激光传感器综述.docx

激光传感器距离测量综述专业班级： 08级电子2班 姓 名： 何 一 帆 学 号： 08200205 所属课程： 传感器与检测技术 任课教师： 郑 博 仁 一、 摘要 距离传感器是利用测时间来实现测距离的原理，以检测物体的距离的一种传感器。它是通过发射特别短的光脉冲，并测量此光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间来计算与物体之间的距离。它的出现使许多通过常规方法不可能实现的距离测量变为现实，常见的应用如井架、山洞、智能距离测量等。而激光传感器就是距离传感器中常见的一种。因为激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点，所以性能较其他传感器稍好，但它目前主要用于军事和科学研究方面，工业自动化方面却很少见，主要原因是其造价过高，限制了它的应用范围。二、 激光概述激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度为太阳光的100亿倍。它的原理早在 1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发现，但要直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。该项目在华中科技大学武汉光电国家实验室和武汉东湖中国光谷得到充分体现，也在军事上起到重大作用。激光的特点：（一）定向发光 普通光源是向四面八方发光。要让发射的光朝一个方向传播，需要给光源装上一定的聚光装置，如汽车的车前灯和探照灯都是安装有聚光作用的反光镜，使辐射光汇集起来向一个方向射出。 （二）亮度极高 在激光发明前，人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不相上下，而红宝石激光器的激光亮度，能超过氙灯的几百亿倍。因为激光的亮度极高，所以能够照亮远距离的物体。（三）颜色极纯 光的颜色由光的波长（或频率）决定。一定的波长对应一定的颜色。太阳光的波长分布范围约在0.76微米至0.4微米之间，对应的颜色从红色到紫色共7种颜色，所以太阳光谈不上单色性。发射单种颜色光的光源称为单色光源，它发射的光波波长单一。比如氪灯、氦灯、氖灯、氢灯等都是单色光源，只发射某一种颜色的光。单色光源的光波波长虽然单一，但仍有一定的分布范围。（四）能量密度极大 光子的能量是用E=hv来计算的，由此可知，频率越高，能量越高。激光频率范围3.846*10(14)Hz到7.89510(14)Hz，可知激光蕴含极大的能量。三、超声波传感器概述定义：先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。原理：先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。 激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。 如，光速约为3X108m/s，要想使分辨率达到1mm，则测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间： 0.001m(3X108m/s)=3ps 要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。 但是如今的激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。 远距离激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离；LED白光测速仪成像在仪表内部集成电路芯片CCD上，CCD芯片性能稳定，工作寿命长，且基本不受工作环境和温度的影响。因此，LED白光测速仪测量精度有保证，性能稳定可靠。 与超声波距离传感器的比较：激光距离传感器可用于其它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，当目标距离较远内或目标颜色变化时，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，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，而且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。 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角以内。 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。 需要可见光斑进行位置校准的场合。 多风的场合。 真空场合。 温度梯度较大的场合。因为这种情况下会造成声速的变化。 需要快速响应的场合。 而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测。四、激光测距传感器的应用1、测量传送带上箱子的宽度 使用两个发散型传输时间激光传感器，在传送带的两侧面对面安装。因为尺寸变化的箱子落到传送带上的位置是不固定的，这样，每个传感器都测量出自己与箱子的距离，设一个距离为L1，另一个为L2。此信息送给PLC，PLC将两个传感器间总的距离减去L1和L2，从而可计算出箱子的宽度W。2、保护液压成型冲模 机械手把一根预成型的管材放进液压成型机的下部冲模中，操作者必须保证每次放的位置准确。在上部冲模落下之前，一个发散型传感器测量出距离管子临界段的距离，这样可保证冲模闭合前处于正确位置。3、手持激光测距望远镜 手持激光测距望远镜能够方便，快捷的测量不易到达地点的距离，并且可以斜距、水平距、两点三点测高和角度测量。能够应用于通讯和林业行业。 4、二轴起重机定位用两个反射型传感器面对反射器安装，反射器安装在桥式起重机的两个移动单元上。一个单元前后运动，另一个左右运动。当起重机驱动板架辊时，两个传感器监测各自到反射器的距离，通过PLC能连续跟踪起重机的精确位置。 有了这种新式廉价激光测距传感器，反射性或多颜色的目标长距离位置检测即使在检测角度变化的情况下也没问题了。5、苹果采摘机器人：为获得苹果的深度信息,实现苹果采摘机器人对苹果的三维定位,研制了一种基于主动三角测量原理的激光距离传感器.该传感器在信号接收单元增加了窄带通干涉滤光片,削弱了太阳光的影响;系统采用同步检波的信号采集方法有效地抑制了外界干扰,实现了距离的精确测量.试验结果表明,这种传感器可以在近距离范围获得苹果的深度信息,而且不受环境影响,在150800 mm距离范围内,最大距离偏差不超过13 mm.。五、激光传感器应用前景展望目前，全球的传感器市场在不断变化的创新之中呈现出快速增长的趋势。有关专家指出，传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高，各国将竞相加速新一代传感器的开发和产业化，竞争也将日益激烈。新技术的发展将重新定义未来的传感器市场，比如无线传感器、光纤传感器、智能传感器和金属氧化传感器等新型传感器的出现与市场份额的扩大咨询公司INTECHNOCONSULTING的传感器市场报告显示，2008年全球传感器市场容量为506亿美元，预计2010年全球传感器市场可达600亿美元以上。调查显示，东欧、亚太区和加拿大成为传感器市场增长最快的地区，而美国、德国、日本依旧是传感器市场分布最大的地区。就世界范围而言，传感器市场上增长最快的依旧是汽车市场，占第二位的是过程控制市场，看好通讯市场前景。 一些传感器市场比如压力传感器、温度传感器、流量传感器、水平传感器已表现出成熟市场的特征。流量传感器、压力传感器、温度传感器的市场规模最大，分别占到整个传感器市场的21%、19%和14%。传感器市场的主要增长来自于无线传感器、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystems，微机电系统)传感器、生物传感器等新兴传感器。其中，无线传感器在2007-2010年复合年增长率预计会超过25%。 参考文献：1陈杰 黄鸿主编传感器于检测技术，高等教育出版，20022袁希光主编：传感器技术手册，国防工业出版社，北京，1986。3宋永刚; 郝飞; 王海鸣激光传感器在工程