激光传感器的工作原理及应用

1.激光与激光器

激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就之一。它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。激光与普通光不同，需要用激光器产生（见图5-48）。

图5-48 激光器

激光器的工作物质在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E₁，在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级E₂。

光子能量公式为

E＝E₂-E₁＝hυ （5-2）

式中，h为普朗克常数；υ为光子频率。

反之，在频率为υ的光的诱发下，处于能级E₂的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为υ的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称激光。

激光具有3个重要特性：

1）高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米；

2）高单色性，激光的频率宽度比普通光小1/10以上；

3）高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。

激光器按工作物质可分为4种：

1）固体激光器：它的工作物质是固体。常用的有红宝石激光器、掺钛的忆铝石榴石激光器（即YAG激光器）和钛玻璃激光器等。如图5-49所示，它们的结构大致相同，特点是小而坚固、功率高，钛玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到数十兆瓦。

图5-49 固体激光器

2）气体激光器：它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。常用的有CO₂激光器（见图5-50）、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形状如普通放电管，特点是输出稳定，单色性好，寿命长，但功率较小，转换效率较低。

3）液体激光器：它又可分为螫合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中最重要的是有机染料激光器，它的最大特点是波长连续可调。

4）半导体激光器：它是较年轻的一种激光器，其中较成熟的是砷化铸激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大。

2.激光产品危险等级分类

激光产品危险等级分类是描述激光系统对人体造成伤害程度的界定指标。分类从第I类激光（无伤害）到第Ⅳ类激光器，如2000W CO₂激光器（可以切割厚钢板）。制造商必须在第Ⅱ类，第Ⅲ类和第Ⅳ类激光产品上贴有带激光危险等级分类宇样的警告标签。

图5-50 CO₂激光器

第I类激光产品——没有生物性危害。任何可能观看的光束都是被屏蔽的，巨在激光暴露时激光系统是互锁的。大型激光打印机，如DEC LPS-40是由10mW（Ⅲb类）氦氖激光驱动的，尽管实际的激光器是Ⅲb类，但打印机是互锁的，以避免和暴露的激光束发生任何接触，因此，该设备不产生任何生物性危害。这也适用于CD播放器和小型激光打印机，他们都是第一类设备。

第Ⅱ类激光产品——输出功率为1mW。不会灼伤皮肤，不会引起火灾。由于眼睛反射可以防止一些眼部损害，所以这类激光器不被视为危险的光学设备。例如当眼睛遇到明亮的光线时，会自动眨眼，或者转动头部以避开这些强光线。这就是所谓的反射行为或反射时间。在这段时间内这类激光产品不会对眼睛造成伤害。尽管如此，一个人也不会愿意较长时间盯着看它。在这类激光设备上应放黄色警告标签。

第Ⅲa类激光产品——输出功率为1~5mW。不会灼伤皮肤。在某种条件下，这类激光可以对眼睛造成致盲以及其他损伤。这类激光产品应该有：

1）激光发射指示灯，表明激光器是否在工作；

2）应该使用电源钥匙开关，阻止他人擅自使用；

3）应该贴有一个危险标签和输出xx的标签。

第Ⅲb类激光产品——输出功率为5~500mW。在功率比较高时，这类激光产品能够烧焦皮肤。这类激光产品明确定义为对眼睛有危害，尤其是在功率比较高时，将造成眼睛损伤。这类激光产品必须具备：(www.xing528.com)

1）钥匙开关，阻止他人擅自使用；

2）激光发射指示灯，表明激光器是否在工作；

3）启动电源后有3~5s延迟时间使操作者离开光束路径；

4）装有急停开关，随时关断激光光束；

5）在激光器上必须贴有红色的危险标签和xx（aPerature）标签（250mW激光器照射一张红纸，不到2s就点燃了！）。

第Ⅳ类激光产品——输出功率大于500mW。这类激光产品一定能够造成眼睛损伤。就像灼烧皮肤和点燃衣物一样，激光能够引燃其他材料。这类激光产品必须具备：

1）钥匙开关，阻止他人擅自使用；

2）保险装置，防止工作时系统的保护盖被打开；

3）激光发射指示灯，表明激光器是否在工作；

4）装有急停开关，随时关断激光光束；

5）在激光器上贴好红色危险标签和xx（aPerature）标签，这类激光反射光束和主光束一样都很危险（一个1000W CO₂激光器可以在一块钢板上打孔，设想一下，如果是眼睛会怎么样！）。

3.激光传感器原理

如图5-51所示的激光传感器就是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

激光传感器测量的基本原理是光学三角法（见图5-52），即半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。

图5-51 激光传感器

图5-52 激光传感器测量基本原理

4.激光传感器所能解决的其他技术无法解决的问题

激光传感器可用于其他技术无法应用的场合。例如，当目标很近时，计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是，当目标距离较远或目标颜色变化时，普通光电传感器就难以应付了。

虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作，但是，在目标角度不固定或目标太亮时，其性能的可预测性变差。此外，普通光电三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内。

超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体，而巨由于它不是光学装置，所以不受颜色变化的影响。但是，超声波传感器是依据声速测量距离的，因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合：

1）待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°以内。

2）需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm。

3）需要可见光斑进行位置校准的场合。

4）多风的场合。

5）真空场合。

6）温度梯度较大的场合。因为这种情况下会造成声速的变化。

7）需要快速响应的场合。

而激光传感器能解决上述所有场合的检测。