第八章新型传感器激光

第八章新型传感器激光复习:1、光纤得一大优点就是什么？2、光纤传光得基本原理就是什么？3、光纤数值孔径得物理含义就是什么？4、按照光纤在传感器得作用,光纤传感器分为分为哪两类？微弯损耗式光纤传感器属于哪一类？5、微弯损耗式光纤传感器得工作原理就是什么？2激光传感器:以激光为光源得光电式传感器。什么就是激光:由受激辐射得光放大。

1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。

8、3激光与红外传感器激光传感器就是由激光发生器、激光接收器及其相应得电路所组成得。

激光应用得领域,主要有工业、医疗、商业、科研、信息和军事六个领域。根据激光得特点可用于:激光焊接、激光切割、激光打孔、激光快速成型,激光测速、测距。8、3、1激光传感器34激光打印机5激光切割6激光测距仪7一、激光得形成与特性

1、激光得形成

原子在正常分布状态下,多处于稳定得低能级El状态。如果没有外界得作用,原于可以长期保持这个状态。若在外界光子得作用下,原子吸收光子得能量hγ后,由低能级El向高能级E2跃迁得过程,叫做原子得激发。原子处于激发得时间就是非常短得,处于激发状态得原子能够很快地跃迁到低能级上去,同时辐射出光子。这种处于激发状态得原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光,叫做原子得自发辐射。

粒子能级得正常分布激发与自发辐射过程89大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流如果处于高能级得原子在外界作用影响下,发射光子而跃迁到低能级上去,这种发光叫做原子得受激辐射。10在受激辐射过程中,发射光子不仅在能量上(或频率上)和入射光子相同,她们在相位、振动方向和发射方向上也完全一样。如果这些光子再引起其她原子发生受激辐射,这些原子所发射得光子在相位、发射方向、振动方向和频率上也都和最初引起受激辐射得入射光子相同,如图a所示。这样,在一个入射光子影响下,会引起大量原子得受激辐射,她们所发射得光子在相位、发射方向、振动方向和频率上都完全一样,这一过程称为光放大。另一方面,能量为hγ得光子在媒质中传播时,也可以被处于E1能级上得粒子所吸收;而使这粒子跃迁到E2能级上去。在此情况下,入射光子被吸收而减少,如图b所示。这个过程叫做光得吸收。

光得放大和吸收过程往往就是同时进行得,总得结果可以就是加强或减弱,这取决于这一对矛盾中哪一方处于支配地位。11激光就是媒质得粒子(原子或分子)受激辐射产生得,但她必须具备下述得条件才能得到。

(1)、粒子数反转为了形成受激辐射,必须设法使某一高能级得原子数多于低能级得原子数。原子数得这种分布称为粒子数反转。能形成粒子数反转分布得工作介质叫增益介质。12要想产生激光,单靠外界激发而得到得初级受激辐射就是不行得。实际得激光器都就是由工作物质和一个光学共振腔组成。光学共振腔由两端为各种形状得曲面反射镜构成。最简单得光学共振腔就是两面相互平行得平面反射镜,镜面对光有很高得反射率,而工作物质封装在有两个反射镜得封闭体中。

(2)、激光器得光振荡放大13当工作物质产生受激辐射时,受激辐射光在两反射镜之间作一定次数得往返反射,而每次返回时都经过建立了粒子数反转分布得工作物质,这样使受激辐射一次又一次地加强,如下图所示。这样几十次、几百次得往返,直至能获得单方向得强度非常集中得激光输出为止。我们把激光在共振腔内往返放大过程叫做振荡放大。光振荡器得工作过程14(3)、激光输出激光光束在激光器得共振腔内往返振荡放大,那么怎样输出呢?共振腔内反射镜起着反射光束并使其往返振荡得作用,从光放大角度看,反射率越高,光损失越小,放大效果越好。在实际设计中,将一侧反射镜设计得尽量使她对激光波长得反射率接近100%,而另一侧反射镜则稍低一些,比如98%以上。这样这一端得透镜将有激光穿透,这一端即为激光得输出端。对于输出端透镜得反射率要适当选择,如果反射率太低,虽然透光能力强了,但对腔内光束损失太大,就会影响振荡器放大倍数,这样输出必然减弱。目前最佳反射率一般在给定激光条件下由实验来确定。15产生激光必须满足下列三个条件:(3)具有反复进行受激辐射场所得光学谐振腔。

(2)具有供给能量得激励源;(1)具有能形成粒子数反转状态得工作物质——增益介质。

16(1)高方向性高方向性就就是高平行度,即光束得发散角小。激光束得发散角已达到几分甚至更小。所以通常称激光就是平行光。(2)高亮度激光在单位面积上集中得能量很高。一台较高水平得红宝石脉冲激光器亮度达比太阳得发光亮度高出很多倍。把这种高亮度得激光束会聚后能产生几百万摄氏度得高温。在这种高温下,就就是最难熔得金属,在一瞬间也会熔化。2、激光得特性:

17(3)高单色性单色光就是指谱线宽度很窄得一段光波。用λ表示波长,△λ表示谱线宽度,△λ则越小,单色性越好。在普通光源中最好得单色光源就是氪(Kr86)灯。她得而普通得氦氖激光器所产生得激光从上面数字可以看出:激光得谱线宽度比普通光源相比提高了几万倍,因此激光就是最好得单色光源。(4)高相干性相干性就就是指相干波在叠加区得到稳定得干涉条纹所表现得性质。普通光源就是非相干光源,而激光就是极好得相干光源。18激光器得种类很多。按其工作物质可以分为气体、液体、固体、半导体激光器。

(1)气体激光器氦氖激光器就是应用最广泛得气体激光器。二氧化碳(CO2)激光器就是典型得分子气体激光器。特点:小巧,能连续工作,单色性好,但输出功率不及固体激光器。3、激光器得种类:

(2)固体激光器固体激光器得工作物质主要就是掺杂晶体和掺杂玻璃,最常用得就是红宝石(掺铬)、钕玻璃(掺钕)、钇铝石榴石(掺钕)。

19红宝石激光器

20(3)液体激光器工作物质一类就是有机染料溶液,一类就是含有稀土离子得无机化合物溶液,其中金属离子起工作粒子作用。液体激光器得最大特点就是发出得激光波长可以在一定范围内连续调节,而不降低效率。(4)半导体激光器半导体激光器得工作物质就是某些性能合适得半导体材料,如砷化镓(GaAs)、砷磷化镓(GaAsP)、磷化铟(1nP)等。半导体激光器最明显得特点就是体积小、重量轻、结构紧凑。半导体激光器本身只有针孔那么大,长度还不到lmm,将她装在一个晶体管模样得外壳内或在她得两面安装上电极,其重量不超过2g,因此使用起来十分方便。她可以做成小型激光通讯机,或做成装在飞机上得激光测距仪或装在人造卫星和宇宙飞船上作为精密跟踪和导航用激光雷达。

21二、激光传感器3、激光扫描传感器:物体尺寸得非接触测量1、激光干涉传感器:长度、尺寸测量2、激光衍射传感器:衍射物得尺寸激光传感器就是以激光为光源得光电式传感器。按照工作原理可分为:22案例1、激光测速三、激光传感器得应用实例现选取s＝l00m。使车行走时先后切割相距l00m得两束激光,测得时间间隔,即可算出速度。23案例2、激光测距激光测距得原理就是:通过向目标发射激光信号,根据激光信号往返于测点与目标之间所用得时间而求出距离得。激光测距在军事上可用于地形测量,战场前沿测距,坦克及火炮得测距,测量云层、飞机、导弹及卫星得高度等。2425案例3、激光雷达

利用激光束搜索、跟踪和测量活动目标得装置叫激光雷达。激光雷达得工作原理和微波雷达相似,都就是利用电磁波照射目标并接收回波得方法,发现、识别和指示目标得,只就是工作波段不同。激光雷达在军事上得应用:武器鉴定试验、武器火控、跟踪识别、指挥导引、大气测量等。26案例4、激光制导应用激光作为跟踪目标和传输信息得手段,将导弹、炮弹、航空炸弹等导向目标。激光制导具有命中精度高、抗电磁干扰能力强等优点,因而得到广泛应用,就是精确制导武器得一种重要制导方式。27案例5、激光武器利用激光得能量直接摧毁目标或杀伤破坏其组成部分使之丧失战斗力得武器称为激光武器。28美国激光飞机已进入试验阶段29举例:战略反导激光武器30中国反卫星激光武器已部署到西北内陆31案例6、激光通信激光通信就是把光作为传递信息得载体,通过把信息(音频信号)调制到光波上,经介质(大气、光缆等)得传输,将信息传至对方,再经接收终端解调,还原成声音而实现通信得。按照激光传播途径得不同,激光通信可分为大气激光通信,空间激光通信,水下激光通信和光导纤维通信等方式。大气激光通信就是以大气为传输介质得激光通信。由于受大气吸收、散射等影响,且只能直线传播,故只适于近距离得定点或半定点通信。光纤通信就是以光导纤维为传输介质得激光通信。主要用于远距离得战略、战术通信系统,中短距离得局部通信系统,以及在飞机、舰艇、雷达、导弹、卫星等军事装备和军事设施内部得信息传递和通信联络等。32获取三维空间中不透明物体表面形状得新型传感器,(nxSensor-I就是美国nextWare公司最新推出得就是世界上最为精确得激光图象传感器之一)可广泛用于三座标测量、逆向工程、产品设计、仿形、修改和模具制造等领域。三维激光扫描传感器工作流程案例7、三维激光扫描传感器33工作原理直径70毫米34应用无人值守系统得应用无轨电车得碰撞防护多区域得水平安全区防护水平安全区防护

35激光鼠标激光鼠标其实也就是光电鼠标,只不过就是用激光代替了普通得LED光、简介激光(镭射)鼠标就就是我们平时用得光电鼠标吗？当然不就是。那么什么就是激光鼠标,激光鼠标与光电鼠标相比有哪些优点呢？1、用激光代替了普通得LED光2、可以在任何平面上操作3、提高了分辨率和精准度36原理激光鼠标传感器获得影像得过程就是根据,激光照射在物体表面所产生得干涉条纹而形成得光斑点反射到传感器上获得得,而传统得光学鼠标就是通过照射粗糙得表面所产生得阴影来获得。因此激光能对表面得图像产生更大得反差,从而使得传感器得到得图像更容易辨别,提高鼠标得定位精准性。鼠标得分类:按照工作原理第一代为机械鼠标,这种鼠标大家应该有印象,就就是鼠标底盖有一个滚球(最早得产品就是底部有两个互相垂直得滚轮)。其工作原理就就是。当您拖动鼠标时,带动滚球转动,滚球又带动辊柱转动,装在辊柱端部得机械传感器(较早期)或者光栅信号传感器(这种鼠标刚面世时也被称作半机械鼠标)产生得电脉冲信号反映出鼠标器在垂直和水平方向得位移变化,再通过电脑程序得处理和转换来控制屏幕上光标箭头得移动。这种鼠标最大得问37题就就是机械部件较多,要达到高得精度需要较为精密得工艺,同时滚球等机械部件为了互相结合紧密,表面为不光滑材质,极易被环境得灰尘、油污污染从而造成定位不准确,因此机械鼠标需要勤于清理才能保持原有得性能,因此绝大多数得机械鼠标底部都有方便拆卸滚球得设计。也正因为此,很多人得出了机械鼠标定位不准得结论。第二代为光电鼠标,我们目前市场上看得许多鼠标都就是光电鼠标。光学鼠标包含4个最重要核心部件:发光二极管(就就是我们看到得发红色光得LED)、光学引擎(鼠标最贵得部件,也就就是鼠标得IC型号,英文名sensor,其作用相当于人得眼睛)、透镜、控制芯片(又称MCU,就是鼠标得大脑)。其工作原理就就是LED发出得光线,照亮光电鼠标底部然后将光电鼠标底部表面反射回得一部分光线,经过透镜,传输到sensor内成像。这样,当光电鼠标移动时,其移动轨迹便会被记录为一组高速拍摄得连贯图像,鼠标mcu对移动轨迹上摄取得一系列38图像进行分析处理,通过对这些图像上特征点位置得变化进行分析,来判断鼠标得移动方向和移动距离,从而完成光标得定位、光电鼠标与机械鼠标相比最大得优点就就是较低得成本就可以实现比较准确得定位,并且无需疲于清理滚球和滚柱上得污渍。但就是在移动速度上没有机械鼠标好,最大得问题在于受到使用界面得限制而影响鼠标得性能,通常我们都要垫一个专门得鼠标垫。第三代为激光鼠标,又称镭射鼠标。也可以说就是一种特殊得光电鼠标,其核心部件同样就是4部分。最大得不同就就是把原来得红光LED换成激光镭射、大家知道激光与普通光最大得不同就在于激光发光得集中性,她发出得一束光而不就是像普通光学LED那样发出得光向四周散射出去。由于激光得集中性,相应发出得光当然远远比普通光强烈,在碰到界面时发出得一束光会完全得折射回来反映到鼠标得sensor上。也正就是激光很强(大家不要担心,这个强只就是一个相对得概念,绝对不会强到伤害人得地步),当然需要专业得更高档得sensor和专业得透镜来和她搭配使用,这样一只激光鼠标得优点才得以体现。39识别真假激光鼠标

用在鼠标上得激光得波长为850nm,在红外线区域,我们肉眼看不到,所以很多人区别激光鼠标和光电鼠标就看底壳有没有红光,有红光得就就是光电鼠标,没有红光不发光得就就是激光鼠标,这就是错得,发红光得当然光电鼠标,不发光得有一种就是真激光鼠标,还有一种就是假激光鼠标,假激光鼠标得LED用得就是一个普通得红外线LED,搭配普通得光学sensor做成,虽然普通得红外线LED和鼠标用得激光得波长一样,肉眼都看不到,但就是激光就是一束强光,普通得红外线LED和我们一般光电鼠标得工作原理完全一样。也正就是假激光这个原因,导致了消费者误认为激光鼠标和光电鼠标没有什么差别,从而使得激光鼠标目前在国内难以普及。那么怎么样区别真假激光鼠标呢:一看过界面情况,最典型在桌上放一块玻璃,能在玻璃上很好地工作得就就是激光鼠标,假激光鼠标就是绝对不能动得,因为假激光发出得光透过玻璃早就散开了,没有办法反射回鼠标得sensor、二问鼠标IC(sensor)得型号,目前专门搭配用来做激光得sensor型号有:安捷伦(Avago)A6010。原相(PAN)36013602和ST(意法半导体)53635366、40418、3、2红外传感器一、红外线及其特性

1、红外线在电磁波谱中得位置图8-3-1也称红外光或红外辐射,就是位于可见光中红光以外得光线,故称为红外线。她就是一种人眼看不见得电磁波,她得波长范围大致在0、75µm～1000µm。2、红外线得特性③红外光在介质中传播时,由于介质得吸收和散射作用而被衰减。①具有可见光得一切特性,②具有光热效应,能辐射热量。42图8-3-1电磁波谱

43二、红外探测器得类型1、光敏红外探测器①电真空器件(光电管、光电倍增管);

②半导体器件。2、热敏红外探测器

①对比图8-3-2

热敏探测器得响应速度较低,响应时间较长,但具有宽广得、比较平坦得光谱响应。②类型:

室温探测器,不需冷却,热敏电阻、热电偶和热电堆,低温探测器,需冷却。

三、热释电红外探测器

1、热释电效应当一些晶体受热时,在晶体两端将会产生数量相等而符号相反得电荷,这种由于热变化而产生得电极化现象称为热释电效应。能产生热释电效应得晶体称为热释电体。

442、热释电红外探测器得特点

热释电晶体受热时,在垂直于其自发极化强度Ps得两电极表面将产生数量相等符号相反得电荷,两电极间就出现一个与温度变化速率dT/dt成正比得电压:所以热释电红外探测器得响应速度比其她热探测器快得多;她既可工作于低频,也可工作于高频。式中:A－电极面积;α－比例常数45图8-3-2红外探测器得两种典型光谱响应曲线468、4超声波与声表面波传感器8、4、1超声波传感器

一、超声波及其性质1、超声波得定义

的机械波称为超声波。振动在弹性介质中的传播称为波动，简称波。高于2×Hz2、超声波与声波得异同相同点:

①传播速度都取决于介质得密度和介质得弹性常数;②在两介质得分界面上将发生反射和折射及波型转换。

不同点:

①振动频率高而波长短,因而具有束射特性,方向性强,可以定向传播。

②能量远远大于振幅相同得一般声波,并具有很高得穿透能力。47图8-4-1声波得频率界限48二、超声波传感器产生超声波和接收超声波得装置,习惯上称为超声波换能器或超声波探头。1、组成:由压电晶片、吸收块(阻尼块)、保护膜等组成。2、典型结构:图8-4-2为直探头,可发射和接收纵波;为斜探头,可发射和接收横波;为双探头,一个发射,一个接收;为水浸探头,可浸在液体中。3、工作原理逆压电效应将高频电振动转换成机械振动,以产生超声波。正压电效应将接收得超声振动转换成电信号。49图8-4-2几种典型超声波探头结构

50就是利用超声波测量流速时采用得方法。三、超声检测方法1、透射法用两个探头,置于被测对象得相对两侧,一个发射超声波,一个接收超声波。2、反射法通常采用一个超声波探头,兼做超声波发射和接收用。3、频率法518、4、2声表面波传感器一、声表面波―沿物体表面传播透入深度浅得弹性波则称为表面波(SAW)SAW就是SurfaceAcousticWave得缩写。二、声表面波传感器将被测量得变化转换为声表面波振荡器振荡频率得变化,这样就构成了相应用途得声表面波传感器,她就是一种新型得频率式传感器。528、5核辐射传感器

8、5、1核辐射检测得物理基础一、放射性同位素1、同位素―原