【摘要】激光技术和激光器是二十世纪六十年代出现的最重大的科学技术之一。激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。
【关键词】激光；传感器
0.引言
激光技术和激光器是二十世纪六十年代出现的最重大的科学技术之一。激光技术与应用的迅猛发展，已与多个学科相结合，形成新兴的交叉学科，如光电子学、信息光学、激光光谱学、非线性光学、超快激光学、量子光学、光纤光学、导波光学、激光医学、激光生物学、激光化学等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展，使得激光器的应用范围扩展到几乎国民经济的所有领域。本文主要介绍激光传感器的原理以及其主要应用领域。
1.激光传感器原理
激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。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。
激光与普通光不同，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1，在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级E2。光子能量E=E2-E1=hv，式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v的光的诱发下，处于能级 E2的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称激光。激光具有3个重要特性。
1.1高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米。
1.2高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上。
1.3高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。
2.激光传感器的主要应用
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。总之，激光传感器的应用领域越来越广泛了，下面介绍激光传感器的4点主要应用。
2.1激光测长
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。现代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。由光学原理可知单色光的最大可测长度 L与波长λ和谱线宽度δ之间的关系是L=2λ/δ。用氪－86灯可测最大长度为38.5厘米，对于较长物体就需分段测量而使精度降低。若用氦氖气体激光器，则最大可测几十公里。一般测量数米之内的长度，其精度可达0.1微米。
2.2激光测距
它的原理与无线电雷达相同，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。由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点，这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的，因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距，而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等，已成功地用于人造卫星的测距和跟踪，例如采用红宝石激光器的激光雷达，测距范围为500～2000公里，误差仅几米。目前常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。
2.3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。
2.4激光测速
它也是基多普勒原理的一种激光测速方法，用得较多的是激光多普勒流速计(见激光流量计)，它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。激光多普勒测速仪是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。
3.激光传感器的不可替代性
激光传感器可用于其它技术无法应用的场合。例如，当目标很近时，计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是，当目标距离较远内或目标颜色变化时，普通光电传感器就难以应付了。
虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作，但是，在目标角度不固定或目标太亮时，其性能的可预测性变差。此外，普通光电三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内。
超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体，而且由于它不是光学装置，所以不受颜色变化的影响。但是，超声波传感器是依据声速测量距离的，因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合。
3.1待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合
因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内。
3.2需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm。
3.3需要可见光斑进行位置校准的场合。
3.4多风的场合。
3.5真空场合。
3.6温度梯度较大的场合。因为这种情况下会造成声速的变化。
3.7需要快速响应的场合
而激光传感器能解决上述所有场合的检测。
4.激光传感器的前景
近年来，我国激光传感器技术取得了长足的进步，但同发达国家相比还有很大差距，高端的技术与产品仍然依赖进口。根据我国国情及国外技术发展趋势，智能化、微形化、低功耗、无线传输、便携式将成为新形传感器的发展方向。随着微电子技术、大规模集成电路技术、计算机技术达到成熟期，光电子技术进入发展中期，超导电子等新技术也将进入发展初期，使得世界传感器市场将保持10%的增长率。成为世界电子元器件领域增长最快的一个分支。
我国激光传感器市场发展前景良好，快速增长的电子信息产业对敏感元件和传感器有很大的需求量。目前我国传感器第一大用户为冶金工业，所需100多种专用高附加值传感器几乎全部依靠进口；化工行业对用于安全监测的传感器有很大需求；汽车工业在改善汽车的节能、环保、安全性和舒适性等方面也对传感器有很大的需求。
据CCID—MRD预测，到2005年传感器国内市场容量将达到8.2亿～10亿只，2005年我国敏感元件及传感器市场需求量为33.36亿只，销售额将达到200亿元。这些都为激光传感技术发展提供良好条件。
5.结束语
激光与普通光源相比，有很多普通光源所无法替代的优点，但激光需要用激光器产生，技术要求比较高。大力发展激光传感技术有利于国家在科技、经济、以及国防等多个领域独领风骚。■
【参考文献】
［１］刘广玉，陈明. 新型传感器技术及应用.北京：北京航天航空大学出版社.2004．
［２］樊尚春主编．传感器技术及应用.北京航天航空大学出版社.2004．
［３］俞新宽主编．激光原理与激光技术.北京工业大学出版社.2008．
［４］孙利民，李建中，陈渝等．无线传感网络[M]．清华大学出版社2005．5(１)．
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