激光二极管的应用系列-激光传感器的原理、分类和应用

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1.激光传感器是什么

利用激光技术进行测量和检测的传感器。
该传感器使用激光光束来探测目标物体的位置、距离、速度或其他特性。
它由激光器、激光检测器和测量电路组成。
激光传感器是新型测量仪表，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。
利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。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，还可用于探伤和大气污染物的监测等。

2.激光传感器工作原理

光传感器的工作原理主要依赖于激光光束与目标物体的相互作用，如反射、散射或吸收。具体的工作原理依据不同类型的激光传感器会有所不同。

区别于传统光源，激光具有高方向性，在几公里范围内的扩散也只有几厘米。他还具有高单色性，其频宽比普通光小十倍以上，激光束还具有高相干性和高亮度的特性，这是都是激光传感器的优势。

对于测量距离和移动，常用的测量方式是三角测量式通过半导体激光将激光照射到目标物上，目标物的反射光会在受光镜头上聚焦，并成像在光接收元件上；距离一旦变动，聚焦的反射光角度也会改变，光接收元件上的成像位置也随之发生变化。由于该光接收元件上的成像位置变化随目标物的移动量而变化，因此可通过读取成像位置的变化量来测量目标物的移动量。还有一种测量方式是时间测量式它是通过测量激光从物体上反射回来所需的时间（TOF，即Time of Flight，飞行时间）来进行物体的定位和测量。当激光从物体上反射回传感器后，根据光的发射与反射的时间差，就可以计算出传感器与测量物体之间的距离。

3.激光传感器与其他传感器的比较

这是常用的几种传感器的特性比较，包括了激光，红外线，超声，激光四种传感器的各自特点。可以看到激光在多项比较中都有较好的表现，但是在成本方面是红外线和超声传感器比较有优势。常见的激光传感器的种类 激光传感器按照应用，可以分为激光测长，激光测距，激光测速几个种类。测长激光传感器

这是常用的几种传感器的特性比较，包括了激光，红外线，超声，激光四种传感器的各自特点。可以看到激光在多项比较中都有较好的表现，但是在成本方面是红外线和超声传感器比较有优势。

4.常见的激光传感器的种类

激光传感器按照应用，可以分为激光测长，激光测距，激光测速几个种类。

测长激光传感器

现代激光长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源（氪-86灯）还纯10万倍。因此激光测长的量程大、精度高。最大量程可达几十公里。在测量数米之内的长度时精度可达0.1微米。

测距激光传感器

对于较短的距离测量一般采用激光三角测距法，激光束以一定的入射角度照射被测目标，激光在目标表面发生反射和散射，在另一角度利用透镜对反射激光汇聚成像，光斑成像在CCD位置传感器上。由于入射光和反射光构成一个三角形，运用几何三角定理就可以算出测量的距离。

于较长的距离测量多采用脉冲式激光测距，它是针对激光的飞行时间差进行测距，由于激光脉冲发射具有高能量密度的特点，非常适合天文观察，地理探测方面的测量。

测速激光传感器

测速激光传感器，通常利用多普勒效应来测量物体的速度。多普勒效应是当发射者和接收者之间的相对运动，会导致接收到的波的频率发生变化的现象。以汽车喇叭为例：当汽车以一定速度靠近听者时，听到的声音频率会增高，而当汽车远离时，听者会感觉到声音频率降低。

由于激光的高能量密度特性，它也可以用来测量流体速度。激光输出被分成两束，汇聚到被测物体或者流体粒子上，由于被测物的移动以及两束激光存在的夹角，其返回的散射激光具备不同的多普勒频移，再与到达探测器的初始本振激光做计算，即可算出移动速度。

激光测厚

利用三角测距原理，上位于C型架的上、下方分割有一个精密激光测距传感器，由激光器发射出的调制激光打到被测物的表面，通过对线阵 CCD的信号进行采样处理，线阵CCD摄像机在控制电路的控制下同步得到被测物到C型架之间的距离，通过传感器反馈的数据来计算中间被测物的厚度。由于检测是连续进行的，因此就可以得到被测物的连续动态厚度值。

1）单激光位移传感器测厚

被测体放在测量平台上，测量出传感器到平台表面距离，然后再测出传感器到被测体表面间距，经计算后测出厚度。要求被测体与测量平台之间无气隙，被测体无翘起。这些严格要求只有在离线情况能实现

2）双激光位移传感器测厚

在被测体上方和下方各安装一个激光位移传感器，被测体厚度D=C-(A+B)。其中，C是两个传感器之间距离，A是上面传感器到被测体之间距离，B是下面传感器到被测体之间距离。在线厚度测量用这种方法优点是可消除被测体振动对测量结果的影响。但同时对传感器安装和性能有要求。保证测量准确性的条件是：两个传感器发射光束必须同轴，以及两个传感器扫描必须同步。同轴是靠安装实现，而同步要靠选择有同步端激光传感器测速激光传感器测速激光传感器，通常利用多普勒效应来测量物体的速度。多普勒效应是当发射者和接收者之间的相对运动，会导致接收到的波的频率发生变化的现象。以汽车喇叭为例：当汽车以一定速度靠近听者时，听到的声音频率会增高，而当汽车远离时，听者会感觉到声音频率降低。由于激光的高能量密度特性，它也可以用来测量流体速度。激光输出被分成两束，汇聚到被测物体或者流体粒子上，由于被测物的移动以及两束激光存在的夹角，其返回的散射激光具备不同的多普勒频移，再与到达探测器的初始本振激光做计算，即可算出移动速度。