激光传感器 – 从零开始认识各种传感器【第二十一期】

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1、什么是激光传感器

激光传感器是一种利用激光技术来进行测量和检测的设备。这类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。激光传感器具有精度高、测量距离长，抗干扰能力强的特点。

2、激光传感器是如何工作的 

激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、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。

3.1 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。

3.2 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。

对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。

3.3 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。

4、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。

5、激光传感器实验演示 

我们来演示使用 MCU 读取显示激光传感器的数据，实验中使用的是一款反射型TOF激光传感器。将手慢慢靠近传感器的上方，可以看到随着手的贴近，显示测量的物体距离数值不断减小，屏幕显示的距离示意光环也越来越接近圆心。

主代码：

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