激光测距的原理是什么,它的应用有哪些方面_激光测距的原理是什么它的应用有哪些

激光,英文名为light amplification by simulated emission of radiation(简称LASER),是指原子激发的光,所以叫激光。激光产生的原理是原子中的电子吸收能量后,从低能级跳到高能级,再从高能级回落到低能级,释放的能量以光子的形式释放出来,被诱导(激发)出来。

与普通光源相比,激光具有单色性、高亮度和方向性等优点,广泛应用于工业生产和科研实验等各个领域。激光测距是应用较为广泛的技术之一。

1.激光测距技术的特点

激光测距技术是一种非接触式工业测量技术,与传统的接触式测距技术相比具有以下特点[1]:

(1)激光测距时,不需要与测量表面接触,物体表面不会变形。

(2)激光测距时被测物体表面不会磨损,减少了额外的损耗。

(3).在很多特殊情况下,无法使用常规测量工具进行接触测量,只能使用激光测距技术。

2.激光测距技术的原理

目前激光测距的主要测量方法有:激光脉冲测距、激光相位测距、激光三角测距等。不同的测量方法对应不同的常用测量范围和精度。激光脉冲测距主要用于远距离测距,测量距离在千米级以上,精度较低,一般为米级精度;激光相位测距适用于中长距离测量,常用的测量范围有50米、150米、300米、500米,精度较高,一般为毫米级精度;激光三角测量一般用于短距离(常见的测量范围小于2米)和高精度的测距任务。一般精度可达微米级,但测量距离有限。

(1)激光脉冲测距法[2]

激光脉冲测距法工作时,激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。激光被目标反射后向四面八方散射。部分散射光返回到传感器接收器,并在被光学系统接收后成像在雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种具有内部放大功能的光学传感器,因此可以探测到极其微弱的光信号,并将其转换成相应的电信号。通过测量光脉冲往返于被测点的时间,乘以光速除以2,计算出被测物体的距离。计算公式如下:D=ct/2。

d:测量A点和B点之间的距离,C:光速,T:光脉冲在AB两点之间来回一次所需的时间,

(2)激光相位测距[3]

激光相位测距的原理是用低频调制信号调制发射光波的光强,通过测量“调制光波”与被测距离的相位差来间接计算待测距离d。

其中:调制光在2D距离处的相位差,c:调制光的传播速度,t:调制光在待测距离处往返一次所需的时间,f:调制光的频率。

在图1中,A表示调制光波的发射点,b表示安装反射器的位置,A’表示发射的调制光波被反射器反射后的接收位置。两点之间的距离AA '是待测距离d的两倍。因此:=N12 1,由于N1不是一个定值,这可能导致多值解。为了解决这个问题,我们经常使用多个频率的调制信号来测量相同的距离。这个频率在相位测距中也叫尺频,尺频的波长叫尺长。当测得的距离小于标尺长度时,不存在多值解。因为尺长越长,测量精度越低。因此,为了准确起见,我们需要将尺子长度控制在一个合适的范围内。

(3)激光三角测距[1]

激光束以特定的角度照射到待测物体的参考位置,然后激光束会在待测物体上发生散射和漫射,光敏传感器器件放置在另一个特定位置,接收经过透镜会聚的散射光和漫射光。待测物体位移后,将激光束以特定角度照射在待测物体的待测位置上,光敏传感器放置在相同的特定位置,接收此时的散射光和漫射光。由于位移前后待测物体经过激光散射和漫反射后的光程不同,光斑在光敏传感器件上的中心位置也不同,将位移前后两个光斑的中心位置代入几何三角形关系,即可计算出物体的位移距离。

3.相位激光测距传感器的应用;

相位激光测距传感器应用广泛,其测量距离从几十米到几百米不等,精度一般在毫米级,符合工业上的大部分应用要求。相位激光测距传感器的用途包括尺寸测量、位置测量、液位测量、变形监测、海啸/泥石流等自然灾害监测和定位,根据应用领域和工作条件的不同,其功能也有所不同:

(1)金属工业

例如,在金属切割的应用中,我们经常需要切割指定规格和长度的金属。通过在切割设备上安装激光测距设备,我们可以监控切割长度并精确切割。此外,还包括钢的锻造和填充。由于金属锻造的温度很高,激光测距传感器可以无接触地监测和控制金属的锻造过程,提高了工艺生产的效率。

(2)桥梁建筑

桥梁上下桥面通过激光测距传感器监测桁架的倾斜和变形;另外,比如历史建筑,包括教堂建筑,保护好它们不仅符合业主的利益,也是对业主的一种尊重。通过我们的激光测距传感器,我们可以监测这些建筑物的微小“运动”,以便对它们进行细致的监测和保护。

(3)轨道铁路

铁路轨道监测包括铁路基础设施监测、铁路隧道变形监测、山区铁路地层泥石流监测。

(4)仓储和物流

例如,常见的激光测距传感器用于监控和定位筒仓的料位和物流卡车的位置。

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