第八章新型传感器2(激光)..ppt

1、第八章新型传感器、8.2电荷耦合器件图像传感器和8.1光纤传感器。20世纪70年代，随着新材料、新技术和新要求的出现，国内外出现了大量以光纤传感器为代表的新型传感器，代表了传感技术的最新成果，适应了社会发展的新需求。本章主要讲述五种传感器：8.3激光和红外传感器，8.4超声波和声表面波传感器，8.5核辐射传感器，3。综述：1 .光纤的最大优势是什么？2.光纤传输的基本原理是什么？3.光纤数值孔径的物理意义是什么？4.根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器分为哪两种类型？微弯损耗光纤传感器属于哪种类型？5.微弯损耗光纤传感器的工作原理是什么？激光传感器：以激光为光源的光电转换器。什么是激光：被受激

2、辐射放大。1964年，根据中国著名科学家钱学森的建议，“光的受激发射”改名为“激光”。8.3激光和红外传感器，由激光发生器、激光接收器及其相应电路组成。激光应用的领域主要包括工业、医疗、商业、科学研究、信息和军事。根据激光的特点，它可用于激光焊接、激光切割、激光打孔、激光快速成型、激光测速和测距。8.3.1激光传感器，5，6，激光打印机，7，激光切割，8，激光测距仪，9，1，激光形成和特性，1，激光形成，原子处于正态分布状态，大多处于稳定的低能电致发光状态。如果没有外部的作用，原来可以长期保持这种状态。如果在外部光子的作用下，原子吸收光子能量h，从低能级E1到高能级E2的跃迁过程称为原子激发。

3、原子的受激时间非常短，受激原子可以迅速跃迁到低能级并同时辐射光子。这个被激发的原子自发地从高能级跃迁到低能级并发光，这被称为原子的自发发射。粒子能级的正态分布，激发和自发辐射过程。如果处于高能级的原子受到外部作用的影响，它会发射光子并跃迁到低能级，这被称为原子的受激辐射。在受激辐射过程中，发射光子不仅在能量(或频率)上与入射光子相同，而且在相位、振动方向和发射方向上也是相同的。如果这些光子导致其他原子发射受激辐射，则这些原子发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上与最初导致受激辐射的入射光子相同，如图A所示.这样，在入射光子的影响下，大量原子将被激发辐射，它们发射的光子在相位、发射方向、振

4、动方向和频率上完全相同。这个过程被称为光学放大。另一方面，当能量为h的光子在介质中传播时，它们也可以被E1能级的粒子吸收。并使这个粒子跃迁到E2能级。在这种情况下，入射光子被吸收并减少，如图B所示.这个过程叫做光吸收。光的放大和吸收过程通常是同时进行的，并且总的结果可以增强或减弱，这取决于哪一个矛盾处于支配地位。激光是由介质粒子(原子或分子)的受激辐射产生的，但只有满足以下条件才能获得激光。为了形成受激辐射，我们必须设法使某一高水平的原子数量多于低水平的原子数量。原子数的这种分布称为粒子数反转。能形成粒子数反向分布的工作介质称为增益介质。为了产生激光，光靠外部激发不可能获得初级受激辐射。实际的

5、激光器由工作物质和光学谐振腔组成。光学谐振腔由两端各种形状的曲面镜组成。最简单的光学谐振腔是一个具有两个平行表面的平面镜，它对光有很高的反射率，工作物质被封闭在一个有两个反射镜的封闭体内。当工作物质产生受激辐射时，受激辐射在两个反射镜之间来回反射一定次数，每次返回时，它都通过具有布居反转分布的工作物质，从而受激辐射被反复加强，如下图所示。这样，可以进行数十次和数百次往返，直到可以获得在一个方向上具有非常集中的强度的激光输出。我们称之为谐振腔振荡放大中的激光往复放大过程。光学振荡器的工作过程，15，(3)。激光器输出的激光束在激光器的谐振腔中来回振荡和放大，那么如何输出呢？共振腔中的镜子反射光束

6、并使其来回振荡。从光放大的角度来看，反射率越高，光损失越小，放大效果越好。在实际设计中，镜子的一侧被设计成使其对激光波长的反射率接近100%，而镜子的另一侧稍微低一些，例如98%以上。这样，这一端的透镜就会被激光穿透，这一端就是激光的输出端。应该正确选择输出透镜的反射率。如果反射率太低，光传输能力强，但腔内光束的损耗太大，会影响振荡器的放大倍数，所以输出不可避免地会减弱。目前，在给定的激光条件下，最佳反射率通常由实验确定。16，激光器必须满足以下三个条件：(3)一个光学谐振腔有一个重复受激辐射的场所。(2)用于提供能量的激励源；(1)能够形成粒子数反转状态的工作物质增益介质。高方向性高方向性意

7、味着高平行度，即光束的发散角小。激光束的发散角已经达到几分钟甚至更小。因此，激光通常被称为平行光。(2)高亮度激光的单位面积能量集中程度高。高强度红宝石脉冲激光的亮度比太阳高很多倍。这种高亮度激光束可以产生几百万摄氏度的高温。在这种高温下，即使是最难熔的金属也会在瞬间熔化。2，激光的特性：18，(3)高单色性单色光是指光谱线宽非常窄的光波。波长和谱线宽度越小，单色性越好。在普通光源中，最好的单色光源是Kr86灯。从上图可以看出其普通氦氖激光器产生的激光：激光的谱线宽度是普通光源的几万倍，因此激光是最好的单色光源。(4)高相干相干性是指相干波在叠加区域获得稳定干涉条纹的特性。普通光源是非相干光源

8、，而激光是优秀的相干光源。激光有很多种。根据其工作物质，可分为气体、液体、固体和半导体激光器。(1)气体激光器氦-氖激光器是应用最广泛的气体激光器。二氧化碳激光器是一种典型的分子气体激光器。特点：体积小，连续工作，单色性好，但输出功率不如固态激光器。3.激光器类型：(2)固态激光器固态激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃，最常用的有红宝石(掺铬)、钕玻璃(掺钕)和钇铝石榴石(掺钕)。液体激光器的工作物质是含有稀土离子的有机染料溶液和无机化合物溶液，其中金属离子作为工作粒子。液体激光器的最大特点是可以在一定范围内连续调节激光波长，而不降低效率。(4)半导体激光器半导体激光器的工作物质是一些具

9、有合适性质的半导体材料，如砷化镓(GaAs)、砷化镓磷化物(GaAs磷)、磷化铟(1nP)等。半导体激光器最明显的特点是体积小、重量轻、结构紧凑。半导体激光器本身只有针孔那么大，长度不到1毫米。如果把它安装在一个晶体管形状的外壳里，或者在它的两侧安装电极，它的重量不会超过2克，所以它是非常轻的它可以制成小型激光通信机、安装在飞机上的激光测距仪，或者安装在人造卫星和宇宙飞船上用于精确跟踪和导航的激光雷达。2.激光传感器；3.激光扫描传感器：物体尺寸的非接触测量；1.激光干涉传感器：长度和尺寸的测量；2.激光衍射传感器：衍射物体的尺寸；激光传感器是以激光为光源的光电传感器。根据工作原理，可分为：2

10、3，案例1，激光测速；3，激光传感器应用实例，现选择sl00m。当车辆行驶时，可以通过切割两条距离为100米的激光束并测量时间间隔来计算速度。24，案例2。激光测距。激光测距的原理是根据激光信号在测量点和目标之间来回传播的时间来计算距离。激光测距可用于地形测量、战场前沿测距、坦克和火炮测距，以及测量云层、飞机、导弹和卫星的高度。25，26，案例3。激光雷达是一种利用激光束搜索、跟踪和测量移动目标的设备，被称为激光雷达。激光雷达的工作原理类似于微波雷达，利用电磁波照射目标并接收回波，发现、识别和指示目标，但工作频带不同。激光雷达的军事应用：武器识别试验、武器火控、跟踪与识别、指挥与制导、大气测量

11、等。27，案例4。激光制导利用激光作为跟踪目标和传递信息的手段，将导弹、炮弹和空中炸弹导向目标。激光制导具有命中精度高、抗电磁干扰能力强等优点，被广泛用作精确制导武器的重要制导手段。28，案例5。激光武器被称为激光武器，它利用激光能量直接摧毁目标或杀死并摧毁其组件，使其失去战斗力。29，美国激光飞机已经进入试验阶段，30，例如：战略反导弹激光武器，31，中国反卫星激光武器已经部署到西北内陆，32，案例6，激光通信，激光通信使用光作为载体传输信息，通过调制信息(音频信号)到光波上，通过介质(大气、光缆等)相互传输。)，然后相互传输。根据激光传播方式的不同，激光通信可分为大气激光通信、空间激光通信

12、、水下激光通信和光纤通信。大气激光通信是一种以大气为传输介质的激光通信。由于受大气吸收、散射等因素的影响，它只能直线传播，因此只适用于短距离定点或半定点通信。光纤通信是以光纤为传输介质的激光通信。主要用于远程战略战术通信系统、中短程本地通信系统，以及飞机、舰船、雷达、导弹、卫星等军事装备和军事设施内的信息传输和通信。33，一种用于获得三维空间中不透明物体的表面形状的新传感器。(nxSensor-I是美国nextWare公司最新推出的全球最精确的激光图像传感器之一)可广泛用于三坐标测量、逆向工程、产品设计、复制、修改和模具制造。3D激光扫描传感器工作流程，案例7。3D激光扫描传感器，34，工作原

13、理，当然不是。那么什么是激光鼠标，激光鼠标与光电鼠标相比有什么优势？1.用激光代替普通的发光二极管灯；2.在任何飞机上操作；3.提高分辨率和准确度；37.激光鼠标传感器获取图像的原理是将激光照射在物体表面产生的干涉条纹形成的光斑反射到传感器上，而传统的光学鼠标是通过照射粗糙表面产生的阴影获得的。因此，激光可以产生与表面图像更大的对比度，这使得传感器获得的图像更容易辨别，并且提高了鼠标的定位精度。根据工作原理，第一代鼠标：是机械鼠标。每个人都应该有这样的印象：鼠标的底盖上有一个滚球(最早的产品底部有两个相互垂直的滚轮)。它的工作原理是。当你拖动鼠标时，它会带动滚球旋转，进而带动滚轮旋转。安装在滚

14、轮末端的机械传感器(前一种)或光栅信号传感器产生的电脉冲信号反映了鼠标在垂直和水平方向的位移变化，然后通过计算机程序的处理和转换来控制屏幕上的光标箭头。这款鼠标38最大的问题是有很多机械部件，要达到高精度，需要更精密的技术。同时，为了紧密结合，滚珠等机械零件采用不光滑的材料制成，容易受到环境灰尘和油污的污染，导致定位不准确。因此，需要认真清洁机械鼠标，以保持其原始性能。因此，大多数机械鼠标的底部都设计成便于拆卸滚球。因此，许多人得出结论，机械鼠标的定位是不准确的。第二代是光学鼠标。市场上的许多鼠标都是光学鼠标。光学鼠标包含四个最重要的核心部件：发光二极管(我们看到的红色发光二极管)、光学引擎(

15、鼠标最昂贵的部件，是鼠标的集成电路模型，英文名字叫传感器，功能相当于人的眼睛)、镜头和控制芯片(也叫单片机，是鼠标的大脑)。其工作原理是由发光二极管发出的光照亮光学鼠标的底部，然后从光学鼠标的底面反射的部分光通过透镜传输到传感器进行成像。这样，当光学鼠标移动时，其移动轨迹将被记录为一组高速拍摄的连贯图像。鼠标微控制器对运动轨迹上拍摄的一系列39幅图像进行分析处理，通过分析这些图像上特征点的变化来判断鼠标的运动方向和距离，从而完成光标定位。与机械鼠标相比，光学鼠标的最大优点是可以以较低的成本实现更精确的定位，并且不需要清理滚球和滚轮上的污渍。但是移动速度不如机械鼠标。最大的问题是鼠标的性能受到用

16、户界面的限制。通常，我们必须垫一个特殊的鼠标垫。第三代是激光鼠标，也叫激光鼠标。它也可以说是一种特殊的光学鼠标，它的核心部件也是四个部分。最大的区别是用激光代替了原来的红色发光二极管。众所周知，激光和普通光的最大区别在于激光的集中性，激光发出的一束光被散射而不是普通光学发光二极管发出的光。由于激光的集中，相应的光当然比普通光强得多，并且当触摸界面时发射的光束将被完全折射并在鼠标的传感器上反射。激光非常强(别担心，这种强度只是一个相对的概念，它永远不会强到足以伤害到人)。当然，它需要一个专业的高级传感器和一个专业的镜头来配合使用，这样激光鼠标的优势才能体现出来。40，辨别真假激光鼠标鼠标鼠标上使用的激光波长为850纳米，在红外区域肉眼是看不到的，所以很多人通过看下壳是否有红光来区分激光鼠标和光电鼠标，光电鼠标，没有红光的激光鼠标不发光，这是不对的。当然，光电鼠标发出红光，而一种真正的激光鼠标不发光，另一种是假的激光鼠标。假激光鼠标的发光二极管是一个普通的红外发光二极管，由普通的光学传感器制成。虽然普通的红外发光二极管与鼠标中使用的激光波长相同，肉眼无法看到，但激光是一种强光，普通的红外发光二极管的工作原理与我们的订单完全相同正是假激光让消费者认为激光鼠标和光电鼠标没有区别，这使得激光鼠标目前在中国难以推广。然后如何区分真假激光鼠标：一旦你看了界面，最典型的是把一个玻璃放在桌子上