雷射測距感測器原理與應用介紹

2021-10-19 07:35:25 字數 2747 閱讀 2866

雷射,英文名稱為light amplification by stimulated emission of radiation

(簡稱laser),意思為原子受激輻射的光,故稱雷射,雷射的產生原理,是原子中的電子吸收能量後從低能級躍遷到高能級,再從高能級回落到低能級的時候,所釋放的能量以光子的形式放出,被引誘(激發)出來的光子束(雷射)。

雷射與普通光源相比,具有單色性、高亮度、方向性等優勢,被廣泛應用於工業生產和科研實驗等各個領域,雷射測距便是其中應用較為廣泛的一項技術。

1.雷射測距技術的特點

雷射測距技術是一項非接觸式的工業測量技術,與傳統的接觸式測距技術相比具有以下的特點:

(1).雷射測距時,無需與測量表面進行接觸,物體的表面不會產生形變

(2).雷射測距時被測物體表面不會發生磨損,降低了額外的損失

(3).在很多特殊的環境下,沒有條件用常規測量工具接觸測量,只能使用雷射測距技術

2.雷射測距技術的原理

雷射測距目前主要的測量方法有:雷射脈衝測距、雷射相位測距、雷射三角法測距等,不同的測量方法對應不同常用的測量範圍和精度,雷射脈衝測距主要應用於遠距離測距,測量距離在km級以上,精度較低,一般是公尺級精度;雷射相位測距適用於中長距測量,常用測量範圍包括50公尺、150公尺、300公尺、以及500公尺不等,精度較高,一般是公釐級精度;雷射三角法測距則一般用於短距離(常見測量範圍在2公尺以內),高精度的測距任務,一般精度能達到微公尺級,但測量距離較為限制。

(1)雷射脈衝測距法

雷射脈衝測距法工作時,先由雷射發射二極體對準目標發射雷射脈衝。經目標反射後雷射向各方向散射。部分散射光返回到感測器接收器,被光學系統接收後成像到雪崩光電二極體上。雪崩光電二極體是一種內部具有放大功能的光學感測器,因此它能檢測極其微弱的光訊號,並將其轉化為相應的電訊號。通過測量光脈衝往返待測點的時間,乘以光速並除以2,計算出被測目標的距離,計算公式如下:

d=ct/2

d:測量點a、b間的距離,c:光速,t:光脈衝往返ab兩點間1次所需時間,

(2)雷射相位測距

雷射相位測距的原理,是將一低頻調製訊號對發射光波的光強進行調製, 利用測定「調製光波」往返於被測距離的相位差, 間接求得待測距離d。 其距離的一般計算公式為:

其中,փ:調製光在距離為 2d 上的相位差, c : 調製光的傳播速度,t : 調製光在待測距離往返一次所需要的時間,  f :調製光的頻率。

在圖 1 中, a 表示調製光波的發射點, b 表示安置反射器的地點, a′表示所發出的調製光波經反射器反射後的接收地點。aa′兩點間的距離即是待測距離d的2倍。 故: փ =n1 2π+δփ1 , 由於n1並不是乙個定值, 所以這可能引起多值解。 為解決這一問題, 我們常採用多個頻率的調製訊號來測定同一距離。該頻率在相位測距中也稱為測尺頻率,測尺頻率的波長稱為測尺長度,當被測距離小於測尺長度時, 則不存在多值解,由於測尺長度越大,測量精度就越低,所以出於精度的考慮,我們需要將測尺長度控制在合適的範圍內。

圖1 雷射相位測距的原理圖

(3)雷射三角法測距

使一束雷射以特定角度照射到待測物體的參考位置上,然後雷射在待測物體上會發生散射、漫反射,將光敏感測器件放置在另一特定位置接收經透鏡匯聚後的散射光、漫反射光。待測物體發生位移後,再使一束雷射以特定角度照射到待測物體的待測位置上,將光敏感測器期間放置在同一特定位置接收此時的散射光、漫反射光,因為待測物體位移前後雷射散射漫反射後的光路不同,光敏感測器件上光斑中心位置也不同,將前後兩次光斑中心位置代入幾何三角關係中,從而計算出物體的位移距離。

3.相位式雷射測距感測器的應用:

相位式雷射測距感測器的應用非常廣泛,其測量距離從幾十公尺到幾百公尺不等,精度一般在公釐級,與工業中大多數的應用需求相符合,相位式雷射測距感測器的用途包括尺寸測量、位置測量、液位測量、形變監測、海嘯/泥石流等自然災害監測、定位等,根據不同的應用領域和工況,其作用也不同:

(1)金屬工業

例如金屬切割應用中,我們常常需要切割指定規格指定長度的金屬,通過將雷射測距裝置安裝在切割裝置上,對切割長度進行監測,準確進行切割。此外還包括鋼鐵的鍛造和灌裝等,由於金屬鍛造時溫度很高,雷射測距感測器可以無接觸的對金屬的鍛造工藝過程進行監測和控制,提高了工藝生產的效率。

(2)橋梁建築

通過雷射測距感測器對橋梁的上下橋面進行監測,監測桁架傾斜和變形;此外如歷史建築,包括教堂建築等,對其進行保護不僅符合業主的利益,而且也是對業主的尊重。通過我們的雷射測距感測器,我們可以監測這些建築物的微小「移動」,以並對它們進行細緻的監測和保護。

(3)軌道鐵路

鐵路的軌道監測包括鐵路基礎設施的監測,鐵路隧道形變監測,山區鐵路岩層的泥石流監測等

(4)倉儲物流

例如常見雷射測距感測器用於料倉的料位,物流卡車的位置監測與定位等

[1]宋宇健. 基於ccd雷射三角法測距系統的設計與實現[d].西安工業大學,2018.

[2]雷射感測器工作原理:

[3]王秀芳,王江,楊向東,王磊,吳志海.相位雷射測距技術研究概述[j].雷射雜誌,2006(02):4-5.

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