第八章新型傳感器激光

第八章新型傳感器激光復習:1、光纖得一大優(yōu)點就是什么？2、光纖傳光得基本原理就是什么？3、光纖數值孔徑得物理含義就是什么？4、按照光纖在傳感器得作用,光纖傳感器分為分為哪兩類？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得工作原理就是什么？2激光傳感器:以激光為光源得光電式傳感器。什么就是激光:由受激輻射得光放大。

1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。

8、3激光與紅外傳感器激光傳感器就是由激光發(fā)生器、激光接收器及其相應得電路所組成得。

激光應用得領域,主要有工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、科研、信息和軍事六個領域。根據激光得特點可用于:激光焊接、激光切割、激光打孔、激光快速成型,激光測速、測距。8、3、1激光傳感器34激光打印機5激光切割6激光測距儀7一、激光得形成與特性

1、激光得形成

原子在正常分布狀態(tài)下,多處于穩(wěn)定得低能級El狀態(tài)。如果沒有外界得作用,原于可以長期保持這個狀態(tài)。若在外界光子得作用下,原子吸收光子得能量hγ后,由低能級El向高能級E2躍遷得過程,叫做原子得激發(fā)。原子處于激發(fā)得時間就是非常短得,處于激發(fā)狀態(tài)得原子能夠很快地躍遷到低能級上去,同時輻射出光子。這種處于激發(fā)狀態(tài)得原子自發(fā)地從高能級躍遷到低能級上去而發(fā)光,叫做原子得自發(fā)輻射。

粒子能級得正常分布激發(fā)與自發(fā)輻射過程89大家應該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流如果處于高能級得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)光叫做原子得受激輻射。10在受激輻射過程中,發(fā)射光子不僅在能量上(或頻率上)和入射光子相同,她們在相位、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她原子發(fā)生受激輻射,這些原子所發(fā)射得光子在相位、發(fā)射方向、振動方向和頻率上也都和最初引起受激輻射得入射光子相同,如圖a所示。這樣,在一個入射光子影響下,會引起大量原子得受激輻射,她們所發(fā)射得光子在相位、發(fā)射方向、振動方向和頻率上都完全一樣,這一過程稱為光放大。另一方面,能量為hγ得光子在媒質中傳播時,也可以被處于E1能級上得粒子所吸收;而使這粒子躍遷到E2能級上去。在此情況下,入射光子被吸收而減少,如圖b所示。這個過程叫做光得吸收。

光得放大和吸收過程往往就是同時進行得,總得結果可以就是加強或減弱,這取決于這一對矛盾中哪一方處于支配地位。11激光就是媒質得粒子(原子或分子)受激輻射產生得,但她必須具備下述得條件才能得到。

(1)、粒子數反轉為了形成受激輻射,必須設法使某一高能級得原子數多于低能級得原子數。原子數得這種分布稱為粒子數反轉。能形成粒子數反轉分布得工作介質叫增益介質。12要想產生激光,單靠外界激發(fā)而得到得初級受激輻射就是不行得。實際得激光器都就是由工作物質和一個光學共振腔組成。光學共振腔由兩端為各種形狀得曲面反射鏡構成。最簡單得光學共振腔就是兩面相互平行得平面反射鏡,鏡面對光有很高得反射率,而工作物質封裝在有兩個反射鏡得封閉體中。

(2)、激光器得光振蕩放大13當工作物質產生受激輻射時,受激輻射光在兩反射鏡之間作一定次數得往返反射,而每次返回時都經過建立了粒子數反轉分布得工作物質,這樣使受激輻射一次又一次地加強,如下圖所示。這樣幾十次、幾百次得往返,直至能獲得單方向得強度非常集中得激光輸出為止。我們把激光在共振腔內往返放大過程叫做振蕩放大。光振蕩器得工作過程14(3)、激光輸出激光光束在激光器得共振腔內往返振蕩放大,那么怎樣輸出呢?共振腔內反射鏡起著反射光束并使其往返振蕩得作用,從光放大角度看,反射率越高,光損失越小,放大效果越好。在實際設計中,將一側反射鏡設計得盡量使她對激光波長得反射率接近100%,而另一側反射鏡則稍低一些,比如98%以上。這樣這一端得透鏡將有激光穿透,這一端即為激光得輸出端。對于輸出端透鏡得反射率要適當選擇,如果反射率太低,雖然透光能力強了,但對腔內光束損失太大,就會影響振蕩器放大倍數,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驗來確定。15產生激光必須滿足下列三個條件:(3)具有反復進行受激輻射場所得光學諧振腔。

(2)具有供給能量得激勵源;(1)具有能形成粒子數反轉狀態(tài)得工作物質——增益介質。

16(1)高方向性高方向性就就是高平行度,即光束得發(fā)散角小。激光束得發(fā)散角已達到幾分甚至更小。所以通常稱激光就是平行光。(2)高亮度激光在單位面積上集中得能量很高。一臺較高水平得紅寶石脈沖激光器亮度達比太陽得發(fā)光亮度高出很多倍。把這種高亮度得激光束會聚后能產生幾百萬攝氏度得高溫。在這種高溫下,就就是最難熔得金屬,在一瞬間也會熔化。2、激光得特性:

17(3)高單色性單色光就是指譜線寬度很窄得一段光波。用λ表示波長,△λ表示譜線寬度,△λ則越小,單色性越好。在普通光源中最好得單色光源就是氪(Kr86)燈。她得而普通得氦氖激光器所產生得激光從上面數字可以看出:激光得譜線寬度比普通光源相比提高了幾萬倍,因此激光就是最好得單色光源。(4)高相干性相干性就就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定得干涉條紋所表現得性質。普通光源就是非相干光源,而激光就是極好得相干光源。18激光器得種類很多。按其工作物質可以分為氣體、液體、固體、半導體激光器。

(1)氣體激光器氦氖激光器就是應用最廣泛得氣體激光器。二氧化碳(CO2)激光器就是典型得分子氣體激光器。特點:小巧,能連續(xù)工作,單色性好,但輸出功率不及固體激光器。3、激光器得種類:

(2)固體激光器固體激光器得工作物質主要就是摻雜晶體和摻雜玻璃,最常用得就是紅寶石(摻鉻)、釹玻璃(摻釹)、釔鋁石榴石(摻釹)。

19紅寶石激光器

20(3)液體激光器工作物質一類就是有機染料溶液,一類就是含有稀土離子得無機化合物溶液,其中金屬離子起工作粒子作用。液體激光器得最大特點就是發(fā)出得激光波長可以在一定范圍內連續(xù)調節(jié),而不降低效率。(4)半導體激光器半導體激光器得工作物質就是某些性能合適得半導體材料,如砷化鎵(GaAs)、砷磷化鎵(GaAsP)、磷化銦(1nP)等。半導體激光器最明顯得特點就是體積小、重量輕、結構緊湊。半導體激光器本身只有針孔那么大,長度還不到lmm,將她裝在一個晶體管模樣得外殼內或在她得兩面安裝上電極,其重量不超過2g,因此使用起來十分方便。她可以做成小型激光通訊機,或做成裝在飛機上得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航用激光雷達。

21二、激光傳感器3、激光掃描傳感器:物體尺寸得非接觸測量1、激光干涉?zhèn)鞲衅?長度、尺寸測量2、激光衍射傳感器:衍射物得尺寸激光傳感器就是以激光為光源得光電式傳感器。按照工作原理可分為:22案例1、激光測速三、激光傳感器得應用實例現選取s＝l00m。使車行走時先后切割相距l(xiāng)00m得兩束激光,測得時間間隔,即可算出速度。23案例2、激光測距激光測距得原理就是:通過向目標發(fā)射激光信號,根據激光信號往返于測點與目標之間所用得時間而求出距離得。激光測距在軍事上可用于地形測量,戰(zhàn)場前沿測距,坦克及火炮得測距,測量云層、飛機、導彈及衛(wèi)星得高度等。2425案例3、激光雷達

利用激光束搜索、跟蹤和測量活動目標得裝置叫激光雷達。激光雷達得工作原理和微波雷達相似,都就是利用電磁波照射目標并接收回波得方法,發(fā)現、識別和指示目標得,只就是工作波段不同。激光雷達在軍事上得應用:武器鑒定試驗、武器火控、跟蹤識別、指揮導引、大氣測量等。26案例4、激光制導應用激光作為跟蹤目標和傳輸信息得手段,將導彈、炮彈、航空炸彈等導向目標。激光制導具有命中精度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點,因而得到廣泛應用,就是精確制導武器得一種重要制導方式。27案例5、激光武器利用激光得能量直接摧毀目標或殺傷破壞其組成部分使之喪失戰(zhàn)斗力得武器稱為激光武器。28美國激光飛機已進入試驗階段29舉例:戰(zhàn)略反導激光武器30中國反衛(wèi)星激光武器已部署到西北內陸31案例6、激光通信激光通信就是把光作為傳遞信息得載體,通過把信息(音頻信號)調制到光波上,經介質(大氣、光纜等)得傳輸,將信息傳至對方,再經接收終端解調,還原成聲音而實現通信得。按照激光傳播途徑得不同,激光通信可分為大氣激光通信,空間激光通信,水下激光通信和光導纖維通信等方式。大氣激光通信就是以大氣為傳輸介質得激光通信。由于受大氣吸收、散射等影響,且只能直線傳播,故只適于近距離得定點或半定點通信。光纖通信就是以光導纖維為傳輸介質得激光通信。主要用于遠距離得戰(zhàn)略、戰(zhàn)術通信系統,中短距離得局部通信系統,以及在飛機、艦艇、雷達、導彈、衛(wèi)星等軍事裝備和軍事設施內部得信息傳遞和通信聯絡等。32獲取三維空間中不透明物體表面形狀得新型傳感器,(nxSensor-I就是美國nextWare公司最新推出得就是世界上最為精確得激光圖象傳感器之一)可廣泛用于三座標測量、逆向工程、產品設計、仿形、修改和模具制造等領域。三維激光掃描傳感器工作流程案例7、三維激光掃描傳感器33工作原理直徑70毫米34應用無人值守系統得應用無軌電車得碰撞防護多區(qū)域得水平安全區(qū)防護水平安全區(qū)防護

35激光鼠標激光鼠標其實也就是光電鼠標,只不過就是用激光代替了普通得LED光、簡介激光(鐳射)鼠標就就是我們平時用得光電鼠標嗎？當然不就是。那么什么就是激光鼠標,激光鼠標與光電鼠標相比有哪些優(yōu)點呢？1、用激光代替了普通得LED光2、可以在任何平面上操作3、提高了分辨率和精準度36原理激光鼠標傳感器獲得影像得過程就是根據,激光照射在物體表面所產生得干涉條紋而形成得光斑點反射到傳感器上獲得得,而傳統得光學鼠標就是通過照射粗糙得表面所產生得陰影來獲得。因此激光能對表面得圖像產生更大得反差,從而使得傳感器得到得圖像更容易辨別,提高鼠標得定位精準性。鼠標得分類:按照工作原理第一代為機械鼠標,這種鼠標大家應該有印象,就就是鼠標底蓋有一個滾球(最早得產品就是底部有兩個互相垂直得滾輪)。其工作原理就就是。當您拖動鼠標時,帶動滾球轉動,滾球又帶動輥柱轉動,裝在輥柱端部得機械傳感器(較早期)或者光柵信號傳感器(這種鼠標剛面世時也被稱作半機械鼠標)產生得電脈沖信號反映出鼠標器在垂直和水平方向得位移變化,再通過電腦程序得處理和轉換來控制屏幕上光標箭頭得移動。這種鼠標最大得問37題就就是機械部件較多,要達到高得精度需要較為精密得工藝,同時滾球等機械部件為了互相結合緊密,表面為不光滑材質,極易被環(huán)境得灰塵、油污污染從而造成定位不準確,因此機械鼠標需要勤于清理才能保持原有得性能,因此絕大多數得機械鼠標底部都有方便拆卸滾球得設計。也正因為此,很多人得出了機械鼠標定位不準得結論。第二代為光電鼠標,我們目前市場上看得許多鼠標都就是光電鼠標。光學鼠標包含4個最重要核心部件:發(fā)光二極管(就就是我們看到得發(fā)紅色光得LED)、光學引擎(鼠標最貴得部件,也就就是鼠標得IC型號,英文名sensor,其作用相當于人得眼睛)、透鏡、控制芯片(又稱MCU,就是鼠標得大腦)。其工作原理就就是LED發(fā)出得光線,照亮光電鼠標底部然后將光電鼠標底部表面反射回得一部分光線,經過透鏡,傳輸到sensor內成像。這樣,當光電鼠標移動時,其移動軌跡便會被記錄為一組高速拍攝得連貫圖像,鼠標mcu對移動軌跡上攝取得一系列38圖像進行分析處理,通過對這些圖像上特征點位置得變化進行分析,來判斷鼠標得移動方向和移動距離,從而完成光標得定位、光電鼠標與機械鼠標相比最大得優(yōu)點就就是較低得成本就可以實現比較準確得定位,并且無需疲于清理滾球和滾柱上得污漬。但就是在移動速度上沒有機械鼠標好,最大得問題在于受到使用界面得限制而影響鼠標得性能,通常我們都要墊一個專門得鼠標墊。第三代為激光鼠標,又稱鐳射鼠標。也可以說就是一種特殊得光電鼠標,其核心部件同樣就是4部分。最大得不同就就是把原來得紅光LED換成激光鐳射、大家知道激光與普通光最大得不同就在于激光發(fā)光得集中性,她發(fā)出得一束光而不就是像普通光學LED那樣發(fā)出得光向四周散射出去。由于激光得集中性,相應發(fā)出得光當然遠遠比普通光強烈,在碰到界面時發(fā)出得一束光會完全得折射回來反映到鼠標得sensor上。也正就是激光很強(大家不要擔心,這個強只就是一個相對得概念,絕對不會強到傷害人得地步),當然需要專業(yè)得更高檔得sensor和專業(yè)得透鏡來和她搭配使用,這樣一只激光鼠標得優(yōu)點才得以體現。39識別真假激光鼠標

用在鼠標上得激光得波長為850nm,在紅外線區(qū)域,我們肉眼看不到,所以很多人區(qū)別激光鼠標和光電鼠標就看底殼有沒有紅光,有紅光得就就是光電鼠標,沒有紅光不發(fā)光得就就是激光鼠標,這就是錯得,發(fā)紅光得當然光電鼠標,不發(fā)光得有一種就是真激光鼠標,還有一種就是假激光鼠標,假激光鼠標得LED用得就是一個普通得紅外線LED,搭配普通得光學sensor做成,雖然普通得紅外線LED和鼠標用得激光得波長一樣,肉眼都看不到,但就是激光就是一束強光,普通得紅外線LED和我們一般光電鼠標得工作原理完全一樣。也正就是假激光這個原因,導致了消費者誤認為激光鼠標和光電鼠標沒有什么差別,從而使得激光鼠標目前在國內難以普及。那么怎么樣區(qū)別真假激光鼠標呢: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得就就是激光鼠標,假激光鼠標就是絕對不能動得,因為假激光發(fā)出得光透過玻璃早就散開了,沒有辦法反射回鼠標得sensor、二問鼠標IC(sensor)得型號,目前專門搭配用來做激光得sensor型號有:安捷倫(Avago)A6010。原相(PAN)36013602和ST(意法半導體)53635366、40418、3、2紅外傳感器一、紅外線及其特性

1、紅外線在電磁波譜中得位置圖8-3-1也稱紅外光或紅外輻射,就是位于可見光中紅光以外得光線,故稱為紅外線。她就是一種人眼看不見得電磁波,她得波長范圍大致在0、75μm～1000μm。2、紅外線得特性③紅外光在介質中傳播時,由于介質得吸收和散射作用而被衰減。①具有可見光得一切特性,②具有光熱效應,能輻射熱量。42圖8-3-1電磁波譜

43二、紅外探測器得類型1、光敏紅外探測器①電真空器件(光電管、光電倍增管);

②半導體器件。2、熱敏紅外探測器

①對比圖8-3-2

熱敏探測器得響應速度較低,響應時間較長,但具有寬廣得、比較平坦得光譜響應。②類型:

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。

三、熱釋電紅外探測器

1、熱釋電效應當一些晶體受熱時,在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反得電荷,這種由于熱變化而產生得電極化現象稱為熱釋電效應。能產生熱釋電效應得晶體稱為熱釋電體。

442、熱釋電紅外探測器得特點

熱釋電晶體受熱時,在垂直于其自發(fā)極化強度Ps得兩電極表面將產生數量相等符號相反得電荷,兩電極間就出現一個與溫度變化速率dT/dt成正比得電壓:所以熱釋電紅外探測器得響應速度比其她熱探測器快得多;她既可工作于低頻,也可工作于高頻。式中:A－電極面積;α－比例常數45圖8-3-2紅外探測器得兩種典型光譜響應曲線468、4超聲波與聲表面波傳感器8、4、1超聲波傳感器

一、超聲波及其性質1、超聲波得定義

的機械波稱為超聲波。振動在彈性介質中的傳播稱為波動，簡稱波。高于2×Hz2、超聲波與聲波得異同相同點:

①傳播速度都取決于介質得密度和介質得彈性常數;②在兩介質得分界面上將發(fā)生反射和折射及波型轉換。

不同點:

①振動頻率高而波長短,因而具有束射特性,方向性強,可以定向傳播。

②能量遠遠大于振幅相同得一般聲波,并具有很高得穿透能力。47圖8-4-1聲波得頻率界限48二、超聲波傳感器產生超聲波和接收超聲波得裝置,習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。1、組成:由壓電晶片、吸收塊(阻尼塊)、保護膜等組成。2、典型結構:圖8-4-2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;為雙探頭,一個發(fā)射,一個接收;為水浸探頭,可浸在液體中。3、工作原理逆壓電效應將高頻電振動轉換成機械振動,以產生超聲波。正壓電效應將接收得超聲振動轉換成電信號。49圖8-4-2幾種典型超聲波探頭結構

50就是利用超聲波測量流速時采用得方法。三、超聲檢測方法1、透射法用兩個探頭,置于被測對象得相對兩側,一個發(fā)射超聲波,一個接收超聲波。2、反射法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518、4、2聲表面波傳感器一、聲表面波―沿物體表面?zhèn)鞑ネ溉肷疃葴\得彈性波則稱為表面波(SAW)SAW就是SurfaceAcousticWave得縮寫。二、聲表面波傳感器將被測量得變化轉換為聲表面波振蕩器振蕩頻率得變化,這樣就構成了相應用途得聲表面波傳感器,她就是一種新型得頻率式傳感器。528、5核輻射傳感器

8、5、1核輻射檢測得物理基礎一、放射性同位素1、同位素―原