Laseranturin periaate ja sovellus

Laseranturit ovat antureita, jotka käyttävät lasertekniikkaa mittaamiseen. Se koostuu laserista, laserilmaisimesta ja mittauspiiristä. Laseranturi on uudenlainen mittauslaite. Sen etuja ovat, että se voi toteuttaa kosketuksettoman pitkän matkan mittauksen, nopean nopeuden, suuren tarkkuuden, suuren kantaman, vahvan valonesto- ja sähköhäiriökyvyn jne.
Valo ja laserit Laserit olivat yksi merkittävimmistä tieteellisistä ja teknologisista saavutuksista 1960-luvulla. Se on kehittynyt nopeasti ja sitä on käytetty laajasti eri aloilla, kuten maanpuolustuksessa, tuotannossa, lääketieteessä ja ei-sähköisessä mittauksessa. Toisin kuin tavallinen valo, laser on tuotettava laserilla. Laserin työaineena suurin osa atomeista on normaaleissa olosuhteissa vakaalla matalalla energiatasolla E1. Sopivan taajuuden ulkoisen valon vaikutuksesta matalan energiatason atomit absorboivat fotonienergiaa ja innostuvat siirtymään korkealle energiatasolle E2. Fotonienergia E=E2-E1=hv, missä h on Planckin vakio ja v on fotonitaajuus. Sitä vastoin valon induktion alaisena taajuudella v energiatason E2 atomit siirtyvät alemmalle energiatasolle vapauttamaan energiaa ja lähettämään valoa, jota kutsutaan stimuloiduksi säteilyksi. Laser tekee ensin työaineen atomit epänormaalisti korkealla energiatasolla (eli populaation inversiojakaumassa), mikä voi tehdä stimuloidusta säteilyprosessista hallitsevaksi, jolloin indusoitunut valo taajuudella v paranee ja voi läpäistä rinnakkaiset peilit Lumivyöryn tyyppinen vahvistus on muodostettu tuottamaan voimakasta stimuloitua säteilyä, jota kutsutaan laseriksi.

Laserilla on kolme tärkeää ominaisuutta:
1. Korkea suuntaavuus (eli korkea suuntaavuus, valonnopeuden pieni hajautuskulma), lasersäteen laajennusalue on vain muutaman senttimetrin päässä muutamasta kilometristä;
2. Korkea monokromaattisuus, laserin taajuusleveys on yli 10 kertaa pienempi kuin tavallisen valon;
3. Suuri kirkkaus, useiden miljoonien asteiden maksimilämpötila voidaan tuottaa lasersäteen konvergenssilla.

Laserit voidaan jakaa neljään tyyppiin työaineen mukaan:
1. Puolijohdelaser: Sen käyttöaine on kiinteää. Yleisesti käytettyjä ovat rubiinilaserit, neodyymiseostetut yttrium-alumiinigranaattilaserit (eli YAG-laserit) ja neodyymilasilaserit. Niillä on suunnilleen sama rakenne, ja niille on tunnusomaista, että ne ovat pieniä, kestäviä ja tehokkaita. Neodyymilasilaserit ovat tällä hetkellä laitteita, joilla on suurin pulssilähtöteho, jopa kymmeniä megawatteja.
2. Kaasusaser: sen käyttöaine on kaasu. Nyt on olemassa erilaisia ​​kaasuatomi-, ioni-, metallihöyry- ja kaasumolekyylilasereita. Yleisesti käytettyjä ovat hiilidioksidilaserit, heliumneonlaserit ja hiilimonoksidilaserit, jotka ovat tavallisten purkausputkien muotoisia ja joille on ominaista vakaa teho, hyvä monokromaattisuus ja pitkä käyttöikä, mutta alhaisella teholla ja alhaisella muunnostehokkuudella.
3. Nestemäinen laser: Se voidaan jakaa kelaattilaseriin, epäorgaaniseen nestemäiseen laseriin ja orgaaniseen väriainelaseriin, joista tärkein on orgaaninen väriainelaser, jonka suurin ominaisuus on, että aallonpituus on jatkuvasti säädettävissä.
4. Puolijohdelaser: Se on suhteellisen nuori laser, ja kypsempi on GaAs-laser. Sille on ominaista korkea hyötysuhde, pieni koko, kevyt paino ja yksinkertainen rakenne, ja se soveltuu lentokoneen, sotalaivojen, tankkien ja jalkaväen kuljettamiseen. Voidaan tehdä etäisyysmittareiksi ja tähtäimiksi. Lähtöteho on kuitenkin pieni, suuntaus huono ja siihen vaikuttaa suuresti ympäristön lämpötila.

Laser-anturisovellukset
Käyttämällä laserin korkean suuntaavuuden, korkean monokromaattisuuden ja korkean kirkkauden ominaisuuksia voidaan toteuttaa kosketukseton pitkän matkan mittaus. Laserantureita käytetään usein fyysisten suureiden, kuten pituuden, etäisyyden, tärinän, nopeuden ja suunnan mittaamiseen, sekä ilmakehän epäpuhtauksien havaitsemiseen ja valvontaan.
Laserpituuden mittaus:
Tarkka pituuden mittaus on yksi avainteknologioista tarkkuuskoneita valmistavassa teollisuudessa ja optisessa jalostusteollisuudessa. Nykyaikainen pituusmittaus tehdään pääosin valoaaltojen interferenssiilmiön avulla ja sen tarkkuus riippuu pääasiassa valon monokromaattisuudesta. Laser on ihanteellisin valonlähde, joka on 100 000 kertaa puhtaampi kuin paras yksivärinen valonlähde (krypton-86 lamppu). Siksi laserpituuden mittausalue on suuri ja tarkkuus on korkea. Optisen periaatteen mukaan monokromaattisen valon suurimman mitattavissa olevan pituuden L, aallonpituuden λ ja spektriviivan leveyden δ välinen suhde on L=λ/δ. Maksimipituus, joka voidaan mitata krypton-86-lampulla, on 38,5 cm. Pidemmillä esineillä se on mitattava osissa, mikä heikentää tarkkuutta. Jos käytetään helium-neonkaasulaseria, se voi mitata jopa kymmeniä kilometrejä. Mittaa pituus yleensä muutaman metrin sisällä, ja sen tarkkuus voi olla 0,1 mikronia.
Laseretäisyys:
Sen toimintaperiaate on sama kuin radiotutkan. Kun laser on suunnattu kohteeseen ja laukaisu, sen edestakaisen matka-aika mitataan ja kerrotaan sitten valon nopeudella, jotta saadaan edestakainen matka. Koska laserin edut ovat korkea suuntaavuus, korkea monokromaattisuus ja suuri teho, ne ovat erittäin tärkeitä pitkien etäisyyksien mittaamisessa, kohteen suunnan määrittämisessä, vastaanottavan järjestelmän signaali-kohinasuhteen parantamisessa ja mittaustarkkuuden varmistamisessa. . sai yhä enemmän huomiota. Laseretäisyysmittarin pohjalta kehitetty lidar ei voi vain mitata etäisyyttä, vaan myös mitata kohteen atsimuuttia, nopeutta ja kiihtyvyyttä. Tutka, joka vaihtelee 500-2000 kilometriä, virhe on vain muutama metri. Tällä hetkellä rubiinilasereita, neodyymilasilasereita, hiilidioksidilasereita ja galliumarsenidilasereita käytetään usein laseretäisyysmittareiden valonlähteinä.

Laservärähtelymittaus:
x
Lasernopeuden mittaus:
Se on myös Doppler-periaatteeseen perustuva lasernopeusmittausmenetelmä. Laser Doppler -virtausmittaria (katso laservirtausmittari) käytetään enemmän, jolla voidaan mitata tuulitunnelin ilmavirran nopeutta, rakettipolttoaineen virtausnopeutta, lentokoneen suihkun ilmavirran nopeutta, ilmakehän tuulen nopeutta ja hiukkaskokoa ja konvergenssinopeutta kemiallisissa reaktioissa jne.