Lazer sensörün prensibi ve uygulaması

Lazer sensörler, ölçmek için lazer teknolojisini kullanan sensörlerdir. Bir lazer, bir lazer dedektörü ve bir ölçüm devresinden oluşur. Lazer sensör, yeni bir ölçüm cihazı türüdür. Avantajları, temassız uzun mesafe ölçümü, hızlı hız, yüksek hassasiyet, geniş aralık, güçlü anti-ışık ve elektriksel girişim yeteneği vb. gerçekleştirebilmesidir.
Işık ve Lazerler Lazerler, 1960'larda ortaya çıkan en önemli bilimsel ve teknolojik başarılardan biriydi. Hızla gelişmiş ve ulusal savunma, üretim, tıp ve elektriksiz ölçüm gibi çeşitli yönlerden yaygın olarak kullanılmaktadır. Sıradan ışığın aksine, bir lazerin bir lazer tarafından üretilmesi gerekir. Lazerin çalışma maddesi için, normal koşullar altında çoğu atom kararlı düşük enerji seviyesi E1'dedir. Uygun frekanstaki dış ışığın etkisi altında, düşük enerji seviyesindeki atomlar foton enerjisini emer ve yüksek enerji seviyesi E2'ye geçiş için heyecanlanır. Foton enerjisi E=E2-E1=hv, burada h, Planck sabitidir ve v, foton frekansıdır. Tersine, v frekansı ile ışığın indüksiyonu altında, E2 enerji seviyesindeki atomlar, enerjiyi serbest bırakmak ve uyarılmış radyasyon adı verilen ışık yaymak için daha düşük bir enerji seviyesine geçiş yapacaktır. Lazer önce çalışma maddesinin atomlarını anormal bir şekilde yüksek bir enerji seviyesinde (yani, popülasyon inversiyon dağılımı) yapar, bu da uyarılmış radyasyon sürecini baskın hale getirebilir, böylece frekans v'nin indüklenen ışığı artar ve geçebilir paralel aynalar Çığ tipi amplifikasyon, lazer olarak adlandırılan güçlü uyarılmış radyasyon üretmek için oluşturulur.

Lazerlerin 3 önemli özelliği vardır:
1. Yüksek yönlülük (yani, yüksek yönlülük, ışık hızının küçük sapma açısı), lazer ışınının genişleme aralığı birkaç kilometreden yalnızca birkaç santimetre uzaktadır;
2. Yüksek monokromatiklik, lazerin frekans genişliği sıradan ışığınkinden 10 kat daha küçüktür;
3. Yüksek parlaklık, lazer ışını yakınsaması kullanılarak birkaç milyon derecelik maksimum sıcaklık üretilebilir.

Lazerler, çalışma maddesine göre 4 türe ayrılabilir:
1. Katı hal lazeri: Çalışma maddesi katıdır. Yaygın olarak kullanılanlar yakut lazerler, neodim katkılı itriyum alüminyum granat lazerler (yani YAG lazerler) ve neodimyum cam lazerlerdir. Kabaca aynı yapıya sahiptirler ve küçük, sağlam ve yüksek güçlü olmaları ile karakterize edilirler. Neodimyum cam lazerler, şu anda onlarca megavata ulaşan en yüksek darbe çıkış gücüne sahip cihazlardır.
2. Gaz lazer: çalışma maddesi gazdır. Şimdi çeşitli gaz atomu, iyon, metal buharı, gaz molekülü lazerleri var. Yaygın olarak kullanılanlar, sıradan deşarj tüpleri şeklinde olan ve kararlı çıkış, iyi monokromatiklik ve uzun ömür, ancak düşük güç ve düşük dönüşüm verimliliği ile karakterize edilen karbon dioksit lazerleri, helyum neon lazerleri ve karbon monoksit lazerleridir.
3. Sıvı lazer: Şelat lazer, inorganik sıvı lazer ve organik boya lazer olarak ayrılabilir, bunların en önemlisi organik boya lazeridir, en büyük özelliği dalga boyunun sürekli ayarlanabilmesidir.
4. Yarı iletken lazer: Nispeten genç bir lazerdir ve daha olgun olanı GaAs lazeridir. Yüksek verimlilik, küçük boyut, hafiflik ve basit yapı ile karakterize edilir ve uçaklar, savaş gemileri, tanklar ve piyade taşımak için uygundur. Telemetre ve nişangah haline getirilebilir. Bununla birlikte, çıkış gücü küçüktür, yönlülük zayıftır ve ortam sıcaklığından büyük ölçüde etkilenir.

Lazer Sensör Uygulamaları
Lazerin yüksek yönlülük, yüksek tek renklilik ve yüksek parlaklık özelliklerini kullanarak temassız uzun mesafe ölçümü gerçekleştirebilir. Lazer sensörler genellikle uzunluk, mesafe, titreşim, hız ve yön gibi fiziksel niceliklerin ölçümü ve ayrıca kusur tespiti ve atmosferik kirleticilerin izlenmesi için kullanılır.
Lazer uzunluk ölçümü:
Hassas uzunluk ölçümü, hassas makine imalat endüstrisinde ve optik işleme endüstrisinde anahtar teknolojilerden biridir. Modern uzunluk ölçümü çoğunlukla ışık dalgalarının girişim fenomeni kullanılarak gerçekleştirilir ve doğruluğu esas olarak ışığın tek renkliliğine bağlıdır. Lazer, geçmişteki en iyi monokromatik ışık kaynağından (kripton-86 lambası) 100.000 kat daha saf olan en ideal ışık kaynağıdır. Bu nedenle, lazer uzunluk ölçüm aralığı geniş ve hassasiyeti yüksektir. Optik prensibe göre, tek renkli ışığın ölçülebilir maksimum uzunluğu L, dalga boyu λ ve spektral çizgi genişliği δ arasındaki ilişki L=λ/δ şeklindedir. Kripton-86 lamba ile ölçülebilen maksimum uzunluk 38,5 cm'dir. Daha uzun nesneler için, kesinliği azaltan bölümlerde ölçülmesi gerekir. Bir helyum-neon gazı lazeri kullanılırsa, onlarca kilometreye kadar ölçüm yapabilir. Genellikle uzunluğu birkaç metre içinde ölçün ve doğruluğu 0,1 mikrona ulaşabilir.
Lazer Aralığı:
Prensibi radyo radarı ile aynıdır. Lazer hedefe yöneltilip fırlatıldıktan sonra, gidiş-dönüş süresi ölçülür ve ardından gidiş-dönüş mesafesini elde etmek için ışık hızıyla çarpılır. Lazerin yüksek yönlülük, yüksek monokromatiklik ve yüksek güç avantajları olduğundan, bunlar uzun mesafeleri ölçmek, hedefin yönünü belirlemek, alıcı sistemin sinyal-gürültü oranını iyileştirmek ve ölçüm doğruluğunu sağlamak için çok önemlidir. . giderek daha fazla ilgi gördü. Lazer telemetre temel alınarak geliştirilen lidar, yalnızca mesafeyi ölçmekle kalmıyor, aynı zamanda hedefin azimutunu, hızını ve ivmesini de ölçebiliyor. 500 ila 2000 kilometre arasında değişen radar, hata sadece birkaç metredir. Şu anda, yakut lazerler, neodimyum cam lazerler, karbon dioksit lazerler ve galyum arsenit lazerler, genellikle lazer telemetreler için ışık kaynağı olarak kullanılmaktadır.

Lazer titreşim ölçümü:
x
Lazer hız ölçümü:
Aynı zamanda Doppler prensibine dayalı bir lazer hız ölçüm yöntemidir. Rüzgar tüneli hava akış hızını, roket yakıtı akış hızını, uçak jet hava akış hızını, Atmosferik rüzgar hızını ve partikül boyutunu ve kimyasal reaksiyonlarda yakınsama hızını vb. ölçebilen lazer Doppler akış ölçer (lazer akış ölçere bakın) daha çok kullanılır.