一 、激光传感器简介

激光是在20世纪60年代初问世的。由于其具有方向性强、亮度高、单色性好等特点，广泛用于工农业生产、国防军事、医学卫激光传感器生、科学研究等方面，如用来测距、精密检测、定位等，还用做长度基准和光频基准。其基本方法是将光信号转化成电信号。虽然高精密激光距离传感器已上市多年，但是由于其价格太高，一直不能获得广泛应用。最近，由于其价格的大幅度下降，使其成为长距离检测场合一种最经济有效的方法。本文介绍其原理、特性及应用。
激光传感器一般是由激光器，光学零件，和光电器件所构成的，它能把被测物理量（如长度，流量，速度等）转换成光信号，然后应用光电转换器把光信号变成电信号，通过相应电路的过滤，放大，整流得到输出信号，从而算出被测量。
激光式传感器具有以下优点：结构，原理简单可靠，抗干扰能力强，适应于各种恶劣的工作环境，分辨率较高（如在测量长度时能达到几个纳米），示值误差小，稳定性好，宜用于快速测量。
二、激光传感器应用
（一）：传输时间激光距离传感器
简介：激光在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，对社会生产和生活的影响也十分明显。激光测距是激光最早的应用之一。这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。1965年前苏联利用激光测地球和月球之间距离（380´103km）误差只有250m。1969年美国人登月后置反射镜于月面，也用激光测量地月之距，误差只有15cm。
利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。即： 
工作原理：
传输时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。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。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。 

例如，光速约为3(108m/s，要想使分辨率达到1mm，则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间：
0.001m((3(108m/s)=3ps
要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今廉价的传输时间激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。

应用：
1、测量传送带上箱子的宽度；使用两个发散型传输时间激光传感器，在传送带的两侧面对面安装。因为尺寸变化的箱子落到传送带上的位置是不固定的，这样，每个传感器都测量出自己与箱子的距离，设一个距离为L1，另一个为L2。此信息送给PLC，PLC将两个传感器间总的距离减去L1和L2，从而可计算出箱子的宽度W。
2、保护液压成型冲模；机械手把一根预成型的管材放进液压成型机的下部冲模中，操作者必须保证每次放的位置准确。在上部冲模落下之前，一个发散型传感器测量出距离管子临界段的距离，这样可保证冲模闭合前处于正确位置。
3、二轴起重机定位：用两个反射型传感器面对反射器安装，反射器安装在桥式起重机的两个移动单元上。一个单元前后运动，另一个左右运动。当起重机驱动板架辊时，两个传感器监测各自到反射器的距离，通过PLC能连续跟踪起重机的精确位置。
传输时间激光距离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，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。
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。
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需要可见光斑进行位置校准的场合。
④多风的场合。
⑤真空场合。
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。
⑦需要快速响应的场合。
而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测。
（二）、单频激光干涉仪
单频激光干涉仪常采用偏振干涉仪的形式，典型光路如下图所示。He-Ne激光器发出线偏振光，经1/4波片1后变成圆偏振光，圆偏振光经偏振分光镜2分成两束偏振方向相互垂直的 线偏振光，分别射向参考角锥镜3和测量角锥镜4，两束光被反射后在偏振分光镜处重新汇合，这时两束光偏振方向仍然相互垂直，并不能产生干涉现象。为了产生干涉，在光路中放置一个1/4波片5，它将相互垂直的两路偏振光转变为旋转方向相反的圆偏振光，然后用分光镜6将光束分成两路，两路光分别经过偏振片8和9，为光电器件10，11所接受收。偏振片8，9的偏振方向45度，因此接受到的两路信号具有90度的相位差，它们可用于后续电路的细分和辨向。 

（三） 、双面覆铜板在线测厚--改进型ILD1800激光传感器：
双面覆铜板在线测厚，考虑到在线传送时覆铜板上下窜动带来的测量误差，应在测厚点上下安装两个传感器。如下示意图 

双面覆铜板测厚早期用电容式传感器。它的优点是表面色斑，表面微观沟槽不影响测量结果，其缺点是传感器头与被测面间隙很小，且受间隙中介质变化而影响精度。对安装调校的环境要求很高，使用受到限制。而最致命的缺点是电容式传感器是面积效应，它测的是大于面积5㎜处的平均厚度。这对精密到某一点的板厚测量是很大的缺陷。
　　于是激光位移传感器受到重视，因为传感器安装距离远，环境要求并不高，而且基本上是一个点的测厚。适于精密到某一点的板厚测量。问题是，一般慢反射激光传感器对表面色斑的敏感，以及几十个微米直径的光斑对表面微观沟槽敏感使板厚测量困难重重。
　　德国米铱针对上述问题，对ILD1800激光传感器进行实质性的创性。其中用同期补光核心技术使色斑敏感降为零，以及改进透视镜使光斑直径增大到300微米，抑制了微观表面沟槽影响。加上原ILD1800可同步扫描功能，使同一测量上下两个传感器能同步扫描，完全避免覆铜板在线传送时上下窜动带来的测量误差，以及保证两个传感器同步测量覆铜板同一个点的厚度。下图表是800个测点数据最大厚度误差0.9微米记录 


（四）、激光智能液位感测器
激光智能液位感测器是采用功率安全可靠且不足以引爆任何油晶介质的激光作为探测光源，应用国际先进的激光传感技术而可广泛适用于石油、化工、冶金、锅炉 等行业、领域的一种新型的非接触式智能液位测量仪表。它彻底解决了以前所应用的各种液位监测仪表之不足，不受介质温度、密度、压力等物理、化学性质的影响，可以测量本传感器规定的温度范围内的所有的液体介质液位，其输出的数字信号可直接进入现场控制系统。该传感器以其优良的性能及美观的外形结构，成功地取代目前石油、化工、冶金、锅炉等行业、用于液位监测的二次 仪表(包括进口二次仪表)。
测量原理：
传感器工作原理如下图所示。感测器中的激光器发出一束激光束，由发射光学系统扩束准直后射向被测液体表面，经被测液体表面反射，由激光传感器接收光学系统接收。由于光在空气中的时间，即可求出感测器系统到被测液面的距离，从而得到被测液体的液面位置。
　
（五）、蓝绿激光水下传感装置 
　　 传感器是水下目标, 如潜艇、水下机器人的耳目, 要及时发现、准确识别水下威胁目标就必须装备先进的传感装置。利用蓝绿激光水下传感装置, 可获得比其它水下传感器更高的识别精度和定位能力, 有人曾设想, 如果在潜艇上装备蓝绿激光水下传感装置, 可使潜艇象使用雷达一样, 利用高能蓝绿激光, 穿透深层幽暗的海水, 寻找和发现目标,并可对目标进行跟踪和制导鱼雷攻击。当然, 这种设想要实现, 尚存在许多技术问题。目前, 已有将此种设备装在水下平台上, 用于探测和识别水雷, 特别是利用其它手段很难探测的沉底雷的报道。如已在美海军“海豚”级潜艇上试验多次的SM2000水下同步蓝绿激光行扫描仪, 试验证实它比其它水下成像系统性能要高很多。与SM2000性能相似的LS2048蓝绿激光行扫描仪最大使用距离可达45米, 扫描角为70°, 每行像元素达到2048个。LS2048现已生产2 台, 预计今后将被改进, 以适应装入自动水下机械的要求。5.海基光控武器系统 水雷战是现代海战中的一种重要作战方式, 水雷武器性能影响着布雷作战的效果。因此, 随着科学技术的不断向前发展, 许多先进科学技术不断应用于新型水雷的研制开发上。将蓝绿激光技术应用于水雷, 则可能研制出渐新一代完全可控制的海基光控武器系统, 如光控水雷、光控鱼水雷。这种光控海基武器系统是在水中武器上装有一个光探测器, 该探测器能接收飞机或其它平台以一定编码形式向海中发出的蓝绿激光信号, 通过破译该信号, 武器自动决定引信系统是否打开、关闭或自爆。这样, 部署了这种武器的海域, 在平时和己方舰船通过时, 先由装有蓝绿激光系统的飞机关闭武器系统引信;而在战时, 只需用激光打开武器引信就可迅速封锁该海域; 战后, 也只需用激光就可引爆。因此, 光控海基武器系统将是现有各种海基武器中真正可控制的武器。 此外, 蓝绿激光系统还可用于固定基声纳列阵的控制和通信、测量树林密度、高度等等。随着高功率、小体积、长奉命的蓝绿激光器技术, 强光背景下的弱信号探测技术, 大容量、高速计算机技术的迅猛发展, 已在部分国家形成了可真正应用于实战的蓝绿激光系统, 如文中提到的美、俄探雷/ 探测系统, 水文测量系统。对于蓝绿激光通信,现各国尚处于样机研制阶段。至于其它一些应用, 就从目前所能掌握的资料看, 尚处于概念研究阶段。但由于蓝绿激光技术所具有的独特性能, 无疑会在不久的将来, 以蓝绿激光为基础的各种应用系统, 在海军装备中占据重要的地位。 
三、激光传感器的发展前景
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、微型化、低功耗、无线传输、便携式将成为新型传感器的发展方向。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较大需求；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较大需求。
　　今后几年，传感器市场的产品需求结构将向投资类产品发展，国内应重点研发的传感技术包括：1.微电子机械系统（MEMS），重点开发微米级产品，实现微机械与IC集成的微系统，逐步建立MEMS工程学；工业方面着重开发用于微小卫星、民用飞行器的微传感器和微执行器、车辆与安全监测传感器；生物方面着重开发用于医学生物的微系统。2.汽车传感器，重点开发电喷系统、空调排污和自动驾驶传感器。3.环保传感器，重点开发水质监测、大气污染和工业排污测控传感器。4.工业过程控制传感器，重点开发新型压力、温度、流量、距离等智能化传感器和具有协议功能的传感器。5.医疗卫生与食品监测传感器，重点开发诊治各种疾病的生物和化学传感器、食品发酵与酶传感器。6.新型敏感材料，重点开发新型光敏、磁敏和超导敏感材料以及金属氧化物和传感型合金材料。 

　　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。 
　此外，加入世界贸易组织为我国传感器市场带来了新的机遇与挑战。一方面将加速我国传感器产业的建设，增强市场的繁荣化程度；另一方面因传感器关税税率逐年下降，进口产品必将大量涌入国内市场，导致竞争加剧。但只有竞争才会进步，今后激光传感技术定会在各领域发挥起更大的作用。