第八章新型传感器激光2讲课文档

第八章新型传感器激光第1页，共56页。优选第八章新型传感器激光2第2页，共56页。复习：1.光纤的一大优点是什么？2.光纤传光的基本原理是什么？3.光纤数值孔径的物理含义是什么？4.按照光纤在传感器的作用，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的工作原理是什么？3第3页，共56页。激光传感器：以激光为光源的光电式传感器。什么是激光：由受激辐射的光放大。

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是由激光发生器、激光接收器及其相应的电路所组成的。

激光应用的领域，主要有工业、医疗、商业、科研、信息和军事六个领域。根据激光的特点可用于：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4第4页，共56页。5第5页，共56页。激光打印机6第6页，共56页。激光切割7第7页，共56页。激光测距仪8第8页，共56页。一、激光的形成与特性

1、激光的形成

原子在正常分布状态下，多处于稳定的低能级El状态。如果没有外界的作用，原于可以长期保持这个状态。若在外界光子的作用下，原子吸收光子的能量hγ后，由低能级El向高能级E2跃迁的过程，叫做原子的激发。原子处于激发的时间是非常短的，处于激发状态的原子能够很快地跃迁到低能级上去，同时辐射出光子。这种处于激发状态的原子自发地从高能级跃迁到低能级上去而发光，叫做原子的自发辐射。

粒子能级的正常分布激发与自发辐射过程9第9页，共56页。如果处于高能级的原子在外界作用影响下，发射光子而跃迁到低能级上去，这种发光叫做原子的受激辐射。10第10页，共56页。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，它们在相位、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他原子发生受激辐射，这些原子所发射的光子在相位、发射方向、振动方向和频率上也都和最初引起受激辐射的入射光子相同，如图a所示。这样，在一个入射光子影响下，会引起大量原子的受激辐射，它们所发射的光子在相位、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的光子在媒质中传播时，也可以被处于E1能级上的粒子所吸收；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。这个过程叫做光的吸收。

光的放大和吸收过程往往是同时进行的，总的结果可以是加强或减弱，这取决于这一对矛盾中哪一方处于支配地位。11第11页，共56页。激光是媒质的粒子(原子或分子)受激辐射产生的，但它必须具备下述的条件才能得到。

(1).粒子数反转为了形成受激辐射，必须设法使某一高能级的原子数多于低能级的原子数。原子数的这种分布称为粒子数反转。能形成粒子数反转分布的工作介质叫增益介质。12第12页，共56页。要想产生激光，单靠外界激发而得到的初级受激辐射是不行的。实际的激光器都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的曲面反射镜构成。最简单的光学共振腔是两面相互平行的平面反射镜，镜面对光有很高的反射率，而工作物质封装在有两个反射镜的封闭体中。

(2).激光器的光振荡放大13第13页，共56页。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的往返反射，而每次返回时都经过建立了粒子数反转分布的工作物质，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、几百次的往返，直至能获得单方向的强度非常集中的激光输出为止。我们把激光在共振腔内往返放大过程叫做振荡放大。光振荡器的工作过程14第14页，共56页。(3).激光输出激光光束在激光器的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的作用，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它对激光波长的反射率接近100%，而另一侧反射镜则稍低一些，比如98%以上。这样这一端的透镜将有激光穿透，这一端即为激光的输出端。对于输出端透镜的反射率要适当选择，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第15页，共56页。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的光学谐振腔。

(2)具有供给能量的激励源；(1)具有能形成粒子数反转状态的工作物质——增益介质。

16第16页，共56页。(1)高方向性高方向性就是高平行度，即光束的发散角小。激光束的发散角已达到几分甚至更小。所以通常称激光是平行光。(2)高亮度激光在单位面积上集中的能量很高。一台较高水平的红宝石脉冲激光器亮度达比太阳的发光亮度高出很多倍。把这种高亮度的激光束会聚后能产生几百万摄氏度的高温。在这种高温下，就是最难熔的金属，在一瞬间也会熔化。2、激光的特性:

17第17页，共56页。(3)高单色性单色光是指谱线宽度很窄的一段光波。用λ表示波长，△λ表示谱线宽度，△λ则越小，单色性越好。在普通光源中最好的单色光源是氪(Kr86)灯。它的而普通的氦氖激光器所产生的激光从上面数字可以看出：激光的谱线宽度比普通光源相比提高了几万倍，因此激光是最好的单色光源。(4)高相干性相干性就是指相干波在叠加区得到稳定的干涉条纹所表现的性质。普通光源是非相干光源，而激光是极好的相干光源。18第18页，共56页。激光器的种类很多。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是应用最广泛的气体激光器。二氧化碳(CO2)激光器是典型的分子气体激光器。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、激光器的种类:

（2）固体激光器固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃，最常用的是红宝石(掺铬)、钕玻璃(掺钕)、钇铝石榴石(掺钕)。

19第19页，共56页。红宝石激光器

20第20页，共56页。（3）液体激光器工作物质一类是有机染料溶液，一类是含有稀土离子的无机化合物溶液，其中金属离子起工作粒子作用。液体激光器的最大特点是发出的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的工作物质是某些性能合适的半导体材料，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，长度还不到lmm，将它装在一个晶体管模样的外壳内或在它的两面安装上电极，其重量不超过2g，因此使用起来十分方便。它可以做成小型激光通讯机，或做成装在飞机上的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第21页，共56页。二、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、尺寸测量2、激光衍射传感器：衍射物的尺寸激光传感器是以激光为光源的光电式传感器。按照工作原理可分为：22第22页，共56页。案例1.激光测速三、激光传感器的应用实例现选取s＝l00m。使车行走时先后切割相距l00m的两束激光，测得时间间隔，即可算出速度。23第23页，共56页。案例2.激光测距激光测距的原理是：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的时间而求出距离的。激光测距在军事上可用于地形测量，战场前沿测距，坦克及火炮的测距，测量云层、飞机、导弹及卫星的高度等。24第24页，共56页。25第25页，共56页。案例3.激光雷达

利用激光束搜索、跟踪和测量活动目标的装置叫激光雷达。激光雷达的工作原理和微波雷达相似，都是利用电磁波照射目标并接收回波的方法，发现、识别和指示目标的，只是工作波段不同。激光雷达在军事上的应用：武器鉴定试验、武器火控、跟踪识别、指挥导引、大气测量等。26第26页，共56页。案例4.激光制导应用激光作为跟踪目标和传输信息的手段，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，是精确制导武器的一种重要制导方式。27第27页，共56页。案例5.激光武器利用激光的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的武器称为激光武器。28第28页，共56页。美国激光飞机已进入试验阶段29第29页，共56页。举例：战略反导激光武器30第30页，共56页。中国反卫星激光武器已部署到西北内陆31第31页，共56页。案例6.激光通信激光通信是把光作为传递信息的载体，通过把信息（音频信号）调制到光波上，经介质（大气、光缆等）的传输，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的。按照激光传播途径的不同，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。大气激光通信是以大气为传输介质的激光通信。由于受大气吸收、散射等影响，且只能直线传播，故只适于近距离的定点或半定点通信。光纤通信是以光导纤维为传输介质的激光通信。主要用于远距离的战略、战术通信系统，中短距离的局部通信系统，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的信息传递和通信联络等。32第32页，共56页。获取三维空间中不透明物体表面形状的新型传感器，（nxSensor-I是美国nextWare公司最新推出的是世界上最为精确的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第33页，共56页。工作原理直径70毫米34第34页，共56页。应用无人值守系统的应用无轨电车的碰撞防护多区域的水平安全区防护水平安全区防护

35第35页，共56页。激光鼠标激光鼠标其实也是光电鼠标，只不过是用激光代替了普通的LED光．简介激光（镭射）鼠标就是我们平时用的光电鼠标吗？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哪些优点呢？1.用激光代替了普通的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第36页，共56页。原理激光鼠标传感器获得影像的过程是根据，激光照射在物体表面所产生的干涉条纹而形成的光斑点反射到传感器上获得的，而传统的光学鼠标是通过照射粗糙的表面所产生的阴影来获得。因此激光能对表面的图像产生更大的反差，从而使得传感器得到的图像更容易辨别，提高鼠标的定位精准性。鼠标的分类: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，就是鼠标底盖有一个滚球（最早的产品是底部有两个互相垂直的滚轮）。其工作原理就是。当你拖动鼠标时，带动滚球转动，滚球又带动辊柱转动，装在辊柱端部的机械传感器（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）产生的电脉冲信号反映出鼠标器在垂直和水平方向的位移变化，再通过电脑程序的处理和转换来控制屏幕上光标箭头的移动。这种鼠标最大的问37第37页，共56页。题就是机械部件较多，要达到高的精度需要较为精密的工艺，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，极易被环境的灰尘、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的性能，因此绝大多数的机械鼠标底部都有方便拆卸滚球的设计。也正因为此，很多人得出了机械鼠标定位不准的结论。第二代为光电鼠标，我们目前市场上看的许多鼠标都是光电鼠标。光学鼠标包含4个最重要核心部件：发光二极管（就是我们看到的发红色光的LED)、光学引擎(鼠标最贵的部件，也就是鼠标的IC型号，英文名sensor,其作用相当于人的眼睛)、透镜、控制芯片（又称MCU,是鼠标的大脑）。其工作原理就是LED发出的光线，照亮光电鼠标底部然后将光电鼠标底部表面反射回的一部分光线，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的连贯图像,鼠标mcu对移动轨迹上摄取的一系列38第38页，共56页。图像进行分析处理，通过对这些图像上特征点位置的变化进行分析，来判断鼠标的移动方向和移动距离，从而完成光标的定位.光电鼠标与机械鼠标相比最大的优点就是较低的成本就可以实现比较准确的定位，并且无需疲于清理滚球和滚柱上的污渍。但是在移动速度上没有机械鼠标好，最大的问题在于受到使用界面的限制而影响鼠标的性能，通常我们都要垫一个专门的鼠标垫。第三代为激光鼠标，又称镭射鼠标。也可以说是一种特殊的光电鼠标，其核心部件同样是4部分。最大的不同就是把原来的红光LED换成激光镭射.大家知道激光与普通光最大的不同就在于激光发光的集中性，他发出的一束光而不是像普通光学LED那样发出的光向四周散射出去。由于激光的集中性，相应发出的光当然远远比普通光强烈，在碰到界面时发出的一束光会完全的折射回来反映到鼠标的sensor上。也正是激光很强（大家不要担心，这个强只是一个相对的概念，绝对不会强到伤害人的地步），当然需要专业的更高档的sensor和专业的透镜来和他搭配使用，这样一只激光鼠标的优点才得以体现。39第39页，共56页。识别真假激光鼠标

用在鼠标上的激光的波长为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，有红光的就是光电鼠标，没有红光不发光的就是激光鼠标，这是错的，发红光的当然光电鼠标，不发光的有一种是真激光鼠标，还有一种是假激光鼠标，假激光鼠标的LED用的是一个普通的红外线LED,搭配普通的光学sensor做成，虽然普通的红外线LED和鼠标用的激光的波长一样，肉眼都看不到，但是激光是一束强光，普通的红外线LED和我们一般光电鼠标的工作原理完全一样。也正是假激光这个原因，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的就是激光鼠标，假激光鼠标是绝对不能动的，因为假激光发出的光透过玻璃早就散开了，没有办法反射回鼠标的sensor.二问鼠标IC(sensor）的型号，目前专门搭配用来做激光的sensor型号有：安捷伦（Avago）A6010。原相（PAN)36013602和ST(意法半导体)53635366.40第40页，共56页。41第41页，共56页。8.3.2红外传感器一、红外线及其特性

1、红外线在电磁波谱中的位置图8-3-1也称红外光或红外辐射，是位于可见光中红光以外的光线，故称为红外线。它是一种人眼看不见的电磁波，它的波长范围大致在0.75µm～1000µm。2、红外线的特性③红外光在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用而被衰减。①具有可见光的一切特性，②具有光热效应，能辐射热量。42第42页，共56页。图8-3-1电磁波谱

43第43页，共56页。二、红外探测器的类型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

热敏探测器的响应速度较低，响应时间较长，但具有宽广的、比较平坦的光谱响应。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的电荷，这种由于热变化而产生的电极化现象称为热释电效应。能产生热释电效应的晶体称为热释电体。

44第44页，共56页。2、热释电红外探测器的特点

热释电晶体受热时，在垂直于其自发极化强度Ps的两电极表面将产生数量相等符号相反的电荷，两电极间就出现一个与温度变化速率dT/dt成正比的电压：所以热释电红外探测器的响应速度比其它热探测器快得多；它既可工作于低频，也可工作于高频。式中：A－电极面积；α－比例常数45第45页，共56页。图8-3-2红外探测器的两种典型光谱响应曲线46第46页，共56页。8.4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、超声波的定义

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、超声波与声波的异同相同点：

①传播速度都取决于介质的密度和介质的弹性常数；②在两介质的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的一般声波，并具有很高的穿透能力。47第47页，共56页。图8-4-1声波的频率界限48第48页，共56页。二、超声波传感器产生超声波和接收超声波的装置，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。正压电效应将接收的超声振动转换成电信号。49第49页，共56页。图8-4-2几种典型超声波探头结构

50第50页，共56页。是利用超声波测量流速时采用的方法。三、超声检测方法1、透射法用两个探头，置于被测对象的相对两侧，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