Лазерлік датчиктің принципі және қолданылуы

Лазерлік сенсорлар - өлшеу үшін лазерлік технологияны қолданатын сенсорлар. Ол лазерден, лазерлік детектордан және өлшеу тізбегінен тұрады. Лазерлік сенсор – өлшеу құралының жаңа түрі. Оның артықшылығы - ол контактісіз алыс қашықтықты өлшеуді, жылдам жылдамдықты, жоғары дәлдікті, үлкен диапазонды, күшті жарық пен электрлік кедергілерге қарсы қабілетін және т.б.
Жарық және лазерлер Лазерлер 1960 жылдары пайда болған ең маңызды ғылыми және технологиялық жетістіктердің бірі болды. Ол тез дамып, ұлттық қорғаныс, өндіріс, медицина және электрлік емес өлшеу сияқты әртүрлі аспектілерде кеңінен қолданылды. Кәдімгі жарықтан айырмашылығы, лазерді лазермен жасау керек. Лазердің жұмыс заты үшін қалыпты жағдайда атомдардың көпшілігі тұрақты төмен энергия деңгейінде E1 болады. Сәйкес жиіліктегі сыртқы жарықтың әсерінен төмен энергия деңгейіндегі атомдар фотон энергиясын жұтып, Е2 жоғары энергия деңгейіне өту үшін қоздырады. Фотон энергиясы E=E2-E1=hv, мұндағы h - Планк тұрақтысы, v - фотон жиілігі. Керісінше, v жиілігі бар жарық индукциясы кезінде E2 энергетикалық деңгейдегі атомдар энергияны босату және жарық шығару үшін төменгі энергетикалық деңгейге ауысады, бұл ынталандырылған сәулелену деп аталады. Лазер алдымен жұмыс затының атомдарын жоғары энергетикалық деңгейде (яғни популяцияның инверсиялық таралуы) қалыптан тыс етеді, бұл ынталандырылған сәулелену процесін басым ете алады, осылайша v жиілігінің индукцияланған жарығы күшейеді және арқылы өте алады. параллель айналар Көшкін типті күшейту лазер деп аталатын қуатты ынталандырылған сәулеленуді қалыптастыру үшін жасалады.

Лазердің 3 маңызды қасиеті бар:
1. Жоғары бағыттылық (яғни жоғары бағыттау, жарық жылдамдығының кіші дивергенция бұрышы), лазер сәулесінің кеңею диапазоны бірнеше километрден бірнеше сантиметр ғана қашықтықта;
2. Жоғары монохроматтылық, лазердің жиілік ені қарапайым жарыққа қарағанда 10 есе аз;
3. Жоғары жарықтық, бірнеше миллион градус максималды температура лазер сәулесінің конвергенциясын пайдалану арқылы жасалуы мүмкін.

Лазерлер жұмыс істейтін затына қарай 4 түрге бөлінеді:
1. Қатты күйдегі лазер: оның жұмыс заты қатты. Көбінесе рубин лазерлері, неодим қосылған иттрий алюминий гранат лазерлері (яғни YAG лазерлері) және неодимді шыны лазерлері қолданылады. Олар шамамен бірдей құрылымға ие және шағын, берік және жоғары қуаттылықпен сипатталады. Неодим-әйнек лазерлері қазіргі уақытта ондаған мегаваттқа жететін ең жоғары импульстік шығыс қуаты бар құрылғылар болып табылады.
2. Газ лазері: оның жұмыс заты газ. Қазір әртүрлі газ атомы, ион, металл буы, газ молекулалы лазерлер бар. Көбінесе көміртегі диоксиді лазерлері, гелий неонды лазерлері және көміртегі тотығы лазерлері қолданылады, олардың пішіні кәдімгі разрядтық түтіктерге ұқсайды және тұрақты шығысымен, жақсы монохроматтылығымен және ұзақ қызмет ету мерзімімен сипатталады, бірақ қуаты төмен және конверсиялық тиімділігі төмен.
3. Сұйық лазер: Оны хелат лазері, бейорганикалық сұйық лазер және органикалық бояу лазері деп бөлуге болады, олардың ең маңыздысы органикалық бояу лазері, оның ең үлкен ерекшелігі толқын ұзындығы үздіксіз реттелетін болып табылады.
4. Жартылай өткізгіш лазер: Бұл салыстырмалы түрде жас лазер, ал жетілгені GaAs лазері. Ол жоғары өнімділігімен, шағын өлшемдерімен, жеңіл салмағымен және қарапайым құрылымымен ерекшеленеді және ұшақтарда, әскери кемелерде, танктерде және жаяу әскерлерде тасымалдауға жарамды. Қашықтық өлшегіштер мен көрікті жерлерге жасауға болады. Дегенмен, шығыс қуаты аз, бағыттылығы нашар және оған қоршаған орта температурасы қатты әсер етеді.

Лазерлік сенсор қолданбалары
Жоғары бағыттылық, жоғары монохроматикалық және жоғары жарықтылық сипаттамаларын пайдаланып, лазердің байланыссыз алыс қашықтықты өлшеуін жүзеге асыруға болады. Лазерлік сенсорлар көбінесе ұзындық, қашықтық, діріл, жылдамдық және бағдар сияқты физикалық шамаларды өлшеу үшін, сондай-ақ атмосфераны ластаушы заттардың ақауларын анықтау және бақылау үшін қолданылады.
Лазерлік ұзындықты өлшеу:
Ұзындықты дәл өлшеу дәлме-дәл машина жасау өнеркәсібіндегі және оптикалық өңдеу өнеркәсібіндегі негізгі технологиялардың бірі болып табылады. Қазіргі заманғы ұзындықты өлшеу көбінесе жарық толқындарының интерференциялық құбылысын қолдану арқылы жүзеге асырылады және оның дәлдігі негізінен жарықтың монохроматтылығына байланысты. Лазер ең тамаша жарық көзі болып табылады, ол бұрынғы ең жақсы монохроматикалық жарық көзінен (криптон-86 лампасы) 100 000 есе таза. Сондықтан лазер ұзындығын өлшеу ауқымы үлкен және дәлдігі жоғары. Оптикалық принцип бойынша монохроматикалық жарықтың ең үлкен өлшенетін L ұзындығы, толқын ұзындығы λ және спектрлік сызық ені Î´ арасындағы байланыс L=λ/δ болады. Криптон-86 шамымен өлшеуге болатын максималды ұзындық - 38,5 см. Ұзынырақ нысандар үшін оны кесінділермен өлшеу керек, бұл дәлдікті төмендетеді. Егер гелий-неон газы лазері қолданылса, ондаған километрге дейін өлшей алады. Әдетте ұзындықты бірнеше метр ішінде өлшеңіз және оның дәлдігі 0,1 микронға жетуі мүмкін.
Лазерлік диапазон:
Оның принципі радиолокациялық радиолокациямен бірдей. Лазер нысанаға бағытталып, ұшырылғаннан кейін оның айналу уақыты өлшенеді, содан кейін айналу қашықтығын алу үшін жарық жылдамдығына көбейтіледі. Лазердің жоғары бағыттау, жоғары монохроматикалық және жоғары қуаттылық артықшылықтары болғандықтан, бұл ұзақ қашықтықты өлшеу, нысананың бағдарын анықтау, қабылдау жүйесінің сигнал-шу қатынасын жақсарту және өлшеу дәлдігін қамтамасыз ету үшін өте маңызды. . барған сайын назар аударды. Лазерлік қашықтық өлшегіш негізінде жасалған лидар қашықтықты өлшеп қана қоймай, нысананың азимутын, жылдамдығын және үдеуін де өлшей алады. Радар, 500-ден 2000 шақырымға дейін, қате бірнеше метрді құрайды. Қазіргі уақытта лазерлік диапазон өлшегіштер үшін жарық көздері ретінде жиі рубин лазерлері, неодимді шыны лазерлері, көміртегі диоксиді лазерлері және галлий арсенидті лазерлері қолданылады.

Лазерлік дірілді өлшеу:
x
Лазерлік жылдамдықты өлшеу:
Бұл сонымен қатар Доплер принципіне негізделген лазерлік жылдамдықты өлшеу әдісі. Лазерлік Доплер шығын өлшегіші (лазерлік шығын өлшегішін қараңыз) көбірек пайдаланылады, ол жел туннельінің ауа ағынының жылдамдығын, зымыран отыны ағынының жылдамдығын, ұшақ реактивті ауа ағынының жылдамдығын, атмосфералық желдің жылдамдығын және бөлшектердің өлшемін және химиялық реакциялардағы конвергенция жылдамдығын және т.б.