Le principe et l'application du capteur laser

Les capteurs laser sont des capteurs qui utilisent la technologie laser pour mesurer. Il se compose d'un laser, d'un détecteur laser et d'un circuit de mesure. Le capteur laser est un nouveau type d'instrument de mesure. Ses avantages sont qu'il peut réaliser une mesure longue distance sans contact, une vitesse rapide, une haute précision, une large gamme, une forte capacité d'interférence anti-lumière et électrique, etc.
Lumière et lasers Les lasers ont été l'une des réalisations scientifiques et technologiques les plus importantes à émerger dans les années 1960. Il s'est développé rapidement et a été largement utilisé dans divers aspects tels que la défense nationale, la production, la médecine et la mesure non électrique. Contrairement à la lumière ordinaire, un laser doit être généré par un laser. Pour la substance de travail du laser, dans des conditions normales, la plupart des atomes se trouvent dans un niveau d'énergie bas stable E1. Sous l'action d'une lumière extérieure de fréquence appropriée, les atomes du niveau d'énergie bas absorbent l'énergie des photons et sont excités pour passer au niveau d'énergie haut E2. L'énergie des photons E=E2-E1=hv, où h est la constante de Planck et v est la fréquence des photons. Inversement, sous l'induction de lumière de fréquence v, les atomes au niveau d'énergie E2 passeront à un niveau d'énergie inférieur pour libérer de l'énergie et émettre de la lumière, appelée rayonnement stimulé. Le laser crée d'abord les atomes de la substance de travail anormalement à un niveau d'énergie élevé (c'est-à-dire la distribution d'inversion de population), ce qui peut rendre le processus de rayonnement stimulé dominant, de sorte que la lumière induite de fréquence v est améliorée et peut passer à travers miroirs parallèles L'amplification de type avalanche est formée pour générer un puissant rayonnement stimulé, appelé laser.

Les lasers ont 3 propriétés importantes :
1. Haute directivité (c'est-à-dire haute directivité, petit angle de divergence de la vitesse de la lumière), la plage d'expansion du faisceau laser n'est que de quelques centimètres à quelques kilomètres;
2. Haute monochromaticité, la largeur de fréquence du laser est plus de 10 fois plus petite que celle de la lumière ordinaire;
3. Haute luminosité, la température maximale de plusieurs millions de degrés peut être générée par l'utilisation de la convergence du faisceau laser.

Les lasers peuvent être divisés en 4 types selon la substance de travail :
1. Laser à semi-conducteurs : Sa substance de travail est solide. Les lasers à rubis, les lasers à grenat d'yttrium et d'aluminium dopés au néodyme (c'est-à-dire les lasers YAG) et les lasers à verre au néodyme sont couramment utilisés. Ils ont à peu près la même structure et se caractérisent par leur petite taille, leur robustesse et leur grande puissance. Les lasers à verre au néodyme sont actuellement les appareils avec la puissance de sortie d'impulsion la plus élevée, atteignant des dizaines de mégawatts.
2. Laser à gaz : sa substance de travail est le gaz. Il existe maintenant divers lasers à atomes de gaz, à ions, à vapeur de métal et à molécules de gaz. Les lasers à dioxyde de carbone, les lasers à néon à hélium et les lasers à monoxyde de carbone, qui ont la forme de tubes à décharge ordinaires, sont couramment utilisés et se caractérisent par une sortie stable, une bonne monochromaticité et une longue durée de vie, mais avec une faible puissance et une faible efficacité de conversion.
3. Laser liquide : Il peut être divisé en laser chélate, laser liquide inorganique et laser à colorant organique, dont le plus important est le laser à colorant organique, sa plus grande caractéristique est que la longueur d'onde est réglable en continu.
4. Laser à semi-conducteur : C'est un laser relativement jeune, et le plus mature est le laser GaAs. Il se caractérise par une grande efficacité, une petite taille, un poids léger et une structure simple, et convient au transport d'avions, de navires de guerre, de chars et d'infanterie. Peut être transformé en télémètres et viseurs. Cependant, la puissance de sortie est faible, la directivité est faible et elle est fortement affectée par la température ambiante.

Applications des capteurs laser
L'utilisation des caractéristiques de directivité élevée, de monochromaticité élevée et de luminosité élevée du laser peut réaliser une mesure longue distance sans contact. Les capteurs laser sont souvent utilisés pour la mesure de grandeurs physiques telles que la longueur, la distance, les vibrations, la vitesse et l'orientation, ainsi que pour la détection des défauts et la surveillance des polluants atmosphériques.
Mesure de longueur laser :
La mesure précise de la longueur est l'une des technologies clés de l'industrie de la fabrication de machines de précision et de l'industrie du traitement optique. La mesure de longueur moderne est principalement effectuée en utilisant le phénomène d'interférence des ondes lumineuses, et sa précision dépend principalement de la monochromaticité de la lumière. Le laser est la source de lumière la plus idéale, qui est 100 000 fois plus pure que la meilleure source de lumière monochromatique (lampe au krypton-86) dans le passé. Par conséquent, la plage de mesure de la longueur du laser est grande et la précision est élevée. Selon le principe optique, la relation entre la longueur maximale mesurable L de la lumière monochromatique, la longueur d'onde λ et la largeur de raie spectrale Δ est L=Δ/Δ. La longueur maximale pouvant être mesurée avec une lampe au krypton 86 est de 38,5 cm. Pour les objets plus longs, il doit être mesuré en sections, ce qui réduit la précision. Si un laser à gaz hélium-néon est utilisé, il peut mesurer jusqu'à des dizaines de kilomètres. Mesurez généralement la longueur à quelques mètres près et sa précision peut atteindre 0,1 micron.
Télémétrie laser :
Son principe est le même que celui du radar radio. Une fois que le laser est dirigé vers la cible et lancé, son temps aller-retour est mesuré, puis multiplié par la vitesse de la lumière pour obtenir la distance aller-retour. Étant donné que le laser présente les avantages d'une directivité élevée, d'une monochromaticité élevée et d'une puissance élevée, ceux-ci sont très importants pour mesurer de longues distances, déterminer l'orientation de la cible, améliorer le rapport signal sur bruit du système de réception et assurer la précision de la mesure. . de plus en plus retenu l'attention. Le lidar développé sur la base du télémètre laser peut non seulement mesurer la distance, mais aussi mesurer l'azimut, la vitesse et l'accélération de la cible. Radar, allant de 500 à 2000 kilomètres, l'erreur n'est que de quelques mètres. À l'heure actuelle, les lasers à rubis, les lasers à verre au néodyme, les lasers à dioxyde de carbone et les lasers à l'arséniure de gallium sont souvent utilisés comme sources lumineuses pour les télémètres laser.

Mesure vibratoire laser :
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Mesure de vitesse laser :
C'est aussi une méthode de mesure de vitesse laser basée sur le principe Doppler. Le débitmètre laser Doppler (voir débitmètre laser) est plus utilisé, qui peut mesurer la vitesse d'écoulement d'air en soufflerie, la vitesse d'écoulement de carburant de fusée, la vitesse d'écoulement d'air de jet d'avion, la vitesse du vent atmosphérique et la taille des particules et la vitesse de convergence dans les réactions chimiques, etc.