레이저 센서의 원리와 응용

레이저 센서는 레이저 기술을 사용하여 측정하는 센서입니다. 레이저, 레이저 검출기 및 측정 회로로 구성됩니다. 레이저 센서는 새로운 유형의 측정기입니다. 그 장점은 비접촉식 장거리 측정, 빠른 속도, 고정밀, 넓은 범위, 강력한 빛 방지 및 전기 간섭 능력 등을 실현할 수 있다는 것입니다.
빛과 레이저 레이저는 1960년대에 등장한 가장 중요한 과학 및 기술 성과 중 하나였습니다. 그것은 빠르게 발전하여 국방, 생산, 의학 및 비전기 측정과 같은 다양한 측면에서 널리 사용되었습니다. 일반 빛과 달리 레이저는 레이저에 의해 생성되어야 합니다. 레이저 작동 물질의 경우 정상적인 조건에서 대부분의 원자는 안정적인 낮은 에너지 준위 E1에 있습니다. 적절한 주파수의 외부 빛이 작용하면 낮은 에너지 준위의 원자가 광자 에너지를 흡수하고 여기되어 높은 에너지 준위 E2로 전환됩니다. 광자 에너지 E=E2-E1=hv, 여기서 h는 플랑크 상수이고 v는 광자 주파수입니다. 반대로 진동수 v의 빛이 유도되면 에너지 준위 E2의 원자가 더 낮은 에너지 준위로 전이하여 에너지를 방출하고 빛을 방출하는데, 이를 유도 방사선이라고 합니다. 레이저는 먼저 작동 물질의 원자를 높은 에너지 준위(즉, 인구 역전 분포)에서 비정상적으로 만들어 유도 방사선 과정을 지배적으로 만들 수 있으므로 주파수 v의 유도 광이 강화되어 통과할 수 있습니다. 병렬 미러 눈사태 형 증폭이 ​​형성되어 레이저라고하는 강력한 자극 방사선을 생성합니다.

레이저에는 3가지 중요한 특성이 있습니다.
1. 높은 지향성(즉, 높은 지향성, 광속의 작은 발산각), 레이저 빔의 확장 범위는 몇 킬로미터에서 몇 센티미터 떨어져 있습니다.
2. 높은 단색성, 레이저의 주파수 폭은 일반 빛보다 10배 이상 작습니다.
3. 고휘도, 레이저 빔 수렴을 이용하여 최대 수백만 도의 온도를 생성할 수 있습니다.

레이저는 작동 물질에 따라 4가지 유형으로 나눌 수 있습니다.
1. 고체 레이저: 작동 물질이 고체입니다. 루비 레이저, 네오디뮴 도핑 이트륨 알루미늄 가넷 레이저(예: YAG 레이저) 및 네오디뮴 유리 레이저가 일반적으로 사용됩니다. 구조는 거의 동일하며 소형, 강인성, 고출력이 특징입니다. 네오디뮴 유리 레이저는 현재 수십 메가와트에 이르는 가장 높은 펄스 출력을 가진 장치입니다.
2. 가스 레이저: 작동 물질은 가스입니다. 이제 다양한 가스 원자, 이온, 금속 증기, 가스 분자 레이저가 있습니다. 일반적으로 사용되는 이산화탄소 레이저, 헬륨 네온 레이저 및 일산화탄소 레이저는 일반 방전관 모양이며 안정적인 출력, 좋은 단색성 및 긴 수명이 특징이지만 전력이 낮고 변환 효율이 낮습니다.
3. 액체 레이저: 킬레이트 레이저, 무기 액체 레이저 및 유기 염료 레이저로 나눌 수 있으며, 가장 중요한 것은 유기 염료 레이저이며 가장 큰 특징은 파장을 지속적으로 조정할 수 있다는 것입니다.
4. 반도체 레이저: 상대적으로 젊은 레이저이며 더 성숙한 것은 GaAs 레이저입니다. 고효율, 소형, 경량 및 간단한 구조가 특징이며 비행기, 군함, 탱크 및 보병에 운반하기에 적합합니다. 거리 측정기와 광경으로 만들 수 있습니다. 그러나 출력 전력이 작고 방향성이 좋지 않으며 주변 온도의 영향을 많이 받습니다.

레이저 센서 애플리케이션
레이저의 고지향성, 고단색성, 고휘도 특성을 이용하여 비접촉식 장거리 측정이 가능합니다. 레이저 센서는 길이, 거리, 진동, 속도 및 방향과 같은 물리적 양의 측정과 대기 오염 물질의 결함 감지 및 모니터링에 자주 사용됩니다.
레이저 길이 측정:
정밀한 길이 측정은 정밀 기계 제조 산업 및 광학 가공 산업의 핵심 기술 중 하나입니다. 현대의 길이 측정은 대부분 광파의 간섭현상을 이용하여 이루어지며 그 정확도는 주로 빛의 단색성에 의존한다. 레이저는 과거 최고의 단색 광원(크립톤-86 램프)보다 100,000배 더 순수한 가장 이상적인 광원입니다. 따라서 레이저 길이 측정 범위가 넓고 정밀도가 높습니다. 광학 원리에 따르면 단색광의 측정 가능한 최대 길이 L, 파장 λ 및 분광선 폭 δ 사이의 관계는 L=λ/δ입니다. 크립톤-86 램프로 측정할 수 있는 최대 길이는 38.5cm입니다. 더 긴 물체의 경우 섹션별로 측정해야 하므로 정확도가 떨어집니다. 헬륨-네온 가스 레이저를 사용하면 수십 킬로미터까지 측정할 수 있다. 일반적으로 몇 미터 이내의 길이를 측정하며 정확도는 0.1 미크론에 이릅니다.
레이저 범위:
그 원리는 무선 레이더와 동일합니다. 레이저를 목표물에 조준하여 발사한 후 왕복 시간을 측정한 다음 빛의 속도를 곱하여 왕복 거리를 구합니다. 레이저는 고지향성, 고단색성, 고출력의 장점을 가지고 있기 때문에 장거리 측정, 대상의 방향 결정, 수신 시스템의 신호 대 잡음비 개선, 측정 정확도 확보에 매우 중요합니다. . 점점 주목을 받았습니다. 레이저 거리측정기를 기반으로 개발된 라이다는 거리뿐만 아니라 목표물의 방위각, 속도, 가속도까지 측정할 수 있다. 500에서 2000km 범위의 레이더는 오차가 몇 미터에 불과합니다. 현재 루비 레이저, 네오디뮴 유리 레이저, 이산화탄소 레이저 및 비화 갈륨 레이저가 레이저 거리 측정기의 광원으로 자주 사용됩니다.

레이저 진동 측정:
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레이저 속도 측정:
도플러 원리에 기반한 레이저 속도 측정 방법이기도 합니다. 풍동 풍속, 로켓 연료 유속, 항공기 제트 기류 속도, 대기 풍속 및 화학 반응의 입자 크기 및 수렴 속도 등을 측정 할 수있는 레이저 도플러 유량계 (레이저 유량계 참조)가 더 많이 사용됩니다.