Il principio e l'applicazione del sensore laser

I sensori laser sono sensori che utilizzano la tecnologia laser per misurare. È costituito da un laser, un rilevatore laser e un circuito di misurazione. Il sensore laser è un nuovo tipo di strumento di misura. I suoi vantaggi sono che può realizzare misurazioni a lunga distanza senza contatto, alta velocità, alta precisione, ampia portata, forte capacità anti-luce e di interferenza elettrica, ecc.
Luce e laser I laser sono stati una delle conquiste scientifiche e tecnologiche più significative emerse negli anni '60. Si è sviluppato rapidamente ed è stato ampiamente utilizzato in vari aspetti come la difesa nazionale, la produzione, la medicina e le misurazioni non elettriche. A differenza della luce ordinaria, un laser deve essere generato da un laser. Per la sostanza di lavoro del laser, in condizioni normali, la maggior parte degli atomi si trova in un livello stabile di bassa energia E1. Sotto l'azione della luce esterna di frequenza appropriata, gli atomi nel livello a bassa energia assorbono l'energia del fotone e sono eccitati per passare al livello ad alta energia E2. L'energia del fotone E=E2-E1=hv, dove h è la costante di Planck e v è la frequenza del fotone. Al contrario, sotto l'induzione della luce con frequenza v, gli atomi al livello energetico E2 passeranno a un livello energetico inferiore per rilasciare energia ed emettere luce, che è chiamata radiazione stimolata. Il laser crea prima gli atomi della sostanza di lavoro in modo anomalo a un livello di energia elevato (ovvero la distribuzione di inversione della popolazione), che può rendere dominante il processo di radiazione stimolata, in modo che la luce indotta di frequenza v sia potenziata e possa passare attraverso specchi paralleli L'amplificazione di tipo a valanga è formata per generare una potente radiazione stimolata, chiamata laser.

I laser hanno 3 importanti proprietà:
1. Alta direttività (ovvero alta direttività, piccolo angolo di divergenza della velocità della luce), il raggio di espansione del raggio laser è a pochi centimetri da pochi chilometri;
2. Elevata monocromaticità, la larghezza di frequenza del laser è più di 10 volte inferiore a quella della luce ordinaria;
3. Alta luminosità, la temperatura massima di diversi milioni di gradi può essere generata mediante l'uso della convergenza del raggio laser.

I laser possono essere suddivisi in 4 tipi in base alla sostanza di lavoro:
1. Laser a stato solido: la sua sostanza di lavoro è solida. Sono comunemente usati laser a rubino, laser a granato di ittrio e alluminio drogati al neodimio (cioè laser YAG) e laser a vetro al neodimio. Hanno all'incirca la stessa struttura e si caratterizzano per essere piccoli, robusti e ad alta potenza. I laser al neodimio sono attualmente i dispositivi con la più alta potenza di uscita dell'impulso, raggiungendo decine di megawatt.
2. Laser a gas: la sua sostanza di lavoro è il gas. Ora ci sono vari laser ad atomi di gas, ioni, vapori metallici, molecole di gas. Sono comunemente usati laser ad anidride carbonica, laser a elio neon e laser a monossido di carbonio, che hanno la forma di normali tubi a scarica e sono caratterizzati da uscita stabile, buona monocromaticità e lunga durata, ma con bassa potenza e bassa efficienza di conversione.
3. Laser liquido: può essere suddiviso in laser chelato, laser liquido inorganico e laser a colorante organico, il più importante dei quali è il laser a colorante organico, la sua più grande caratteristica è che la lunghezza d'onda è regolabile in continuo.
4. Laser a semiconduttore: è un laser relativamente giovane e quello più maturo è il laser GaAs. È caratterizzato da alta efficienza, dimensioni ridotte, peso leggero e struttura semplice ed è adatto per il trasporto su aeroplani, navi da guerra, carri armati e fanteria. Può essere trasformato in telemetri e mirini. Tuttavia, la potenza di uscita è ridotta, la direzionalità è scarsa ed è fortemente influenzata dalla temperatura ambiente.

Applicazioni dei sensori laser
Utilizzando le caratteristiche di alta direttività, alta monocromaticità e alta luminosità del laser è possibile realizzare misurazioni a lunga distanza senza contatto. I sensori laser sono spesso utilizzati per la misurazione di grandezze fisiche come lunghezza, distanza, vibrazione, velocità e orientamento, nonché per il rilevamento di difetti e il monitoraggio degli inquinanti atmosferici.
Misurazione laser della lunghezza:
La misurazione precisa della lunghezza è una delle tecnologie chiave nell'industria manifatturiera di macchinari di precisione e nell'industria di elaborazione ottica. La moderna misurazione della lunghezza viene eseguita principalmente utilizzando il fenomeno dell'interferenza delle onde luminose e la sua precisione dipende principalmente dalla monocromaticità della luce. Il laser è la fonte di luce più ideale, che è 100.000 volte più pura della migliore fonte di luce monocromatica (lampada krypton-86) in passato. Pertanto, l'intervallo di misurazione della lunghezza del laser è ampio e la precisione è elevata. Secondo il principio ottico, il rapporto tra la massima lunghezza misurabile L della luce monocromatica, la lunghezza d'onda Δ e l'ampiezza della linea spettrale δ è L=λ/δ. La lunghezza massima misurabile con una lampada krypton-86 è di 38,5 cm. Per oggetti più lunghi, deve essere misurato in sezioni, il che riduce la precisione. Se viene utilizzato un laser a gas elio-neon, può misurare fino a decine di chilometri. Generalmente misura la lunghezza entro pochi metri e la sua precisione può raggiungere 0,1 micron.
Gamma laser:
Il suo principio è lo stesso di quello del radar radio. Dopo che il laser è stato puntato sul bersaglio e lanciato, il suo tempo di andata e ritorno viene misurato e quindi moltiplicato per la velocità della luce per ottenere la distanza di andata e ritorno. Poiché il laser presenta i vantaggi di alta direttività, alta monocromaticità e alta potenza, questi sono molto importanti per misurare lunghe distanze, determinare l'orientamento del bersaglio, migliorare il rapporto segnale-rumore del sistema ricevente e garantire l'accuratezza della misurazione . riceveva sempre maggiore attenzione. Il lidar sviluppato sulla base del telemetro laser può non solo misurare la distanza, ma anche misurare l'azimut, la velocità e l'accelerazione del bersaglio. Radar, che va da 500 a 2000 chilometri, l'errore è solo di pochi metri. Attualmente, i laser a rubino, i laser al neodimio, i laser ad anidride carbonica e i laser all'arseniuro di gallio sono spesso usati come sorgenti luminose per i telemetri laser.

Misurazione delle vibrazioni laser:
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Misurazione della velocità del laser:
È anche un metodo di misurazione della velocità laser basato sul principio Doppler. Il misuratore di portata laser Doppler (vedi misuratore di portata laser) viene utilizzato di più, che può misurare la velocità del flusso d'aria nella galleria del vento, la velocità del flusso del carburante per razzi, la velocità del flusso d'aria del getto dell'aeromobile, la velocità del vento atmosferico e la dimensione delle particelle e la velocità di convergenza nelle reazioni chimiche, ecc.