jià)太高。但是如今的激光測(cè)距傳感器巧妙地避開了這一障礙，利用一種簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，即平均法則實(shí)現(xiàn)了1mm的分辨率，并且能保證響應(yīng)速度。

　　激光傳感器的應(yīng)用

　　利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光傳感器常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測(cè)量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)等。

　　激光測(cè)長(zhǎng)

　　精密測(cè)量長(zhǎng)度是精密機(jī)械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。現(xiàn)代長(zhǎng)度計(jì)量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進(jìn)行的，其精度主要取決于光的單色性的好壞。激光是最理想的光源，它比以往最好的單色光源（氪-86燈）還純10萬倍。因此激光測(cè)長(zhǎng)的量程大、精度高。由光學(xué)原理可知單色光的最大可測(cè)長(zhǎng)度 L與波長(zhǎng)λ和譜線寬度δ之間的關(guān)系是L=λ/δ。用氪－86燈可測(cè)最大長(zhǎng)度為38.5厘米，對(duì)于較長(zhǎng)物體就需分段測(cè)量而使精度降低。若用氦氖氣體激光器，則最大可測(cè)幾十公里。一般測(cè)量數(shù)米之內(nèi)的長(zhǎng)度，其精度可達(dá)0.1微米。

　　激光測(cè)距

　　它的原理與無線電雷達(dá)相同，將激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測(cè)量它的往返時(shí)間，再乘以光速即得到往返距離。由于激光具有高方向性、高單色性和高功率等優(yōu)點(diǎn)，這些對(duì)于測(cè)遠(yuǎn)距離、判定目標(biāo)方位、提高接收系統(tǒng)的信噪比、保證測(cè)量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測(cè)距儀日益受到重視。在激光測(cè)距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光雷達(dá)不僅能測(cè)距，而且還可以測(cè)目標(biāo)方位、運(yùn)運(yùn)速度和加速度等，已成功地用于人造衛(wèi)星的測(cè)距和跟蹤，例如采用紅寶石激光器的激光雷達(dá)，測(cè)距范圍為500～2000公里，誤差僅幾米。不久前，真尚有的研發(fā)中心研制出的LDM系列測(cè)距傳感器，可以在數(shù)千米測(cè)量范圍內(nèi)的精度可以達(dá)到微米級(jí)別。目前常采用紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化鎵激光器作為激光測(cè)距儀的光源。

　　激光測(cè)振

　　它基于多普勒原理測(cè)量物體的振動(dòng)速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的觀察者相對(duì)于傳播波的媒質(zhì)而運(yùn)動(dòng)，那么觀察者所測(cè)到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動(dòng)頻率而且還取決于波源或觀察者的運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向。所測(cè)頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動(dòng)方向與方向一致時(shí)多普頻移 fd=v/λ，式中v 為振動(dòng)速度、λ為波長(zhǎng)。在激光多普勒振動(dòng)速度測(cè)量?jī)x中，由于光往返的原因，fd =2v/λ。這種測(cè)振儀在測(cè)量時(shí)由光學(xué)部分將物體的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的多普勒頻移，并由光檢測(cè)器將此頻移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由電路部分作適當(dāng)處理后送往多普勒信號(hào)處理器將多普勒頻移信號(hào)變換為與振動(dòng)速度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，最后記錄于磁帶。這種測(cè)振儀采用波長(zhǎng)為6328埃（┱）的氦氖激光器，用聲光調(diào)制器進(jìn)行光頻調(diào)制，用石英晶體振蕩器加功率放大電路作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)源，用光電倍增管進(jìn)行光電檢測(cè)，用頻率跟蹤器來處理多普勒信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，不需要固定參考系，不影響物體本身的振動(dòng)，測(cè)量頻率范圍寬、精度高、動(dòng)態(tài)范圍大。缺點(diǎn)是測(cè)量過程受其他雜散光的影響較大。

　　激光測(cè)速

　　它也是基多普勒原理的一種激光測(cè)速方法，用得較多的是激光多普勒流速計(jì)（見激光流量計(jì)），它可以測(cè)量風(fēng)洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風(fēng)速和化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。

　　某咨詢公司的傳感器市場(chǎng)報(bào)告顯示，2008年全球傳感器市場(chǎng)容量為506億美元，預(yù)計(jì)2010年全球傳感器市場(chǎng)可達(dá)600億美元以上。調(diào)查顯示，東歐、亞太區(qū)和加拿大成為傳感器市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的地區(qū)，而美國、德國、日本依舊是傳感器市場(chǎng)分布最大的地區(qū)。到現(xiàn)在，真尚有公司等世界高端傳感器制造商開始進(jìn)入中國大陸，并且設(shè)立了技術(shù)開發(fā)部門。就世界范圍而言，傳感器市場(chǎng)上增長(zhǎng)最快的依舊是汽車市場(chǎng)，占第二位的是過程控制市場(chǎng)，看好通訊市場(chǎng)前景。

　　一些傳感器市場(chǎng)比如壓力傳感器、溫度傳感器、流量傳感器、水平傳感器已表現(xiàn)出成熟市場(chǎng)的特征。流量傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器的市場(chǎng)規(guī)模最大，分別占到整個(gè)傳感器市場(chǎng)的21%、19%和14%。傳感器市場(chǎng)的主要增長(zhǎng)來自于無線傳感器、MEMS（Micro-Electro-MechanicalSystems，微機(jī)電系統(tǒng)）傳感器、生物傳感器等新興傳感器。其中，無線傳感器在2007-2010年復(fù)合年增長(zhǎng)率預(yù)計(jì)會(huì)超過25%。

　　目前，全球的傳感器市場(chǎng)在不斷變化的創(chuàng)新之中呈現(xiàn)出快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)。有關(guān)專家指出，傳感器領(lǐng)域的主要技術(shù)將在現(xiàn)有基礎(chǔ)上予以延伸和提高，各國將競(jìng)相加速新一代傳感器的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，競(jìng)爭(zhēng)也將日益激烈。在高端技術(shù)傳感器領(lǐng)域，真尚有等國際傳感器巨頭也已經(jīng)進(jìn)入國內(nèi)市場(chǎng)，并直接在中國設(shè)立技術(shù)研發(fā)部。新技術(shù)的發(fā)展將重新定義未來的傳感器市場(chǎng)，比如無線傳感器、光纖傳感器、智能傳感器和金屬氧化傳感器等新型傳感器的出現(xiàn)與市場(chǎng)份額的擴(kuò)大。

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