Nguyên lý và ứng dụng của cảm biến laser

Cảm biến laser là loại cảm biến sử dụng công nghệ laser để đo lường. Nó bao gồm một tia laze, một máy dò laze và một mạch đo. Cảm biến laser là một loại dụng cụ đo lường mới. Ưu điểm của nó là nó có thể thực hiện phép đo đường dài không tiếp xúc, tốc độ nhanh, độ chính xác cao, phạm vi lớn, khả năng chống nhiễu điện và ánh sáng mạnh, v.v.
Ánh sáng và tia laze Tia laze là một trong những thành tựu khoa học và công nghệ quan trọng nhất xuất hiện vào những năm 1960. Nó đã phát triển nhanh chóng và đã được sử dụng rộng rãi trong các khía cạnh khác nhau như quốc phòng, sản xuất, y học và đo lường phi điện. Không giống như ánh sáng thông thường, tia laser cần được tạo ra bởi tia laser. Đối với chất làm việc của laze, ở điều kiện bình thường, hầu hết các nguyên tử đều ở mức năng lượng thấp ổn định E1. Dưới tác dụng của ánh sáng bên ngoài có tần số thích hợp, các nguyên tử ở mức năng lượng thấp sẽ hấp thụ năng lượng phôtôn và bị kích thích chuyển lên mức năng lượng cao E2. Năng lượng photon E=E2-E1=hv, trong đó h là hằng số Planck và v là tần số photon. Ngược lại, dưới tác dụng cảm ứng của ánh sáng có tần số v, các nguyên tử ở mức năng lượng E2 sẽ chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn để giải phóng năng lượng và phát ra ánh sáng, hiện tượng này gọi là bức xạ kích thích. Đầu tiên, tia laser làm cho các nguyên tử của chất làm việc bất thường ở mức năng lượng cao (nghĩa là phân bố nghịch đảo dân số), có thể làm cho quá trình bức xạ kích thích chiếm ưu thế, do đó ánh sáng cảm ứng có tần số v được tăng cường và có thể đi qua gương song song Khuếch đại kiểu tuyết lở được hình thành để tạo ra bức xạ kích thích mạnh, được gọi là tia laze.

Laser có 3 tính chất quan trọng:
1. Tính định hướng cao (nghĩa là tính định hướng cao, góc phân kỳ nhỏ của tốc độ ánh sáng), phạm vi mở rộng của chùm tia laze chỉ cách vài cm so với vài km;
2. Độ đơn sắc cao, độ rộng tần số của tia laze nhỏ hơn 10 lần so với độ rộng của ánh sáng thông thường;
3. Độ sáng cao, nhiệt độ tối đa vài triệu độ có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hội tụ chùm tia laze.

Laser có thể được chia thành 4 loại theo chất làm việc:
1. Laser thể rắn: Chất làm việc của nó là chất rắn. Thường được sử dụng là laser ruby, laser garnet nhôm yttrium pha tạp neodymium (tức là laser YAG) và laser thủy tinh neodymium. Chúng có cấu trúc gần giống nhau và được đặc trưng bởi nhỏ, mạnh mẽ và công suất cao. Laser thủy tinh neodymium hiện là thiết bị có công suất phát xung cao nhất, đạt tới hàng chục megawatt.
2. Laser khí: chất làm việc của nó là chất khí. Bây giờ có nhiều loại laser nguyên tử khí, ion, hơi kim loại, phân tử khí. Thường được sử dụng là laser carbon dioxide, laser neon helium và laser carbon monoxide, có hình dạng giống như ống phóng điện thông thường và được đặc trưng bởi đầu ra ổn định, độ đơn sắc tốt và tuổi thọ cao, nhưng công suất thấp và hiệu suất chuyển đổi thấp.
3. Laser lỏng: Có thể chia thành laser chelate, laser lỏng vô cơ và laser nhuộm hữu cơ, trong đó quan trọng nhất là laser nhuộm hữu cơ, đặc điểm lớn nhất của nó là bước sóng có thể điều chỉnh liên tục.
4. Laser bán dẫn: Đây là loại laser tương đối trẻ và loại trưởng thành hơn là laser GaAs. Nó được đặc trưng bởi hiệu quả cao, kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và cấu trúc đơn giản, phù hợp để mang trên máy bay, tàu chiến, xe tăng và bộ binh. Có thể được chế tạo thành máy đo khoảng cách và điểm tham quan. Tuy nhiên, công suất đầu ra nhỏ, tính định hướng kém và bị ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ môi trường.

Ứng dụng cảm biến laze
Sử dụng các đặc tính của tính định hướng cao, độ đơn sắc cao và độ sáng cao của tia laser có thể thực hiện phép đo đường dài không tiếp xúc. Cảm biến laser thường được sử dụng để đo các đại lượng vật lý như chiều dài, khoảng cách, độ rung, tốc độ và hướng, cũng như để phát hiện lỗ hổng và theo dõi các chất ô nhiễm trong khí quyển.
Đo chiều dài laze:
Đo chính xác độ dài là một trong những công nghệ then chốt trong ngành chế tạo máy móc chính xác và ngành gia công quang học. Phép đo chiều dài hiện đại chủ yếu được thực hiện bằng cách sử dụng hiện tượng giao thoa của sóng ánh sáng và độ chính xác của nó chủ yếu phụ thuộc vào tính đơn sắc của ánh sáng. Laser là nguồn sáng lý tưởng nhất, tinh khiết gấp 100.000 lần so với nguồn sáng đơn sắc tốt nhất (đèn krypton-86) trước đây. Do đó, phạm vi đo chiều dài laser lớn và độ chính xác cao. Theo nguyên lý quang học, mối liên hệ giữa độ dài cực đại đo được L của ánh sáng đơn sắc, bước sóng λ và độ rộng vạch quang phổ δ là L=λ/δ. Chiều dài tối đa có thể đo được bằng đèn krypton-86 là 38,5 cm. Đối với các đối tượng dài hơn, nó cần được đo theo từng phần, điều này làm giảm độ chính xác. Nếu sử dụng tia laser khí helium-neon, nó có thể đo được tới hàng chục km. Thường đo chiều dài trong vòng vài mét và độ chính xác của nó có thể đạt tới 0,1 micron.
Phạm vi laze:
Nguyên lý của nó cũng giống như của radar vô tuyến. Sau khi tia laser nhắm vào mục tiêu và phóng đi, thời gian khứ hồi của nó được đo, sau đó nhân với tốc độ ánh sáng để có được khoảng cách khứ hồi. Do laser có ưu điểm là tính định hướng cao, độ đơn sắc cao và công suất cao nên những ưu điểm này rất quan trọng để đo khoảng cách xa, xác định hướng của mục tiêu, cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm của hệ thống thu và đảm bảo độ chính xác của phép đo . ngày càng nhận được sự quan tâm. Lidar được phát triển trên cơ sở máy đo khoảng cách laser không chỉ có thể đo khoảng cách mà còn đo phương vị, tốc độ và gia tốc của mục tiêu. Radar, dao động từ 500 đến 2000 km, sai số chỉ vài mét. Hiện nay, laser ruby, laser thủy tinh neodymium, laser carbon dioxide và laser gallium arsenide thường được sử dụng làm nguồn sáng cho máy đo khoảng cách laser.

Đo rung động bằng laser:
x
Đo tốc độ laser:
Nó cũng là phương pháp đo vận tốc laser dựa trên nguyên lý Doppler. Lưu lượng kế Doppler laser (xem lưu lượng kế laser) được sử dụng nhiều hơn, có thể đo tốc độ luồng không khí trong hầm gió, tốc độ dòng nhiên liệu tên lửa, tốc độ luồng không khí phản lực của máy bay, tốc độ gió trong khí quyển và kích thước hạt và tốc độ hội tụ trong các phản ứng hóa học, v.v.