激光测距传感器 激光为什么可以测距？它有怎样的特点？科普激光传感器
激光为什么可以测距？它有怎样的特点？科普激光传感器
科技中的激光测距、测速、测长等，这些仪器中都少不了激光传感器的存在，那激光传感器又是什么呢?
激光技术和激光器是二十世纪六十年代出现的最重大的科学技术。激光技术与应用的迅猛发展，和多个学科相结合，形成新兴的交叉学科。
如光电子学、信息光学、激光光谱学、非线性光学、超快激光学、量子光学、光纤光学、导波光学、激光医学、激光生物学、激光化学等。
激光传感器由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展，使得激光器的应用范围扩展到几乎国民经济的所有领域。本文主要介绍激光传感器的原理。
激光传感器原理——原理
激光传感器工作时，先由激光发射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，并将其转化为相应的电信号。
常见的是激光测距传感器，它通过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，还有一种是激光位移传感器。
激光传感器原理——激光的特点
激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1，在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h 为普朗克常数，v 为光子频率。反之，在频率为v 的光的诱发下，处于能级E2 的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。
激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级(即粒子数反转分布),就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v 的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生大的受激辐射光，简称激光。激光具有3 个重要特性。[1]
Ⅰ ：高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。
Ⅱ：高单色性，激光的频率宽度比普通光小10 倍以上。
Ⅲ：高方向性(即高定向性，光速发散角小)，激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米。
激光传感器原理——激光测长
现代精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。
长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源(氪-86灯)还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。由光学原理可知单色光的最大可测长度L与波长λ和谱线宽度δ之间的关系是L=λ/δ。用氪-86灯可测最大长度为38.5厘米，对于较长物体就需分段测量而使精度降低。若用氦氖气体激光器，则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度，其精度可达0.1微米。
激光传感器原理——激光测振
它基于多普勒原理测量物体的振动速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动，那么观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率而且还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。在振动方向与方向一致时多普频移
fd=v/λ
式中;v 为振动速度,λ为波长。
在激光多普勒振动速度测量仪中，由于光往返的原因,fd =2v/λ。这种测振仪在测量时由光学部分将物体的振动转换为相应的多普勒频移,并由光检测器将此频移转换为电信号,再由电路部分作适当处理后送往多普勒信号处理器将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号，最后记录于磁带。
这种测振仪采用波长为6328埃(┱)的氦氖激光器，用声光调制器进行光频调制，用石英晶体振荡器加功率放大电路作为声光调制器的驱动源，用光电倍增管进行光电检测，用频率跟踪器来处理多普勒信号。它的优点是使用方便，不需要固定参考系,不影响物体本身的振动,测量频率范围宽、精度高、动态范围大。缺点是测量过程受其他杂散光的影响较大。
激光传感器原理——激光测距
原理与无线电雷达相同，将激光对准目标发射出去后，测量它的往返时间，再乘以光速即得到往返距离。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的。
因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等，已成功地用于人造卫星的测距和跟踪，例如采用红宝石激光器的激光雷达，测距范围为500～2000公里,误差仅几米。不久前，真尚有的研发中心研制出的LDM系列测距传感器，可以在数千米测量范围内的精度可以达到微米级别。常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。
总结：激光传感器其原理是将光学系统接受到的图像映射到雪崩光电二极管上，由雪崩光电二极管将微弱的光信号变换为相应的电信号，从而进行检测激光。
探索传感器科技前沿 ——激光测距传感器
激光测距传感器是一种利用激光技术测量目标物体与传感器之间距离的精密仪器。其工作原理基于飞行时间（Time of Flight, ToF）方法，通过测量激光脉冲从发射到反射回来的时间差来计算距离。随着科技的进步，激光测距传感器在多个领域得到了广泛应用，并展现出显著的技术优势和发展潜力。
激光测距传感器的工作原理
激光测距传感器的工作原理主要依赖于激光脉冲的发射与接收。传感器内部的激光器负责发射高能量密度的激光脉冲，这些脉冲经过空气或其他介质传播至目标物体后发生反射。反射回来的激光信号被传感器内部的接收器捕获，并传输至信号处理电路进行处理。通过计算激光脉冲往返所需的时间，结合光速，即可精确计算出目标物体的距离。
关键组件
激光器：产生高能量密度的激光脉冲。
接收器：接收反射回来的激光信号，通常采用高灵敏度的光电二极管，如雪崩光电二极管，以检测微弱的光信号。
信号处理电路：对接收到的信号进行处理和计算，得出目标物体的距离。
显示屏：显示测距结果，供用户查看。
激光测距传感器的分类
根据测量原理和应用场景的不同，激光测距传感器可分为多种类型，主要包括：
脉冲式激光测距传感器：通过测量激光脉冲往返时间来计算距离，适用于长距离和高精度的测量。
相位式激光测距传感器：通过测量激光往返期间相位的变化来计算距离，适用于中短距离测量，具有较高的精度。
干涉式激光测距传感器：利用多束激光干涉现象，通过测量干涉条纹的变化来确定距离，适用于高精度测量。
此外，根据激光器的类型，激光测距传感器还可分为固体激光器、气体激光器、液体激光器和半导体激光器等。
激光测距传感器的应用
激光测距传感器因其高精度、快速响应和非接触式测量等特点，在多个领域得到了广泛应用：
无人驾驶：在无人驾驶汽车中，激光测距传感器用于实时测量周围环境的距离和障碍物的位置，确保安全驾驶和导航。
环境监测：用于测量大气污染物的扩散范围、水体深度和地形地貌等重要数据。
工业制造：在制造业中，激光测距传感器可用于测量零件的尺寸、位置和形状，确保产品符合质量标准。
机器人技术：用于检测机器人与障碍物之间的距离，避免碰撞。
测绘和建筑：用于测量建筑物、桥梁和其他结构的尺寸和形状。
军事应用：在炮兵射击和军事侦察中，激光测距传感器能够快速测定敌方目标距离和方向，提高射击精度和快速响应能力。
激光测距传感器技术趋势
随着科技的不断发展，激光测距传感器技术呈现出以下发展趋势：
更高精度和更远距离：随着光学技术和激光制造技术的不断进步，激光测距传感器的精度和测量距离将得到显著提升。
智能化和自动化：随着人工智能和机器学习技术的发展，激光测距传感器将具备更强的数据处理能力和自动测量功能，减少人工干预，提高测量效率和准确性。
多传感器融合：激光测距传感器将与其他传感器如摄像头、毫米波雷达等进行融合，提供更丰富的测量数据和更全面的信息。
无线化和网络化：无线激光测距传感器将实现更便捷的测量数据传输，同时通过网络化实现远程控制和数据共享。
模块化设计：为了便于生产和维护，激光测距传感器将采用模块化设计，降低生产成本，提高产品的可维护性和可扩展性。
激光测距传感器作为一种高精度、快速响应和非接触式的测量工具，在多个领域发挥着重要作用。随着技术的不断进步和应用领域的不断拓展，激光测距传感器将朝着更高精度、更远距离、智能化和自动化的方向发展，为各行各业提供更加精准和高效的测量解决方案。
（来源： 传感器专家网）
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