O princípio e a aplicação do sensor a laser

Os sensores a laser são sensores que usam a tecnologia laser para medir. Consiste em um laser, um detector de laser e um circuito de medição. O sensor a laser é um novo tipo de instrumento de medição. Suas vantagens são que ele pode realizar medição de longa distância sem contato, velocidade rápida, alta precisão, grande alcance, forte anti-luz e capacidade de interferência elétrica, etc.
Luz e Lasers Os lasers foram uma das conquistas científicas e tecnológicas mais significativas surgidas na década de 1960. Desenvolveu-se rapidamente e tem sido amplamente utilizado em vários aspectos, como defesa nacional, produção, medicina e medição não elétrica. Ao contrário da luz comum, um laser precisa ser gerado por um laser. Para a substância de trabalho do laser, em condições normais, a maioria dos átomos está em um nível estável de baixa energia E1. Sob a ação da luz externa de frequência apropriada, os átomos no nível de baixa energia absorvem a energia do fóton e são excitados para a transição para o nível de alta energia E2. A energia do fóton E=E2-E1=hv, onde h é a constante de Planck e v é a frequência do fóton. Por outro lado, sob a indução de luz com frequência v, os átomos no nível de energia E2 farão a transição para um nível de energia mais baixo para liberar energia e emitir luz, o que é chamado de radiação estimulada. O laser primeiro faz os átomos da substância de trabalho anormalmente em um alto nível de energia (ou seja, a distribuição de inversão da população), o que pode tornar o processo de radiação estimulado dominante, de modo que a luz induzida de frequência v é aprimorada e pode passar espelhos paralelos A amplificação do tipo avalanche é formada para gerar uma poderosa radiação estimulada, que é chamada de laser.

Os lasers têm 3 propriedades importantes:
1. Alta diretividade (ou seja, alta diretividade, pequeno ângulo de divergência da velocidade da luz), a faixa de expansão do feixe de laser é de apenas alguns centímetros de distância de alguns quilômetros;
2. Alta monocromaticidade, a largura de frequência do laser é mais de 10 vezes menor que a da luz comum;
3. Alto brilho, a temperatura máxima de vários milhões de graus pode ser gerada pelo uso da convergência do feixe de laser.

Os lasers podem ser divididos em 4 tipos de acordo com a substância de trabalho:
1. Laser de estado sólido: Sua substância de trabalho é sólida. Comumente usados ​​são os lasers de rubi, lasers de granada de alumínio e ítrio dopados com neodímio (ou seja, lasers YAG) e lasers de vidro de neodímio. Eles têm aproximadamente a mesma estrutura e são caracterizados por serem pequenos, robustos e de alta potência. Os lasers de vidro de neodímio são atualmente os dispositivos com maior potência de saída de pulso, chegando a dezenas de megawatts.
2. Laser a gás: sua substância de trabalho é o gás. Agora, existem vários lasers de átomos de gás, íons, vapores metálicos e moléculas de gás. Comumente usados ​​são lasers de dióxido de carbono, lasers de néon de hélio e lasers de monóxido de carbono, que têm a forma de tubos de descarga comuns e são caracterizados por saída estável, boa monocromaticidade e longa vida, mas com baixa potência e baixa eficiência de conversão.
3. Laser líquido: Pode ser dividido em laser quelato, laser líquido inorgânico e laser de corante orgânico, sendo o mais importante o laser de corante orgânico, sua maior característica é que o comprimento de onda é continuamente ajustável.
4. Laser semicondutor: É um laser relativamente jovem, e o mais maduro é o laser GaAs. É caracterizado por alta eficiência, tamanho pequeno, peso leve e estrutura simples, sendo adequado para transporte em aviões, navios de guerra, tanques e infantaria. Pode ser feito em telêmetros e miras. No entanto, a potência de saída é pequena, a direcionalidade é ruim e é muito afetada pela temperatura ambiente.

Aplicações de sensores a laser
Usando as características de alta diretividade, alta monocromaticidade e alto brilho do laser, é possível realizar medições de longa distância sem contato. Os sensores a laser são frequentemente usados ​​para a medição de grandezas físicas, como comprimento, distância, vibração, velocidade e orientação, bem como para detecção de falhas e monitoramento de poluentes atmosféricos.
Medição do comprimento do laser:
A medição precisa do comprimento é uma das principais tecnologias na indústria de fabricação de máquinas de precisão e na indústria de processamento óptico. A medição de comprimento moderna é realizada principalmente usando o fenômeno de interferência de ondas de luz, e sua precisão depende principalmente da monocromaticidade da luz. O laser é a fonte de luz mais ideal, 100.000 vezes mais pura do que a melhor fonte de luz monocromática (lâmpada de criptônio-86) do passado. Portanto, a faixa de medição do comprimento do laser é grande e a precisão é alta. De acordo com o princípio óptico, a relação entre o comprimento máximo mensurável L da luz monocromática, o comprimento de onda X e a largura da linha espectral ô é L=Î/ô. O comprimento máximo que pode ser medido com uma lâmpada de criptônio-86 é de 38,5 cm. Para objetos mais longos, ele precisa ser medido em seções, o que reduz a precisão. Se um laser de gás hélio-neônio for usado, ele pode medir até dezenas de quilômetros. Geralmente mede o comprimento em poucos metros e sua precisão pode chegar a 0,1 mícron.
Alcance do Laser:
Seu princípio é o mesmo do radar de rádio. Depois que o laser é apontado para o alvo e lançado, seu tempo de ida e volta é medido e multiplicado pela velocidade da luz para obter a distância de ida e volta. Como o laser tem as vantagens de alta diretividade, alta monocromaticidade e alta potência, elas são muito importantes para medir longas distâncias, determinar a orientação do alvo, melhorar a relação sinal-ruído do sistema receptor e garantir a precisão da medição . receberam cada vez mais atenção. O lidar desenvolvido com base no telêmetro a laser pode não apenas medir a distância, mas também medir o azimute, velocidade e aceleração do alvo. Radar, variando de 500 a 2.000 quilômetros, o erro é de apenas alguns metros. Atualmente, lasers de rubi, lasers de vidro de neodímio, lasers de dióxido de carbono e lasers de arsenieto de gálio são frequentemente usados ​​como fontes de luz para telêmetros a laser.

Medição de vibração a laser:
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Medição da velocidade do laser:
É também um método de medição de velocidade a laser baseado no princípio Doppler. O medidor de vazão Doppler a laser (consulte medidor de vazão a laser) é mais usado, o que pode medir a velocidade do fluxo de ar do túnel de vento, velocidade do fluxo de combustível do foguete, velocidade do fluxo de ar do jato da aeronave, velocidade do vento atmosférico e tamanho da partícula e velocidade de convergência em reações químicas, etc.