第八章新型傳感器2(激光)

1、8.2 CCD圖象傳感器圖象傳感器 8.1 光纖傳感器光纖傳感器 在在20世紀(jì)世紀(jì)70年代，隨著新材料、新技術(shù)、新要求不斷涌現(xiàn)，年代，隨著新材料、新技術(shù)、新要求不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)外出現(xiàn)了以光纖傳感器為代表的一大批新型傳感器，代表了傳國內(nèi)外出現(xiàn)了以光纖傳感器為代表的一大批新型傳感器，代表了傳感技術(shù)的最新成果，適應(yīng)了社會發(fā)展的新需求。本章主要講感技術(shù)的最新成果，適應(yīng)了社會發(fā)展的新需求。本章主要講5種：種：8.3 激光與紅外傳感器激光與紅外傳感器8.4 超聲波與聲表面波傳感器超聲波與聲表面波傳感器8.5 核輻射傳感器核輻射傳感器 3復(fù)習(xí)：復(fù)習(xí)：1.光纖的一大優(yōu)點(diǎn)是什么？光纖的一大優(yōu)點(diǎn)是什么？2. 光纖傳

2、光的基本原理是什么？光纖傳光的基本原理是什么？3.光纖數(shù)值孔徑的物理含義是什么？光纖數(shù)值孔徑的物理含義是什么？4.按照光纖在傳感器的作用，光纖傳感器分為分為哪兩按照光纖在傳感器的作用，光纖傳感器分為分為哪兩類？類？ 微彎損耗式光纖傳感器屬于哪一類？微彎損耗式光纖傳感器屬于哪一類？5.微彎損耗式光纖傳感器的工作原理是什么？微彎損耗式光纖傳感器的工作原理是什么？ 4激光傳感器：以激光為光源的光電式傳感器。激光傳感器：以激光為光源的光電式傳感器。 什么是激光：由受激輻射的光放大。什么是激光：由受激輻射的光放大。 19641964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激

3、光受激發(fā)射發(fā)射”改稱改稱“激光激光”。 8.3 激光與紅外傳感器激光與紅外傳感器 激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電激光傳感器是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應(yīng)的電路所組成的。路所組成的。 激光應(yīng)用的領(lǐng)域，主要有工業(yè)、激光應(yīng)用的領(lǐng)域，主要有工業(yè)、醫(yī)療醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和、商業(yè)、科研、信息和 軍事六個領(lǐng)域。軍事六個領(lǐng)域。 根據(jù)激光的特點(diǎn)可用于：根據(jù)激光的特點(diǎn)可用于： 激光焊接激光焊接 、激光切割、激光切割 、激光打孔、激光打孔 、激光快速成型、激光快速成型 ，激光測速、測距。激光測速、測距。8.3.1 激光傳感器激光傳感器56激光打印機(jī)激光打印機(jī)7激光切割激光切割8激光測距儀激

4、光測距儀9一、激光的形成與特性一、激光的形成與特性 1、激光的形成、激光的形成 原子在正常分布狀態(tài)下，多原子在正常分布狀態(tài)下，多處于穩(wěn)定的低能級處于穩(wěn)定的低能級E El l狀態(tài)。如果狀態(tài)。如果沒有外界的作用，原于可以長期沒有外界的作用，原于可以長期保持這個狀態(tài)。若在外界光子的保持這個狀態(tài)。若在外界光子的作用下，原子吸收光子的能量作用下，原子吸收光子的能量hh后，由低能級后，由低能級E El l向高能級向高能級E E2 2躍遷的過程，叫做原子的躍遷的過程，叫做原子的激發(fā)激發(fā)。原子處于激發(fā)的時間是非常短的，原子處于激發(fā)的時間是非常短的，處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地處于激發(fā)狀態(tài)的原子能夠很快地躍遷到

5、低能級上去，同時輻射出躍遷到低能級上去，同時輻射出光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)的原子光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)的原子自發(fā)地從高能級躍遷到低能級上自發(fā)地從高能級躍遷到低能級上去而發(fā)光，叫做原子的去而發(fā)光，叫做原子的自發(fā)輻射。自發(fā)輻射。 粒子能級的正常分布粒子能級的正常分布激發(fā)與自發(fā)輻射過程激發(fā)與自發(fā)輻射過程10如果處于高能級的原子在外界作用影響下，發(fā)射光子而躍遷如果處于高能級的原子在外界作用影響下，發(fā)射光子而躍遷到低能級上去，這種發(fā)光叫做原子的到低能級上去，這種發(fā)光叫做原子的受激輻射受激輻射。11在受激輻射過程中，發(fā)射光子不僅在能量上在受激輻射過程中，發(fā)射光子不僅在能量上( (或頻率上或頻率上) )和入射

6、光子和入射光子相同，它們在相位、振動方向和發(fā)射方向上也完全一樣。如果這些相同，它們在相位、振動方向和發(fā)射方向上也完全一樣。如果這些光子再引起其他原子發(fā)生受激輻射，這些原子所發(fā)射的光子在相位、光子再引起其他原子發(fā)生受激輻射，這些原子所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動方向和頻率上也都和最初引起受激輻射的入射光子發(fā)射方向、振動方向和頻率上也都和最初引起受激輻射的入射光子相同，如圖相同，如圖a a所示。這樣，在一個入射光子影響下，會引起大量原所示。這樣，在一個入射光子影響下，會引起大量原子的受激輻射，它們所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動方向和子的受激輻射，它們所發(fā)射的光子在相位、發(fā)射方向、振動方向和

7、頻率上都完全一樣，這一過程稱為頻率上都完全一樣，這一過程稱為光放大光放大。另一方面，能量為另一方面，能量為hh的光子在媒質(zhì)中傳播時，也可以被處于的光子在媒質(zhì)中傳播時，也可以被處于E E1 1能能級上的粒子所吸收；而使這粒子躍遷到級上的粒子所吸收；而使這粒子躍遷到E E2 2能級上去。在此情況下，能級上去。在此情況下，入射光子被吸收而減少，如圖入射光子被吸收而減少，如圖b b所示。這個過程叫做所示。這個過程叫做光的吸收光的吸收。 光的放大和吸收過程往往是光的放大和吸收過程往往是同時進(jìn)行的，總的結(jié)果可以同時進(jìn)行的，總的結(jié)果可以是加強(qiáng)或減弱，這取決于這是加強(qiáng)或減弱，這取決于這一對矛盾中哪一方處于支配

8、一對矛盾中哪一方處于支配地位。地位。12激光是媒質(zhì)的粒子激光是媒質(zhì)的粒子( (原子或分子原子或分子) )受激輻射產(chǎn)生的，但它受激輻射產(chǎn)生的，但它必須具備下述的條件才能得到。必須具備下述的條件才能得到。 (1).(1).粒子數(shù)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)為了形成受激輻射，必須設(shè)法使某一高能級的原子數(shù)多于低能為了形成受激輻射，必須設(shè)法使某一高能級的原子數(shù)多于低能級的原子數(shù)。原子數(shù)的這種分布稱為級的原子數(shù)。原子數(shù)的這種分布稱為粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。能形成粒子粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作介質(zhì)叫數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作介質(zhì)叫增益介質(zhì)增益介質(zhì)。13要想產(chǎn)生激光，單靠外界激發(fā)而得到的初級受激輻射是不行的。要想產(chǎn)生激光，單靠外界激

9、發(fā)而得到的初級受激輻射是不行的。實(shí)際的激光器都是由工作物質(zhì)和一個光學(xué)共振腔組成。實(shí)際的激光器都是由工作物質(zhì)和一個光學(xué)共振腔組成。光學(xué)共振腔由兩端為各種形狀的曲面反射鏡構(gòu)成。最簡單的光學(xué)光學(xué)共振腔由兩端為各種形狀的曲面反射鏡構(gòu)成。最簡單的光學(xué)共振腔是兩面相互平行的平面反射鏡，鏡面對光有很高的反射率，共振腔是兩面相互平行的平面反射鏡，鏡面對光有很高的反射率，而工作物質(zhì)封裝在有兩個反射鏡的封閉體中。而工作物質(zhì)封裝在有兩個反射鏡的封閉體中。 b )a )c )圖 9 . 4 . 4 光 振 蕩 器 的 工 作 過 程(2).(2).激光器的光振蕩放大激光器的光振蕩放大14當(dāng)工作物質(zhì)產(chǎn)生受激輻射時，受激

10、輻射光在兩反射鏡之間作一當(dāng)工作物質(zhì)產(chǎn)生受激輻射時，受激輻射光在兩反射鏡之間作一定次數(shù)的往返反射，而每次返回時都經(jīng)過建立了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分定次數(shù)的往返反射，而每次返回時都經(jīng)過建立了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)，這樣使受激輻射一次又一次地加強(qiáng)，如下圖所布的工作物質(zhì)，這樣使受激輻射一次又一次地加強(qiáng)，如下圖所示。這樣幾十次、幾百次的往返，直至能獲得單方向的強(qiáng)度非示。這樣幾十次、幾百次的往返，直至能獲得單方向的強(qiáng)度非常集中的激光輸出為止。我們把激光在共振腔內(nèi)往返放大過程常集中的激光輸出為止。我們把激光在共振腔內(nèi)往返放大過程叫做叫做振蕩放大振蕩放大。b)a)c)圖9.4.4 光振蕩器的工作過程光振蕩器的工作過程光

11、振蕩器的工作過程15(3).(3).激光輸出激光輸出 激光光束在激光器的共振腔內(nèi)往返振蕩放大，那么怎樣輸出激光光束在激光器的共振腔內(nèi)往返振蕩放大，那么怎樣輸出呢呢? ?共振腔內(nèi)反射鏡起著反射光束并使其往返振蕩的作用，從共振腔內(nèi)反射鏡起著反射光束并使其往返振蕩的作用，從光放大角度看，反射率越高，光損失越小，放大效果越好。光放大角度看，反射率越高，光損失越小，放大效果越好。在實(shí)際設(shè)計中，將一側(cè)反射鏡設(shè)計得盡量使它對激光波長的在實(shí)際設(shè)計中，將一側(cè)反射鏡設(shè)計得盡量使它對激光波長的反射率接近反射率接近100%100%，而另一側(cè)反射鏡則稍低一些，比如，而另一側(cè)反射鏡則稍低一些，比如98%98%以上。以上。

12、這樣這一端的透鏡將有激光穿透，這一端即為激光的輸出端。這樣這一端的透鏡將有激光穿透，這一端即為激光的輸出端。對于輸出端透鏡的反射率要適當(dāng)選擇，如果反射率太低，雖對于輸出端透鏡的反射率要適當(dāng)選擇，如果反射率太低，雖然透光能力強(qiáng)了，但對腔內(nèi)光束損失太大，就會影響振蕩器然透光能力強(qiáng)了，但對腔內(nèi)光束損失太大，就會影響振蕩器放大倍數(shù)，這樣輸出必然減弱。目前最佳反射率一般在給定放大倍數(shù)，這樣輸出必然減弱。目前最佳反射率一般在給定激光條件下由實(shí)驗(yàn)來確定。激光條件下由實(shí)驗(yàn)來確定。 16產(chǎn)生激光必須滿足下列三個條件：產(chǎn)生激光必須滿足下列三個條件：(3)具有反復(fù)進(jìn)行受激輻射場所的具有反復(fù)進(jìn)行受激輻射場所的光學(xué)諧振

13、腔光學(xué)諧振腔。 (2)具有供給能量的具有供給能量的激勵源激勵源； (1)具有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)具有能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的工作物質(zhì)增益介質(zhì)增益介質(zhì)。 17(1) (1) 高方向性高方向性高方向性就是高平行度，即光束的發(fā)散角小。激光束的發(fā)高方向性就是高平行度，即光束的發(fā)散角小。激光束的發(fā)散角已達(dá)到幾分甚至更小。所以通常稱激光是平行光。散角已達(dá)到幾分甚至更小。所以通常稱激光是平行光。(2) (2) 高亮度高亮度激光在單位面積上集中的能量很高。一臺較高水平的紅寶激光在單位面積上集中的能量很高。一臺較高水平的紅寶石脈沖激光器亮度達(dá)比太陽的發(fā)光亮度高出很多倍。把這石脈沖激光器亮度達(dá)比太陽的發(fā)光

14、亮度高出很多倍。把這種高亮度的激光束會聚后能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫。在種高亮度的激光束會聚后能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫。在這種高溫下，就是最難熔的金屬，在一瞬間也會熔化。這種高溫下，就是最難熔的金屬，在一瞬間也會熔化。 2、激光的特性、激光的特性: 18(3) (3) 高單色性高單色性單色光是指譜線寬度很窄的一段光波。用單色光是指譜線寬度很窄的一段光波。用表示波長，表示波長，表表示譜線寬度，示譜線寬度， 則越小，單色性越好。在普通光源中最好的則越小，單色性越好。在普通光源中最好的單色光源是氪單色光源是氪(Kr86)(Kr86)燈。它的燈。它的而普通的氦氖激光器所產(chǎn)生的激光而普通的氦氖激光器所產(chǎn)生

15、的激光從上面數(shù)字可以看出：激光的譜線寬度比普通光源相比提高了從上面數(shù)字可以看出：激光的譜線寬度比普通光源相比提高了幾萬倍，因此激光是最好的單色光源。幾萬倍，因此激光是最好的單色光源。(4) (4) 高相干性高相干性相干性就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性相干性就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)。普通光源是非相干光源，而激光是極好的相干光源。質(zhì)。普通光源是非相干光源，而激光是極好的相干光源。 nm00047. 0nm7 .605 ，nm10nm8 .6328- ，19激光器的種類很多。按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固激光器的種類很多。按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體

16、、固體、半導(dǎo)體激光器。體、半導(dǎo)體激光器。 （1 1）氣體激光器）氣體激光器 氦氖激光器是應(yīng)用最廣泛的氣體激光器。氦氖激光器是應(yīng)用最廣泛的氣體激光器。 二氧化碳二氧化碳(CO2)(CO2)激光器是典型的分子氣體激光器。激光器是典型的分子氣體激光器。 特點(diǎn)：小巧，能連續(xù)工作，單色性好，但輸出功率特點(diǎn)：小巧，能連續(xù)工作，單色性好，但輸出功率 不及固體激光器。不及固體激光器。3、激光器的種類、激光器的種類: （2 2）固體激光器）固體激光器 固體激光器的工作物質(zhì)主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常固體激光器的工作物質(zhì)主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石用的是紅寶石( (摻鉻摻鉻) )、釹玻璃、釹玻璃(

17、 (摻釹摻釹) )、釔鋁石榴石、釔鋁石榴石( (摻釹摻釹) )。 20紅寶石激光器紅寶石激光器 21（3 3）液體激光器）液體激光器 工作物質(zhì)一類是有機(jī)染料溶液，一類是含有稀土離子的無機(jī)工作物質(zhì)一類是有機(jī)染料溶液，一類是含有稀土離子的無機(jī)化合物溶液，其中金屬離子起工作粒子作用。化合物溶液，其中金屬離子起工作粒子作用。 液體激光器的最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長可以在一定范圍液體激光器的最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，而不降低效率。內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，而不降低效率。（4 4）半導(dǎo)體激光器）半導(dǎo)體激光器 半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是某些性能合適的半導(dǎo)體材料，如半導(dǎo)體激光器的工作物質(zhì)是某些性能合適的

18、半導(dǎo)體材料，如砷化鎵砷化鎵(GaAs)(GaAs)、砷磷化鎵、砷磷化鎵(GaAs P)(GaAs P)、磷化銦、磷化銦(1nP)(1nP)等。等。半導(dǎo)體激光器最明顯的特點(diǎn)是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。半導(dǎo)半導(dǎo)體激光器最明顯的特點(diǎn)是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。半導(dǎo)體激光器本身只有針孔那么大，長度還不到體激光器本身只有針孔那么大，長度還不到lmmlmm，將它裝在一個晶，將它裝在一個晶體管模樣的外殼內(nèi)或在它的兩面安裝上電極，其重量不超過體管模樣的外殼內(nèi)或在它的兩面安裝上電極，其重量不超過2g2g，因此使用起來十分方便。它可以做成小型激光通訊機(jī)，或做成裝因此使用起來十分方便。它可以做成小型激光通訊機(jī)，或做

19、成裝在飛機(jī)上的激光測距儀或裝在人造衛(wèi)星和宇宙飛船上作為精密跟在飛機(jī)上的激光測距儀或裝在人造衛(wèi)星和宇宙飛船上作為精密跟蹤和導(dǎo)航用激光雷達(dá)。蹤和導(dǎo)航用激光雷達(dá)。 22二、激光傳感器二、激光傳感器 3、激光掃描傳感器：、激光掃描傳感器： 物體尺寸的非接觸測量物體尺寸的非接觸測量1、激光干涉?zhèn)鞲衅鳎洪L度、尺寸測量、激光干涉?zhèn)鞲衅鳎洪L度、尺寸測量2、激光衍射傳感器：衍射物的尺寸、激光衍射傳感器：衍射物的尺寸激光傳感器是以激光為光源的光電式傳感器。激光傳感器是以激光為光源的光電式傳感器。 按照工作原理可分為：按照工作原理可分為：23案例案例1.1.激光測速激光測速三、激光傳感器的應(yīng)用實(shí)例三、激光傳感器的應(yīng)

20、用實(shí)例 現(xiàn)選取現(xiàn)選取s sl00ml00m。使車行走時先后切割相距。使車行走時先后切割相距l(xiāng)00ml00m的兩束激光，測得時間間隔，即可算出速度。的兩束激光，測得時間間隔，即可算出速度。24案例案例2.2.激光測距激光測距 激光測距的原理是：通過激光測距的原理是：通過向目標(biāo)發(fā)射激光信號，根向目標(biāo)發(fā)射激光信號，根據(jù)激光信號往返于測點(diǎn)與據(jù)激光信號往返于測點(diǎn)與目標(biāo)之間所用的時間而求目標(biāo)之間所用的時間而求出距離的。出距離的。 激光測距在軍事上可用于激光測距在軍事上可用于地形測量，戰(zhàn)場前沿測距，地形測量，戰(zhàn)場前沿測距，坦克及火炮的測距，測量坦克及火炮的測距，測量云層、飛機(jī)、導(dǎo)彈及衛(wèi)星云層、飛機(jī)、導(dǎo)彈及衛(wèi)

21、星的高度等。的高度等。2526案例案例3.3.激光雷達(dá)激光雷達(dá) 利用激光束搜索、跟蹤和測量活動目標(biāo)的裝置叫激光利用激光束搜索、跟蹤和測量活動目標(biāo)的裝置叫激光雷達(dá)。雷達(dá)。l 激光雷達(dá)的工作原理和微波雷達(dá)相似，都是利激光雷達(dá)的工作原理和微波雷達(dá)相似，都是利用電磁波照射目標(biāo)并接收回波的方法，發(fā)現(xiàn)、識別和指示用電磁波照射目標(biāo)并接收回波的方法，發(fā)現(xiàn)、識別和指示目標(biāo)的，只是工作波段不同。目標(biāo)的，只是工作波段不同。l 激光雷達(dá)在軍事上的應(yīng)用：激光雷達(dá)在軍事上的應(yīng)用：武器鑒定試驗(yàn)、武武器鑒定試驗(yàn)、武器火控、跟蹤識別、指揮導(dǎo)引、大氣測量等。器火控、跟蹤識別、指揮導(dǎo)引、大氣測量等。27案例案例4.4.激光制導(dǎo)激光

22、制導(dǎo)l應(yīng)用激光作為跟蹤目標(biāo)和傳輸信息的手段，將導(dǎo)應(yīng)用激光作為跟蹤目標(biāo)和傳輸信息的手段，將導(dǎo) 彈、彈、炮彈、航空炸彈等導(dǎo)向目標(biāo)。激光制導(dǎo)具有命中精度高、炮彈、航空炸彈等導(dǎo)向目標(biāo)。激光制導(dǎo)具有命中精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用，是精確抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用，是精確制導(dǎo)武器的一種重要制導(dǎo)方式。制導(dǎo)武器的一種重要制導(dǎo)方式。28案例案例5.5.激光武器激光武器l利用激光的能量直接摧毀目標(biāo)或殺傷破壞其組成部分使利用激光的能量直接摧毀目標(biāo)或殺傷破壞其組成部分使之喪失戰(zhàn)斗力的武器稱為激光武器。之喪失戰(zhàn)斗力的武器稱為激光武器。29美國激光飛機(jī)已進(jìn)入試驗(yàn)階段美國激光飛機(jī)已進(jìn)入試

23、驗(yàn)階段30l舉例：戰(zhàn)略舉例：戰(zhàn)略反導(dǎo)激光武器反導(dǎo)激光武器31中國反衛(wèi)星激光武器已部署到西北內(nèi)陸中國反衛(wèi)星激光武器已部署到西北內(nèi)陸 32案例案例6.6.激光通信激光通信l激光通信是把光作為傳遞信息的載體，通過把信息（音頻信激光通信是把光作為傳遞信息的載體，通過把信息（音頻信號）調(diào)制到光波上，經(jīng)介質(zhì)（大氣、光纜等）的傳輸，將信息號）調(diào)制到光波上，經(jīng)介質(zhì)（大氣、光纜等）的傳輸，將信息傳至對方，再經(jīng)接收終端解調(diào)，還原成聲音而實(shí)現(xiàn)通信的。傳至對方，再經(jīng)接收終端解調(diào)，還原成聲音而實(shí)現(xiàn)通信的。l按照激光傳播途徑的不同，激光通信可分為大氣激光通信，按照激光傳播途徑的不同，激光通信可分為大氣激光通信，空間激光通

24、信，水下激光通信和光導(dǎo)纖維通信等方式?？臻g激光通信，水下激光通信和光導(dǎo)纖維通信等方式。l大氣激光通信大氣激光通信是以大氣為傳輸介質(zhì)的激光通信。由于受大氣是以大氣為傳輸介質(zhì)的激光通信。由于受大氣吸收、散射等影響，且只能直線傳播，故只適于近距離的定點(diǎn)吸收、散射等影響，且只能直線傳播，故只適于近距離的定點(diǎn)或半定點(diǎn)通信?；虬攵c(diǎn)通信。l光纖通信光纖通信是以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的激光通信。主要用于遠(yuǎn)是以光導(dǎo)纖維為傳輸介質(zhì)的激光通信。主要用于遠(yuǎn)距離的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)，中短距離的局部通信系統(tǒng)，以及距離的戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)，中短距離的局部通信系統(tǒng)，以及在飛機(jī)、艦艇、雷達(dá)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等軍事裝備和軍事設(shè)施內(nèi)部在飛

25、機(jī)、艦艇、雷達(dá)、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等軍事裝備和軍事設(shè)施內(nèi)部的信息傳遞和通信聯(lián)絡(luò)等。的信息傳遞和通信聯(lián)絡(luò)等。33獲取三維空間中不透明物體表面形狀的新型傳感器，獲取三維空間中不透明物體表面形狀的新型傳感器， （nxSensor-InxSensor-I是是美國美國nextWarenextWare公司公司最新推出的是世界上最最新推出的是世界上最為精確的激光圖象傳感器之一）為精確的激光圖象傳感器之一）可廣泛用于三座標(biāo)測量、逆向工程、產(chǎn)品設(shè)計、仿形、修可廣泛用于三座標(biāo)測量、逆向工程、產(chǎn)品設(shè)計、仿形、修改和模具制造等領(lǐng)域。改和模具制造等領(lǐng)域。三維激光掃描傳感三維激光掃描傳感器工作流程器工作流程 案例案例7.7.三維

26、激光掃描傳感器三維激光掃描傳感器34工作原理工作原理直徑70 毫米35應(yīng)用應(yīng)用無人值守系統(tǒng)的應(yīng)用無人值守系統(tǒng)的應(yīng)用無軌電車的碰撞防護(hù)無軌電車的碰撞防護(hù)多區(qū)域的水平安全區(qū)防護(hù)多區(qū)域的水平安全區(qū)防護(hù)水平安全區(qū)防護(hù)水平安全區(qū)防護(hù) 36 激光鼠標(biāo)激光鼠標(biāo) 激光鼠標(biāo)其實(shí)也是激光鼠標(biāo)其實(shí)也是光電鼠標(biāo)光電鼠標(biāo)，只不過是用激光代替了普通，只不過是用激光代替了普通的的LEDLED光光 簡介簡介 激光（鐳射）鼠標(biāo)就是我們平時用的激光（鐳射）鼠標(biāo)就是我們平時用的光電鼠標(biāo)光電鼠標(biāo)嗎？當(dāng)嗎？當(dāng)然不是。那么什么是激光鼠標(biāo)，激光鼠標(biāo)與光電鼠標(biāo)相比然不是。那么什么是激光鼠標(biāo)，激光鼠標(biāo)與光電鼠標(biāo)相比有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？有哪些優(yōu)點(diǎn)呢？

27、 1.1.用激光代替了普通的用激光代替了普通的LEDLED光光 2.2.可以在任何平面上操作可以在任何平面上操作 3.3.提高了分辨率和精準(zhǔn)度提高了分辨率和精準(zhǔn)度 37 原理原理 激光鼠標(biāo)傳感器獲得影像的過程是根據(jù)，激光照射在物體表激光鼠標(biāo)傳感器獲得影像的過程是根據(jù)，激光照射在物體表面所產(chǎn)生的面所產(chǎn)生的干涉條紋干涉條紋而形成的光斑點(diǎn)反射到傳感器上獲得的，而而形成的光斑點(diǎn)反射到傳感器上獲得的，而傳統(tǒng)的傳統(tǒng)的光學(xué)鼠標(biāo)光學(xué)鼠標(biāo)是通過照射粗糙的表面所產(chǎn)生的陰影來獲得。因是通過照射粗糙的表面所產(chǎn)生的陰影來獲得。因此激光能對表面的圖像產(chǎn)生更大的反差，從而使得傳感器得到的此激光能對表面的圖像產(chǎn)生更大的反差，

28、從而使得傳感器得到的圖像更容易辨別，提高鼠標(biāo)的定位精準(zhǔn)性。圖像更容易辨別，提高鼠標(biāo)的定位精準(zhǔn)性。 鼠標(biāo)的分類鼠標(biāo)的分類: : 按照工作原理按照工作原理 第一代為機(jī)械鼠標(biāo)，第一代為機(jī)械鼠標(biāo)，這種鼠標(biāo)大家應(yīng)該有印象，就是鼠標(biāo)底這種鼠標(biāo)大家應(yīng)該有印象，就是鼠標(biāo)底蓋有一個滾球（最早的產(chǎn)品是底部有兩個互相垂直的滾輪）。其蓋有一個滾球（最早的產(chǎn)品是底部有兩個互相垂直的滾輪）。其工作原理就是。當(dāng)你拖動鼠標(biāo)時，帶動滾球轉(zhuǎn)動，滾球又帶動輥工作原理就是。當(dāng)你拖動鼠標(biāo)時，帶動滾球轉(zhuǎn)動，滾球又帶動輥柱轉(zhuǎn)動，裝在輥柱端部的機(jī)械傳感器（較早期）或者光柵信號傳柱轉(zhuǎn)動，裝在輥柱端部的機(jī)械傳感器（較早期）或者光柵信號傳感器（這

29、種鼠標(biāo)剛面世時也被稱作半機(jī)械鼠標(biāo)）產(chǎn)生的電感器（這種鼠標(biāo)剛面世時也被稱作半機(jī)械鼠標(biāo)）產(chǎn)生的電脈沖信脈沖信號號反映出鼠標(biāo)器在垂直和水平方向的位移變化，再通過電腦程序反映出鼠標(biāo)器在垂直和水平方向的位移變化，再通過電腦程序的處理和轉(zhuǎn)換來控制屏幕上光標(biāo)箭頭的移動。這種鼠標(biāo)最大的問的處理和轉(zhuǎn)換來控制屏幕上光標(biāo)箭頭的移動。這種鼠標(biāo)最大的問38 題就是機(jī)械部件較多，要達(dá)到高的精度需要較為精密的工藝，題就是機(jī)械部件較多，要達(dá)到高的精度需要較為精密的工藝，同時滾球等機(jī)械部件為了互相結(jié)合緊密，表面為不光滑材質(zhì)，同時滾球等機(jī)械部件為了互相結(jié)合緊密，表面為不光滑材質(zhì)，極易被環(huán)境的灰塵、油污污染從而造成定位不準(zhǔn)確，因此

30、機(jī)械極易被環(huán)境的灰塵、油污污染從而造成定位不準(zhǔn)確，因此機(jī)械鼠標(biāo)需要勤于清理才能保持原有的性能，因此絕大多數(shù)的機(jī)械鼠標(biāo)需要勤于清理才能保持原有的性能，因此絕大多數(shù)的機(jī)械鼠標(biāo)底部都有方便拆卸滾球的設(shè)計。也正因?yàn)榇?，很多人得出鼠?biāo)底部都有方便拆卸滾球的設(shè)計。也正因?yàn)榇耍芏嗳说贸隽藱C(jī)械鼠標(biāo)定位不準(zhǔn)的結(jié)論。了機(jī)械鼠標(biāo)定位不準(zhǔn)的結(jié)論。 第二代為光電鼠標(biāo)第二代為光電鼠標(biāo)，我們目前市場上看的許多鼠標(biāo)都是光電，我們目前市場上看的許多鼠標(biāo)都是光電鼠標(biāo)。光學(xué)鼠標(biāo)包含鼠標(biāo)。光學(xué)鼠標(biāo)包含4個最重要核心部件：發(fā)光二極管（就是個最重要核心部件：發(fā)光二極管（就是我們看到的發(fā)紅色光的我們看到的發(fā)紅色光的LED)、光學(xué)引擎、光

31、學(xué)引擎(鼠標(biāo)最貴的部件，也鼠標(biāo)最貴的部件，也就是鼠標(biāo)的就是鼠標(biāo)的IC型號，英文名型號，英文名sensor,其作用相當(dāng)于人的眼睛其作用相當(dāng)于人的眼睛)、透鏡、控制芯片（又稱透鏡、控制芯片（又稱MCU,是鼠標(biāo)的大腦）。其工作原理就是鼠標(biāo)的大腦）。其工作原理就是是LED發(fā)出的光線，照亮光電鼠標(biāo)底部然后將光電鼠標(biāo)底部表發(fā)出的光線，照亮光電鼠標(biāo)底部然后將光電鼠標(biāo)底部表面反射回的一部分光線，經(jīng)過透鏡，傳輸?shù)矫娣瓷浠氐囊徊糠止饩€，經(jīng)過透鏡，傳輸?shù)絪ensor內(nèi)成像。內(nèi)成像。這樣，當(dāng)光電鼠標(biāo)移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速這樣，當(dāng)光電鼠標(biāo)移動時，其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝的連貫圖像拍攝的連貫圖像

32、,鼠標(biāo)鼠標(biāo)mcumcu對移動軌跡上攝取的一系列對移動軌跡上攝取的一系列39 圖像進(jìn)行分析處理，通過對這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分圖像進(jìn)行分析處理，通過對這些圖像上特征點(diǎn)位置的變化進(jìn)行分析，來判斷鼠標(biāo)的移動方向和移動距離，從而完成光標(biāo)的定位析，來判斷鼠標(biāo)的移動方向和移動距離，從而完成光標(biāo)的定位. . 光電鼠標(biāo)與光電鼠標(biāo)與機(jī)械鼠標(biāo)機(jī)械鼠標(biāo)相比最大的優(yōu)點(diǎn)就是較低的成本就可以實(shí)現(xiàn)相比最大的優(yōu)點(diǎn)就是較低的成本就可以實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的定位，并且無需疲于清理滾球和滾柱上的污漬。但是比較準(zhǔn)確的定位，并且無需疲于清理滾球和滾柱上的污漬。但是在移動速度上沒有機(jī)械鼠標(biāo)好，最大的問題在于受到使用界面的在移動速度上沒有

33、機(jī)械鼠標(biāo)好，最大的問題在于受到使用界面的限制而影響鼠標(biāo)的性能，通常我們都要墊一個專門的限制而影響鼠標(biāo)的性能，通常我們都要墊一個專門的鼠標(biāo)墊鼠標(biāo)墊。 第三代為激光鼠標(biāo)第三代為激光鼠標(biāo)，又稱鐳射鼠標(biāo)。也可以說是一種特殊的，又稱鐳射鼠標(biāo)。也可以說是一種特殊的光電鼠標(biāo)，其核心部件同樣是光電鼠標(biāo)，其核心部件同樣是4 4部分。最大的不同就是把原來的部分。最大的不同就是把原來的紅光紅光LEDLED換成激光鐳射換成激光鐳射. .大家知道激光與普通光最大的不同就在于大家知道激光與普通光最大的不同就在于激光發(fā)光的集中性，他發(fā)出的一束光而不是像普通光學(xué)激光發(fā)光的集中性，他發(fā)出的一束光而不是像普通光學(xué)LEDLED那樣

34、那樣發(fā)出的光向四周散射出去。由于激光的集中性，相應(yīng)發(fā)出的光當(dāng)發(fā)出的光向四周散射出去。由于激光的集中性，相應(yīng)發(fā)出的光當(dāng)然遠(yuǎn)遠(yuǎn)比普通光強(qiáng)烈，在碰到界面時發(fā)出的一束光會完全的折射然遠(yuǎn)遠(yuǎn)比普通光強(qiáng)烈，在碰到界面時發(fā)出的一束光會完全的折射回來反映到鼠標(biāo)的回來反映到鼠標(biāo)的sensorsensor上。也正是激光很強(qiáng)（大家不要擔(dān)心，上。也正是激光很強(qiáng)（大家不要擔(dān)心，這個強(qiáng)只是一個相對的概念，絕對不會強(qiáng)到傷害人的地步），當(dāng)這個強(qiáng)只是一個相對的概念，絕對不會強(qiáng)到傷害人的地步），當(dāng)然需要專業(yè)的更高檔的然需要專業(yè)的更高檔的sensorsensor和專業(yè)的透鏡來和他搭配使用，這和專業(yè)的透鏡來和他搭配使用，這樣一只激光鼠

35、標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)才得以體現(xiàn)。樣一只激光鼠標(biāo)的優(yōu)點(diǎn)才得以體現(xiàn)。 40 識別真假激光鼠標(biāo)識別真假激光鼠標(biāo) 用在鼠標(biāo)上的激光的波長為用在鼠標(biāo)上的激光的波長為850nm 850nm ，在紅外線區(qū)域，我們?nèi)庋?，在紅外線區(qū)域，我們?nèi)庋劭床坏?，所以很多人區(qū)別激光鼠標(biāo)和光電鼠標(biāo)就看底殼有沒有紅光，看不到，所以很多人區(qū)別激光鼠標(biāo)和光電鼠標(biāo)就看底殼有沒有紅光，有紅光的就是光電鼠標(biāo)，沒有紅光不發(fā)光的就是激光鼠標(biāo)，這是錯有紅光的就是光電鼠標(biāo)，沒有紅光不發(fā)光的就是激光鼠標(biāo)，這是錯的，發(fā)紅光的當(dāng)然光電鼠標(biāo)，不發(fā)光的有一種是真激光鼠標(biāo)，還有的，發(fā)紅光的當(dāng)然光電鼠標(biāo)，不發(fā)光的有一種是真激光鼠標(biāo)，還有一種是假激光鼠標(biāo)，假激光鼠標(biāo)的一種

36、是假激光鼠標(biāo)，假激光鼠標(biāo)的LEDLED用的是一個普通的紅外線用的是一個普通的紅外線LED,LED,搭配普通的光學(xué)搭配普通的光學(xué) sensorsensor做成，雖然普通的紅外線做成，雖然普通的紅外線LEDLED和鼠標(biāo)用的激和鼠標(biāo)用的激光的波長一樣，肉眼都看不到，但是激光是一束強(qiáng)光，普通的紅外光的波長一樣，肉眼都看不到，但是激光是一束強(qiáng)光，普通的紅外線線LEDLED和我們一般光電鼠標(biāo)的工作原理完全一樣。也正是假激光這和我們一般光電鼠標(biāo)的工作原理完全一樣。也正是假激光這個原因，導(dǎo)致了消費(fèi)者誤認(rèn)為激光鼠標(biāo)和光電鼠標(biāo)沒有什么差別，個原因，導(dǎo)致了消費(fèi)者誤認(rèn)為激光鼠標(biāo)和光電鼠標(biāo)沒有什么差別，從而使得激光鼠標(biāo)

37、目前在國內(nèi)難以普及。那么怎么樣區(qū)別真假激光從而使得激光鼠標(biāo)目前在國內(nèi)難以普及。那么怎么樣區(qū)別真假激光鼠標(biāo)呢：一看過界面情況，最典型在桌上放一塊玻璃，能在玻璃上鼠標(biāo)呢：一看過界面情況，最典型在桌上放一塊玻璃，能在玻璃上很好地工作的就是激光鼠標(biāo)，假激光鼠標(biāo)是絕對不能動的，因?yàn)榧俸芎玫毓ぷ鞯木褪羌す馐髽?biāo)，假激光鼠標(biāo)是絕對不能動的，因?yàn)榧偌す獍l(fā)出的光透過玻璃早就散開了，沒有辦法反射回鼠標(biāo)的激光發(fā)出的光透過玻璃早就散開了，沒有辦法反射回鼠標(biāo)的sensor. sensor. 二問鼠標(biāo)二問鼠標(biāo)IC(sensorIC(sensor）的型號，目前專門搭配用來做激光的）的型號，目前專門搭配用來做激光的sensor

38、sensor型號有：安捷倫（型號有：安捷倫（AvagoAvago）A6010A6010。原相（。原相（PAN)3601 3602 PAN)3601 3602 和和 ST(ST(意意法半導(dǎo)體法半導(dǎo)體)5363 5366. )5363 5366. 418.3.2 紅外傳感器紅外傳感器 一、紅外線及其特性一、紅外線及其特性 1、紅外線在電磁波譜中的位置、紅外線在電磁波譜中的位置 圖圖8-3-1 也稱紅外光或紅外輻射，是位于可見光中紅光以外的光線，也稱紅外光或紅外輻射，是位于可見光中紅光以外的光線，故稱為紅外線。它是一種人眼看不見的電磁波，它的波長范圍大故稱為紅外線。它是一種人眼看不見的電磁波，它的波

39、長范圍大致在致在0.75m1000m。 2、紅外線的特性、紅外線的特性紅外光在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的吸收和散射作用而被衰減。紅外光在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的吸收和散射作用而被衰減。具有可見光的一切特性，具有可見光的一切特性，具有光熱效應(yīng)，能輻射熱量。具有光熱效應(yīng)，能輻射熱量。 二、紅外探測器的類型二、紅外探測器的類型 1、光敏紅外探測器、光敏紅外探測器 電真空器件電真空器件(光電管、光電倍增管光電管、光電倍增管)； 半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體器件。 2、熱敏紅外探測器、熱敏紅外探測器 對比對比 圖圖8-3-2 熱敏探測器的響應(yīng)速度較低，響應(yīng)時間較長，熱敏探測器的響應(yīng)速度較低，響應(yīng)時間較長，但具有寬廣

40、的、比較平坦的光譜響應(yīng)。但具有寬廣的、比較平坦的光譜響應(yīng)。類型：類型： 室溫探測器，不需冷卻，熱敏電阻、熱電偶和熱電堆，室溫探測器，不需冷卻，熱敏電阻、熱電偶和熱電堆，低溫探測器，需冷卻。低溫探測器，需冷卻。 三、熱釋電紅外探測器三、熱釋電紅外探測器 1、熱釋電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng) 當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。的電荷，這種由于熱變化而產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體。能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱為熱釋電體。 2、熱釋電紅外探測器的特點(diǎn)

41、、熱釋電紅外探測器的特點(diǎn) 熱釋電晶體受熱時，在垂直于其自發(fā)極化強(qiáng)度熱釋電晶體受熱時，在垂直于其自發(fā)極化強(qiáng)度Ps的兩電極表面的兩電極表面將產(chǎn)生數(shù)量相等符號相反的電荷，兩電極間就出現(xiàn)一個與溫度變化將產(chǎn)生數(shù)量相等符號相反的電荷，兩電極間就出現(xiàn)一個與溫度變化sdTUA adt 速率速率dT/dt成正比的電壓：成正比的電壓： 所以熱釋電紅外探測器的響應(yīng)速度比其它熱探測器快得多；所以熱釋電紅外探測器的響應(yīng)速度比其它熱探測器快得多；它既可工作于低頻，也可工作于高頻。它既可工作于低頻，也可工作于高頻。式中：式中：A 電極面積；電極面積； 比例常數(shù)比例常數(shù)8.4超聲波與聲表面波傳感器超聲波與聲表面波傳感器 8.

42、4.1超聲波傳感器超聲波傳感器 一、超聲波及其性質(zhì)一、超聲波及其性質(zhì)1、超聲波的定義、超聲波的定義 的機(jī)械波稱為超聲波。的機(jī)械波稱為超聲波。 振動在彈性介質(zhì)中的傳播稱為波動，簡稱波。高于振動在彈性介質(zhì)中的傳播稱為波動，簡稱波。高于2410Hz2、超聲波與聲波的異同、超聲波與聲波的異同 相同點(diǎn)：相同點(diǎn)： 傳播速度都取決于介質(zhì)的密度和介質(zhì)的彈性常數(shù)；傳播速度都取決于介質(zhì)的密度和介質(zhì)的彈性常數(shù)； 在兩介質(zhì)的分界面上將發(fā)生反射和折射及波型轉(zhuǎn)換。在兩介質(zhì)的分界面上將發(fā)生反射和折射及波型轉(zhuǎn)換。 不同點(diǎn)：不同點(diǎn)： 振動頻率高而波長短，因而具有束射特性，方向性強(qiáng)，振動頻率高而波長短，因而具有束射特性，方向性強(qiáng)

43、， 可以定向傳播?？梢远ㄏ騻鞑?。 能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的一般聲波，并具有很高的穿透能力。能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的一般聲波，并具有很高的穿透能力。 二、超聲波傳感器二、超聲波傳感器 產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的裝置，習(xí)慣上稱為超聲波換能器產(chǎn)生超聲波和接收超聲波的裝置，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。或超聲波探頭。 1、組成：由壓電晶片、吸收塊、組成：由壓電晶片、吸收塊(阻尼塊阻尼塊)、保護(hù)膜等組成。、保護(hù)膜等組成。 2、典型結(jié)構(gòu)：圖、典型結(jié)構(gòu)：圖8-4-2為直探頭，可發(fā)射和接收縱波；為直探頭，可發(fā)射和接收縱波；為斜探頭，可發(fā)射和接收橫波；為斜探頭，可發(fā)射和接收橫波；為雙探頭為雙探頭 ，一個發(fā)射，一

44、個接收；，一個發(fā)射，一個接收；為水浸探頭，可浸在液體中。為水浸探頭，可浸在液體中。3、工作原理、工作原理 逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動，以產(chǎn)生超聲波。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動，以產(chǎn)生超聲波。正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。 是利用超聲波測量流速時采用的方法。是利用超聲波測量流速時采用的方法。三、超聲檢測方法三、超聲檢測方法1、透射法、透射法 用兩個探頭，置于被測對象的相對兩側(cè)，一個發(fā)射超聲波，用兩個探頭，置于被測對象的相對兩側(cè)，一個發(fā)射超聲波，一個接收超聲波。一個接收超聲波。2、反射法、反射法 通常采用一個超聲波探頭，兼做超聲

45、波發(fā)射和接收用。通常采用一個超聲波探頭，兼做超聲波發(fā)射和接收用。 3、頻率法、頻率法8.4.2 8.4.2 聲表面波傳感器聲表面波傳感器 一、聲表面波一、聲表面波 沿物體表面?zhèn)鞑ネ溉肷疃葴\的彈性波則稱為表面波沿物體表面?zhèn)鞑ネ溉肷疃葴\的彈性波則稱為表面波(SAW) SAW是是Surface Acoustic Wave的縮寫。的縮寫。二、聲表面波傳感器二、聲表面波傳感器 將被測量的變化轉(zhuǎn)換為聲表面波振蕩器振蕩頻率的變化，將被測量的變化轉(zhuǎn)換為聲表面波振蕩器振蕩頻率的變化，這樣就構(gòu)成了相應(yīng)用途的聲表面波傳感器，它是一種新型的這樣就構(gòu)成了相應(yīng)用途的聲表面波傳感器，它是一種新型的頻率式傳感器。頻率式傳感器。 8.5 核輻射傳感器核輻射傳感器 8.5.1 核輻射檢測的物理基礎(chǔ)核輻射檢測的物理基礎(chǔ) 一、放射性同位素一、放射性同位素1、同位素、同位素原子序數(shù)相同而原子質(zhì)量不同的元素。原子序數(shù)相同而原子質(zhì)量不同的元素。2、核衰變、核衰變 原子不是由于外來原因而自發(fā)地產(chǎn)生核結(jié)構(gòu)變化。原子不是由于外來原因而自發(fā)地產(chǎn)生核結(jié)構(gòu)變化。 0taa e 式中式中 a0、a：分別為初始時與經(jīng)過時間：分別為初始時與經(jīng)過時間t秒后的原子核數(shù)，秒后的原子核數(shù)， ：衰變常數(shù)：衰變常數(shù)