激光传感器的历史与发展及未来前景

激光传感器的历史与发展及未来前景

潘奕嘉

中国计量大学  浙江 杭州  310000

1 激光传感器的研究历史

激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。其主要部分是激光器、激光检测器和测量电路。激光传感器作为新型测量仪表[1]，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。

激光是20世纪60年代冷战时期出于军事目的所出现的最重大的科学技术成就之一。其最早得原理在1916年由著名物理学家爱因斯坦所发现。它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点，所以激光传感器是激光诞生之初，最早的一批应用方向便是军用。

2 激光传感器的工作原理

激光与普通自然光光不同，其亮度高达太阳的100亿倍，无法由常规方式产生，需要用激光器进行工作。激光器的工作物质，常见的有四种，分别为固体激光器，液体激光器，气体激光器和半导体激光器。在正常状态工作情况下，大多数原子处于稳定的低能级E1，但出现适当频率的外界光线时，处于低能级的原子便会自发的吸收光子能量，而原子吸收光子能量后便会受激发而跃迁到高能级E2。光子能量的运算公式为E=E2—E1=hv，简单概括激光的产生过程[2]，就是激光器首先使工作物质的原子脱离初始状态即使原子反常地多数处于高能级，此操作可以使原子在受激辐射过程占优势，从而使频率为v的诱发光进一步得到增强，并可通过平行的反射镜所形的雪崩效应的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称激光。

激光传感器在实际工作过程中，是先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。在经过目标处的反射镜反射后激光向各方向散射，因为散射过程会极大的削弱激光的亮度与可识别度，为此在实际中常常使用高能激光。在反射后部分散射光返回到传感器上的接收器，被光学系统接收后分析并成像到雪崩光电二极管上。常见的传感器是激光测距传感器，这也是激光传感器最广为人知的用处，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。

激光传感器之所以被广泛应用是因为其工作原理带来的特点也可以称之为优点。第一是高方向性，普通光源在传播过程中会被空气不断散射，往往需要聚光器来实现远距离的传播。而激光则不同，其在自然界有着高定向性的特点，这一特点使得激光的光速发散角小，因此激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米；第二是高单色性，自然光的波长为0.4~0.76微米之间，因此为复合光，是由赤橙黄绿青蓝紫7色光形成的白光。但是激光的频率宽度比普通光的频率宽度小10万倍以上，因此激光传感器往往发射的都是单色光，这一特点也决定了其工作时的高抗干扰能力；第三点是高能级，极高的能级带来了激光亮度极高和能量密度极大两个特点。其比过去人类创造的最亮光源高压氙气灯还要亮上数百亿倍。光子的密度为E=hv，这说明了激光的高能级带来了极高的能量密度，具体表现为利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。但在传感器中，这一特点可以大大提高它在复杂情况下的抗干扰能力。

3 激光传感器的具体应用

利用激光的传感器的特点，我们在测量领域可借助激光传感器实现无接触远距离测量[3]。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于大气污染物的监测等。

激光传感器于测距领域的应用

在测距领域，激光传感器的原理与无线电雷达近乎相同[4]，无非是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。但是不同于传统的无线电雷达测距，激光传感器由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，其工作时的测量距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都优于传统的无线电雷达测距。因此激光测距仪在多个领域受到重视，尤其是军事领域。

激光传感器于测长领域的应用

现代社会中，随着精加工的尺度不断微缩，加工环境要求的不断苛刻，传统的人工测长已经不再现实。但是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。因此，激光传感器走进了机械加工制造业的舞台。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，这是由于光的特性所导致的。这一测量方法精准而快捷。用旧时代的氪－86强聚光灯可测得的常规环境理论最大长度为38.5厘米，对于较长物体就需分段测量而使精度降低。这导致了精加工领域的测距繁琐与复杂，并随而来的还有较大的测量误差。若用激光传感器，则最大可测几十公里。一般测量常见工件的长度，其精度可达0.1微米，这也是在工业领域频繁使用激光传感器的原因。

激光传感器于测振领域的应用

激光传感器在测振领域的应用是基于多普勒原理测量物体的振动速度。一般来讲，在常见的激光多普勒振动速度测量仪中，由于光的测量需要往返的原因，测得的数据公式一般为fd =2v/λ。激光传感器测振仪在测量时由光学部分的激光发射装置将物体的振动转换为由于振动引起的多普勒频移，再由光学检测器将此频移的数据转换为相应的电信号，最后由内部电路进行处理后送往多普勒信号处理器，这一过程会将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号。激光测振传感器与物理接触的测振传感器相比，其优点是使用便捷，不但不需要固定参考系,这可以大大提高野外及临时环境下的测振仪应用范围，而且激光传感器还不影响物体本身的振动，这可以确保测量结果更为精准，数据误差更加低。此外，激光传感器的测量频率范围极宽、测量时候的数据动态范围较传统测振仪而言更大。

激光传感器于测速领域的应用

激光测速传感器是同样的通过多普勒效应而得到应用的一种传感器。激光测速传感器其具体功能是可以通过激光对被测物的运行速度进行测量并转化成可输出信号的一种传感器。由于当今世界精密制造业需求的日益增加和对于减少成本要求的不断上升，我们可以笃定非接触激光测速传感器会慢慢取代现如今市场上仍旧有着巨大份额的接触式测速传感器。激光传感器可以通过测量技术与计算机技术学科进行交叉结合，对货物或是工件的生产流程数据进行全自动化、全智能化的测量控制，这一操作可以大大减少人力成本，这也是测量技术或者说是全球第四次工业革命的一种发展趋势。

4 激光传感器的未来展望

当今世界，随着各国推行着再工业化，全球的传感器市场受各国国情以及精加工需求的不断增加影响从而呈现出快速增长的趋势。激光传感器在各种领域尤其是智能车得到充分应用。一般来讲，传感器领域的发展往往是进行精度的细化和测量速度的不断提升，但是另辟蹊径不失为一条出路，而激光传感器便在这一领域独占鳌头。如今各国不断加速新一代传感器的产业化，市场竞争也将日益激烈。面对一个有着众多人口的市场和对稀土激光领域一锤定音的国家，真尚有等国际传感器巨头纷纷在中国设立技术研发部。激光传感器的发展必定会搅乱未来的传感器市场，他也必将由于种种优点而得到更好的发展和推广。

5 参考文献

[1]解菁,高宏堂,叶孝佑,李东升,陈自章.提高激光传感器用于现场校准装置精度的研究[J].光学技术,2012,38(04):398-402.DOI:10.13741/j.cnki.11-1879/o4.2012.04.005.报,2000(02):118-121.

[2]裴丽,翁思俊,吴良英,王建帅,刘超.光纤激光传感系统的研究进展[J].中国激光,2016,43(07):7-13.

[3]刘佳,宋艳.基于激光传感的工业机器人定位技术分析[J].集成电路应用,2022,39(05):152-153.DOI:10.19339/j.issn.1674-2583.2022.05.063..

[4]邸志刚,沈萌萌,贾春荣,陈佳旗,冯若楠.激光测距技术研究现状及发展趋势[J/OL].激光杂志:1-10[2023-04-20].

作者简介：潘奕嘉(2000.8-)，男，汉族，浙江温州，本科在读，研究方向：通信技术。