第11章其他传感器.doc

第十一章、其他传感器
本章主要讲述超声波传感器、红外传感器、激光传感器，并简要介绍一些新型传感器。
第一节、超声波传感器
超声波传感器在检测技术中的应用，主要是利用超声波的物理性质，通过被测介质的某些声学特性来检测一些非电参数或者进行探伤。
一、超声波的物理基础
1、超声波的物理性质
声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波，根据声波振动频率的范围，可分为次声波、声波、超声波和特超声波。
人耳能听到的声波频率范围是20Hz–20KHz。
频率超过20KHz的声波称为超声波。超声波检测中常用的工作频率在250KHz-20MHz范围内。
超声波的波型主要可分为纵波、横波、表面波三种。
纵波：质点的振动方向与波的传播方向一致的波称为纵波。
横波：质点的振动方向与波的传播方向垂直的波称为横波。
表面波：质点的振动方式介于纵波和横波之间，且沿表面传播，振幅随深度的增加而迅速衰减的波称为表面波。
横波和表面波只能在固体中传播；
纵波可以在固体、液体和气体中传播。因此常用的超声波为纵波。
声压：声压指的是介质中有声波传播时的压强与无声波时的静压强之差，其单位是Pa。
声强：声强又称为声波的能量密度，即单位时间内通过垂直于声波传播方向的单位面积的声波能量。声强是一个矢量，它的方向就是能量传播方向。声强的单位是W/m2。
声振动的频率愈高，愈容易获得较大的声压和声强。
2、超声波的传播性质
超声波的传播速度取决于介质的弹性常数及介质密度。
当超声波以一定的入射角α从一种介质传播到另一种介质时，在两介质的分界面上，一部分能量反射回原介质称为反射波；另一部分能量则透过分界面，在另一介质内继续传播，称为折射波，如图11-1所示。

图11-1、超声波的反射与折射图
与超声波有关的几个定律论述如下。
(1)、反射定律：
人射角和反射角的正弦与入射波和反射波在介质中的速度之间有如下的关系
（11-1）
式中：C为入射波在介质中的速度；C1为反射波在介质中的速度。
当入射波和反射波波型相同、波速相同时，入射角等于反射角。
(2)、折射定律：
人射角α和折射角β的正弦与人射波和折射波在介质中的速度之间有如下的关系式中：
（11-2）
式中：C为入射波在介质中的速度；C2为折射波在介质中的速度。
改变人射角，可以使折射角β刚好为90°，此时的人射角称为临界人射角，且；当时，则只产生反射波。
(3)、透射率和反射率：
透射率：超声波从一种介质垂直入射到另一种介质时，透射声压与入射声压之比称为透射率；
反射率：反射声压与入射声压之比称为反射率。
超声波的透射率和反射率的大小取决于两种介质的密度：当从密度小的介质入射到密度大的介质时，透射率较大，反射率也较大。当从密度大的介质入射到密度小的介质时透射率和反射率较小。
例如：超声波从水中入射到钢中时，透射率高达93.5%。超声波的这一特性在金属探伤、测厚技术中得到广泛应用。
(4)、超声波在介质中的衰减：
超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，以及介质吸收能量，声强逐渐减弱，即能量逐
渐衰减。
如图11-2所示，超声波进入介质时的强度为，从介质出来之后的强度为，它们之间有如下关系： (11-3)
式中：A为吸收系数；δ为介质的厚度。

图11-2、超声波的衰减示意图
介质中的能量衰减与频率及介质密度有很大关系。
气体的密度最小，因此衰减最快，尤其是在声波的频率较高时衰减更快。因此在空气中采用的超声波频率较低，而在固体和液体中则可用频率较高的超声波。
二、超声波传感器
为了以超声波作为检测手段，我们必须能够产生、发送超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，它由发送传感器和接收传感器两部分组成，在超声波检测中成对使用。
1、发送传感器
发送传感器由发送电源与换能器组成，发送电源是提供高频电流或电压的电源；换能器作用是将电磁振荡能量变换成机械振荡而产生超声波并向空中辐射。
换能器一般有：压电式、磁致伸缩式两种。
(1)、压电式超声波发送传感器
压电式发送传感器根据压电晶体的电致伸缩原理制成。
如图11-3所示，在压电材料切片上施加高频正弦交流电压，使它产生电致伸缩运动，从而产生超声波并向空中辐射。

图11-3、压电式超声波传感器工作原理
常用的压电材料有：石英晶体、压电陶瓷、锆钛酸铅等。
压电材料在高频电压作用下会产生压电晶体振动(伸缩) ，当外加高频电压的频率与压电材料的本身固有频率相等时，压电材料产生共振，此时产生的超声波声强最强。
压电材料的固有频率与压电材料晶体切片的厚度有关：
(11-4)
式中：n：为谐波级数，取1， 2， 3，…；
c：为超声波在压电材料里的传播速度，与压电材料的密度有关。
δ：压电材料晶体切片的厚度。
压电式超声波发送传感器可以产生几十千赫兹到几十兆赫兹的超声波，声强可达几十瓦每平方厘米。
(2)、磁致伸缩式发送传感器
磁致伸缩式发送传感器是根据铁磁物质的磁致伸缩效应原理制成的。

a)矩形 b)窗形
图11-4、磁致伸缩超声波发生器
磁致伸缩效应：磁致伸缩效应是指铁磁性物质在交变的磁场中，在顺着磁场方向产生伸缩的现象。
磁致伸缩超声波发送器把铁磁材料置于交变磁场中，使它产生机械尺寸的交替变化，即产生机械振动，从而产生超声波。
磁致伸缩超声波发送器是用厚度为0.1～0.4mm的镍片叠加而成的，片间绝缘以减少涡流电流损失。也可采用铁钴钒合金等材料制作。
其结构形状有矩形、窗形等，如图11-4 所示。它的固有频率的表达式与压电式的发送器相同。
磁致伸缩超声波发生器产生的频率只能在几万赫兹以内，但声强可达几千瓦每平方厘米。它与压电式的发送器比较所产生的超声波的频率较低，而强度则大许多。
2、接收传感器
接收传感器由换能器与放大电路组成。
超声波接收器是利用超声波发生器的逆变效应进行工作的。
换能器接收超声波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出。
接收传感器有：压电式、磁致伸缩式两种。
(1)、压电式超声波接收器
当超声波作用到电晶体片上时，使晶片伸缩，则在晶片的两个界面上产生交变电荷，这种电荷先被转换成电压，经过放大后送到测量电路，最后记录或显示出结果。
实际使用中，发送传感器的压电陶瓷也可以用做接收器传感器的压电陶瓷。
(2)、磁致伸缩超声波接收器
当超声波作用到磁致伸缩材料上时，使磁致材料伸缩引起内部磁场变化，根据电磁感应，磁致伸缩材料上所绕的线圈获得感应电动势，再将此感应电动势送到测量电路及记录显示设备。
三、超声波在自动检测中的应用
超声检测和探伤的方法很多，在实际工作中比较常见的有如下几种：
1、超声波探伤
超声波探伤是无损探伤技术中的一种主要检测手段。它主要用于检测板材、锻件和焊接缝等材料中缺陷，也可以测量材料的厚度。
其测量方法很多，一般常用的有以下两种方法。
(1)、穿透法探伤
穿透法探伤是根据超声波穿透工件后的能量变化情况，来判别工件内部质量的方法。
穿透法有一个发射探头和一个接收探头，分别置于被测工件的两边，工作原理如图11-5所示。

图11-5、穿透法探伤示意图
工作时，如果工件内部有缺陷，则有一部分超声波在缺陷处即被反射，其余部分到达工件的底部被接收探头接收。因此到达接收探头的能量有一部分损失，接收到的能量变小；
如果工件内部没有缺陷，超声波都能到达接收探头，因此接收探头接收到的能量较大。这样就可以检测工件的质量。
(2)、反射法探伤
反射法探伤是根据超声波在工件中反射情况的不同，来探测缺陷的一种方法。
图11-6为反射法探伤的示意图。
反射法探伤也有两个探头，这两个探头做在一起，一个发射超声波，另一个接收超声波。
工作时探头放在被测工件上，并在工件上来回移动进行检测。
发射探头发出超声波并以一定速度向工件内部传播，如果工件没有缺陷，则超声波传到工件底部才反射回来形成一个反射波，被接收探头接收，一般称为底波B，显示在屏幕上；
如果工件有缺陷，则一部分超声波在遇到缺陷时反射回来，形成缺陷波F，其余的传到底部反射回来，显示到屏幕上，则屏幕上出现缺陷波F和底波B两种反射波形，以及发射波T波形。可以通过缺陷波在屏幕上的位置来确定缺陷在工件中的位置。

图11-6、反射法探伤示意图
2、超声波测量厚度
超声波测量厚度的方法很多，最常用的方法是利用超声波脉冲反射法进行厚度测量。
图11-7为超声波测量厚度的示意图，双晶直探头左边的压电晶片发射超声波，该超声波进入工件到达底部，然后反射回来，被右边的压电晶片接收，经过放大，显示出来，记录发射波与接收波的时间间隔t，工件的厚度δ可用下式测出：
(11-5)
由式( 11-5)可知，只要测量出超声波脉冲通过工件的时间t，经过信号处理电路就可以直接读出工件的厚度δ。

图11-7、超声波测厚示意图
3、超声波测量液位
超声波测量液位是利用回声原理进行的，如图11-8所示，在液位上方安装空气传导型超声发射器和接收器。根据式(11-5) ，只要测量出发射波和接收波之间的时间间隔，就可以测出探头到液面的距离，如果液面晃动，就会由于反射波散射而造成接收困难，此时可用直管将超声传播路径限制在一定范围内进行测量。
超声波传感器的应用场合非常多，比如超声波传感器应用于汽车倒车防碰及车速测量等。

图11-8、超声波测量液位示意图
第二节、红外传感器
红外传感器是利用物体产生红外辐射的特性来实现自动检测的一种传感器；红外测量技术是发展检测技术、遥感技术和空间科学的重要手段。
红外辐射又称为红外光，是热辐射的一种形式。
红外光是一种电磁波，其波长范围在0.76～1000µm之间。
红外线在电磁波谱中的位置如图11-9所示。
从电磁波谱中可知，红外辐射是波长位于可见光和微波之间的一种不可见光。
工程上又把红外线所占据的波段分为四部分即：近红外、中红外、远红外和极远红外。
近红外线的波长大致在0.76～3µm；中红外线的波长大致在3～6µm；
远红外线的波长大致在6～14µm； 极远红外线的波长大致在14µm以上。
在实际应用时，随着应用场合的不同，所用红外辐射的波长也不同。

图11-9、电磁波谱
一、红外辐射的产生和性质
自然界中任何物体，只要其本身温度高于绝对零度( -273. 160C ) ，就会不断地辐射红外线。
常温下所有物体均是红外辐射源，而且物体温度越高，辐射功率就越大。
与所有电磁波一样，红外辐射也具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。
红外线在介质中传播时，由于介质的吸收和散射作用而被衰减。
红外辐射在介质中传播时的输入与输出能量之间有如下关系：
（11-6）
式中： I：为穿过厚度为δ的介质时输出的通量； I0：为入射到介质时的通量；
K：为吸收系数，与介质性质有关； δ：为介质的厚度
金属对红外辐射的衰减最大，气体的衰减次之，液体对红外辐射的衰减最小。
各种气体和液体对于不同波长红外辐射的吸收是有选择的，亦即不同的气体或液体只能吸收某一波长 或几个波长范围的红外辐射能。这是利用红外辐射进行成分分析的依据之一。
二、红外传感器
红外传感器又称为红外探测器，它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的，是一种将红外辐射转换成电量的传感器。
红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成。
红外探测器的种类很多，按工作原理的不同分为：热电红外传感器、光电红外传感器两大类。
1、热电红外传感器
热电红外传感器是利用红外辐射的热效应原理工作的。
热电红外传感器主要采用一种高热电系数的热敏材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸鲤、硫酸三甘钛等制成探测元件。
探测元件探测并吸收红外辐射使得自身温度升高进而使有关物理参数(如阻值)发生相应变化，然后通过测量电路测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。
由于热敏材料的热效应需要一定的平衡时间，因此其响应速度较低，响应时间较长。但热探测器的主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在常温下工作，使用方便，应用相当广泛。
热电探测器主要有四类：热释电型、热敏电阻型、热电阻型、气体型。
热释电型探测器是20世纪80年代发展起来的一种新型高灵敏度的热电探测器，它是利用某些材料的热释电效应来探测红外辐射能量的器件。
热释电效应：热释电效应是指某些晶体受热时，其两端会产生数量相等而符号相反的电荷，这是一种热变化产生的电极化现象。
由于热释电信号正比于器件温升的时间变化率，而不像通常的热敏探测元件有个热平衡过程，所以其响应速度比其他热敏探测器快得多。与其他热敏探测器相比，它不仅探测率高，而且频率响应范围最宽，既可工作于低频区，也可工作于高频区。
目前，灵敏度最高也是最常用的热释电红外敏感材料是TGS (硫酸三甘钛)系列水溶性晶体。这种材料特别适用于低功率探测，其缺点是脆弱、居里温度低、易于极化、不能经受较高的辐射功率。
2、光电红外传感器
光电红外传感器是利用红外辐射的光电效应原理工作的。
光电红外传感器是采用一种光电元件，如电真空器件(光电管、光电倍增管) ，也可以是半导体器件，当人射辐射波的频率大于某一特定频率时，人射辐射波的光子能量被光电元件吸收，从而改变光电元件电子的能量状态，使得其电特性发生改变，经测量电路转变成微弱的电压信号，放大后向外输出。
光电红外传感器有内光电和外光电红外传感器两种；
内光电红外传感器又分为光电导、光生伏特、光磁电红外传感器等三种。
光电红外传感器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。
光电红外传感器是由：光学系统、敏感元件、前置放大器和调制器等组成。
按光学系统的结构可分为：透射式、反射式两种。
(1)、透射式红外传感器
透射式红外传感器是采用多面组合在一起的透镜将红外辐射聚焦在红外敏感元件上。
图11-10为透射式红外传感器的光学系统。其光学系统的元件采用红外光学材料，并且根据所探测的红外波长来选择光学材料。
在近红外区，可用一般的光学玻璃和石英等材料；
在中红外区，可用氟化镁、氧化镁等材料；
在远红外区，可用锗、硅等材料。
由于获得透射式光学材料比较困难，人们还研制了反射式红外传感器。

图11-10、透射式红外传感器的光学系统
(2)、反射式红外传感器
反射式红外传感器是采用凹面玻璃反射镜，将红外辐射聚焦到敏感元件上。
其光学系统的结构示意图如图11-11所示。
反射式的光学系统元件表面镀金、铝或镍镉等对红外波段反射率较高的材料，其材料比较好找，但制造工艺较复杂。

图11-11、反射式红外传感器的两种光学系统
三、红外传感器的应用
1、红外测温仪
红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。
当物体的温度低于1000℃时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外传感器检测
其温度。如采用可以分离出所需波段的滤光片，可使红外测温仪工作在任意红外波段。
红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。
图11-12是一个透射式的红外测温仪框图。它是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统；图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许8～14µm的红外辐射能通
过的材料。
步进电动机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成断续型的红外辐射线。被测物体的红外辐射通过透镜聚焦在红外传感器上，红外传感器将红外辐射变换为电信号输出。
红外传感器一般为钽酸鲤热释电传感器，透镜的焦点落在其光敏元件上。
温度传感器用来监测环境温度以便进行温度补偿。
红外测温仪的电路比较复杂，包括前置放大、选频放大、温度补偿、线性化、反射率调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温器，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。

图11-12、红外侧祖仪框图
2、红外气体分析仪
红外气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性吸收的特性来对气体成分进行分析的。
许多气体在红外波段都有吸收带，而且因气体不同，吸收带所在的波长和吸收的强弱也不相同；
例如：CO气体对波长为4.65µm附近的红外线具有很强的吸收能力；CO2气体则发生在2.78µm和4.26µm附近以及波长大于13µm的范围对红外线有较强的吸收能力。
如果要分析CO气体，则可以利用4.65µm附近的吸收波段进行分析。
图11-13是某红外气体分析仪的结构原理图。

图11-13某红外线气体分析仪的结构原理图
该分析仪由红外线辐射光源、气室、红外传感器及信号处理电路等部分组成。
红外光源中的镍镉丝通电加热产生3～10µm的红外线，经过由同步电动机带动的切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线，分别通过测量侧气路和标准侧气路，以便于红外线检测器信号的检测。
图中在测量侧和标准侧各设置了一个封锁干扰气体的滤波气室，其目的是为了消除干扰气体对测量结果的影响。它能消除与被测气体吸收红外线波段有部分重叠的气体对分析所带来的影响。
测量气室中通入被分析气体(如分析它的CO气体的含量) ，标准气室中通人不吸收红外线的气体(如N2 等)。红外传感器是薄膜电容型。它有两个吸收气室，充以被测气体，当它吸收了红外辐射能量后，气体温度升高，导致室内压力增大，如果电容器可动电极两边的压力不相等，它的电容量将发生变化。
工作时，两束红外线经反射、切光后，滤掉干扰气体的影响(只允许波长4.65µm 附近的红外辐射通过) ，从图11-13中的滤波气室出来的红外线的波段正好处于CO气体的吸收带。分别射入测量气室和标准气室，由于测量气室中含有一定量的CO气体，该气体对4.65µm的红外辐射有较强的吸收能力，而标准气室中气体不吸收红外辐射，这样射人红外传感器的两个吸收气室的红外辐射存在能量差异，从而使两吸收室压力不同，测量边的压力减小，于是电容器的可动电极(薄膜)偏向固定电极片方向，改变了薄膜电容两电极间的距离，也就改变了电容C。如被测气体的浓度越大，两束光强的差值也越大，则电容的变化量也越大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。
由于CO2气体对应的红外线吸收波段的能量全部被滤波气室吸收，因此左右两边吸收气室的红外能量之差只与被测气体CO的浓度呈现一定的函数关系，再经放大、信号转换电路处理后，推动指示装置显示出气体成分的测量值。
3、红外无损探伤
红外无损探伤是20世纪60年代以后发展起来的新技术。它是通过测量热流或热量来鉴定金属或非金属材料质量的。
其原理是：当内部存在缺陷的工件均匀受热而温度升高时，由于缺陷的存在将使热流的流动受到阻碍，从而在工件的相应部位上出现温度异常现象。
对于某些采用超声波、涡流等方法无法探测的局部缺陷，用红外元损探伤可取得良好的效果。因此红外元损探伤的应用范围比较广泛，可以进行金属、陶器、塑料、橡胶等各种材料中的裂缝、异物、孔洞、气泡等各种缺陷的探伤。
红外无损探伤分：主动式、被动式两类。
主动式是人为地在被测物体上注入(或移出) 固定热量，探测物体表面热量或热流变化规律，并以此来判断材料的质量。
被动式则是用物体自身的热辐射作为辐射源，探测其辐射的强弱或分布情况，判断材料内部有元缺陷。

图11-14、包装袋封口质量的红外检测示意图
图11-14为某包装袋封口质量的红外检测示意图。
该系统由加热源、传送带、红外传感 器和信号处理显示电路四部分组成。
工作时，传送带把包装袋的封口送往热源和红外传感器之间，传送带匀速前进，热源对封口均匀加热并使其封合，如果塑料袋封口中夹杂气泡、小颗粒、油腻、空隙起皱等缺陷时，都会妨碍热能的流动而引起温度分布的异常现象。通过温度分布的测量就可判断出缺陷的位置。
第三节、激光传感器
激光器的品种已达数百种，激光波长可包括了可见光、近红外、红外、直至远红外的整个光谱波段范围。
激光传感器可将输入它的一定形式的能量(光能、热能等) ，转换成一定波长的光的形式发射出来。
一、激光的本质
根据量子理论，物质中的原子都是处在一些不连续的分离的能级上的。
在正常状态下，绝大多数物质中的原子处于靠近原子核的最低能级，称此时的原子处于基态。处于基态的原子在不受外界激发的情况下是比较稳定的。
自发辐射：
1）、当原子受到光的照射或高能粒子的碰撞等外界因素的激发时，原子吸收了一定的能量而从低能级跃迁到高能级，从而使原子处于激发态，原子的这种能态变化过程称为激发。
2）、处于激发态的原子是不稳定的，即激发态的时间非常短。即使没有任何外界影响，物质中处于高能级的原子很快自发地跃迁到较低能级，同时辐射出光子。
3）、原子的这种自发跃迁而产生发光的过程叫做原子的自发辐射，如图11-15a所。
4）、在自发辐射的情况下，各个原子在辐射光子时，从哪个高能级向哪个低能级跃迁以及它们辐射光子的方向等都具有偶然性。因此自发辐射情况下的发光为一系列不同频率的光的组合。

a)、自发辐射 b)、受激辐射
图11-15、自发辐射与受激辐射过程
受激辐射：
1）、在外界因素的诱发下，处在激发态的原子也可以跃迁到低能级而发光，这种发光过程称为受激辐射，如图11-15b所示。
2）、并非任何外来光子都能引起受激辐射。
只有当外来光子的频率大于或等于激发态原子的某一固有频率，才能引起受激辐射。
3）、设原子的两个能级为E1和E2，并且。则根据能量守恒定律，辐射光子的能量为：
( 11-7)
式中：h：为普朗克常数，；ν：为辐射光子的频率。
4）、在受激辐射过程中，辐射光子与最初引起受激辐射的外来光子有完全相同的频率、相位和振动方向，也可以说是一个光子被放大为两个光子，如图11-16a所示，这种光称为相干光。
5）、如果这些光子再引起其他原子发生受激辐射，那么这些原子所引起的辐射光子在频率、相位和振动方向上也与外来光子完全相同，从而产生激光。
6）、并非任何受激辐射都能产生激光。
能量为的光子在介质中传播时，也可能被处于低能级E1的原子吸收，而使得该原子跃迁到高能级E2上。在这种情况下，外来光子将减少，如图11-16b所示。
光的放大和吸收是同时进行的，至于最终光是放大还是减小，取决于哪一种运动更激烈。

a)、光的放大 b)、光的吸收
图11-16、光子的放大与吸收示意图
二、激光的形成原理
要想得到大量的受激辐射光，就必须具备粒子数反转分布和光的振荡两个条件。
1、粒子数反转分布
由前面的讲述知道，要想获得光的放大，必须使得光的放大运动更激烈。
物质内部粒子数与能量分布方程为：
(11-8 )
式中：N1和N2分别为E1和E2能级的粒子数；
T为绝对温度； k为波尔兹曼常数。
式(11-8 )说明：对应的任意值，只要，就有，即处于低能级上的粒子数大于处于高能级的粒子数。此时光的吸收是主要的。
若在一定温度()下，能够造成物质内部的一种反常分布状态，则光的放大是主要的。
物质内部的一种反常分布状态即物质内部处于高能级的粒子数N2超过处于低能级的粒子数N1。
物质的这种反常分布状态叫做粒子数反转分布。
能够形成粒子数反转分布的工作物质称为工作介质。
要实现粒子数反转分布，就必须借助外界能量(如光照射或气体放电等)，使工作介质内大量处于低能级(用黑点表示)的粒子跃迁到相应的高能级(用白点表示)。
图11-17a为正常状态下物质内部粒子数的分布；
图11-17b为外界激发状态下物质内部粒子数的分布。

a)、正常状态 b)、激发状态
图11-17、物质内部粒子数的分布
2、光的振荡放大
由外界激发引起粒子数反转分布而形成的光的放大，能够产生大量的光子。这些光子是射向各个方向的，而且大部分射向工作介质之外后消失，受激辐射也将无法持续下去。
为了获得持续发射的激光，最简单的办法是在工作介质的两端安装两面相互平行的平面反射镜。其中一块为全反射镜，另一块为部分反射镜(反射率必须大于某一值)，这两个反射镜构成一个光学共振腔(谐振腔)。
安装时必须保证反射镜的中心与工作介质的轴线相吻合。
当工作介质受到外界激发时，受激辐射光子在两个反射镜之间作一定次数的往返运动。
在谐振腔中，沿介质轴线方向运动的光子，遇到全反射镜后，几乎全部被反射回工作介质，继续撞击处于激发态的粒子，再次形成受激辐射而使光进一步放大；当遇到部分反射镜时，大部分光子被反射回工作介质，一小部分光子透过部分反射镜被输出。这样经过几十次、几百次往返运动，直到能获得单方向能量非常集中的激光，沿轴向透过部分反射镜输出为止，如图11-18所示。

图11-18 、光振荡器的工作过程
光子在两反射镜间往返运动，不断地碰撞处于激发态的粒子，使得受激辐射一次又一次的加强，如同提供了“正反馈”作用；
激光在谐振腔内往返放大的过程称为光的振荡放大。
由此可见：激光是受激辐射和谐振腔共同作用的结果，而粒子数反转分布则是形成激光的必要前提条件。
三、激光的特点
1、方向性强
激光光束的发散角很小，在几公里以外的光斑直径可以小于几厘米，因此一般认为激光是平行光。
2、单色性好
激光的频带宽度很窄，是最好的单色光。单色光是指频谱很窄的光波。
例如：在普通光源中，单色性最好的光源是氟()灯发出的光。其中心波长λ= 605.7nm，其谱线宽度；
而普通氦氛激光器发出的激光的中心波长λ=632.8nm，其谱线宽度。从上面的数字可以看出，激光的谱线单纯，波长变化范围很小，因此单色性非常好。
3、相干性好
相干性是指两束光在相遇区域归相互叠加后，能形成比较稳定的干涉条纹所表现的性质。
相干性有时间相干性和空间相干性两种。
时间相干性：时间相干性是指同一光源在不同时刻发出的光束，经过不同路程相遇可以产生的干涉现象。
空间相干性：空间相干性是指同一光源发出的光，在一定大小的空间区域内相遇并产生的干涉现象。
由于激光的传播方向、频率和相位完全相同，因此激光的时间相干性和空间相干性都很好。
四、激光传感器
激光传感器的种类很多，按其工作物质可分为气体、液体、固体和半导体激光器。
下面介绍几种常用的激光传感器。
1、气体激光器
气体激光器的工作物质是气体，已开发了各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。
常用的有：CO2激光器、氦氖激光器、CO激光器等。
气体激光器通常是利用激光管中的气体放电现象来工作的。
光学共振腔一般由一个平面镜和一个球面镜构成，球面的半径要比腔长大一些，如图11-19所示。

图11-19平凹腔
氮氖激光器是应用最广泛的气体激光器。
氮氖激光器的结构形式如图11-20所示，它有内腔式 (图11-20a)和外腔式(图11-20b)两种。

a)内腔式 b)外腔式
图11-20氮氛激光器结构示意图
共振腔长与激光波长λ要满足下式 ： ( 11-9)
式中：N为任意整数；λ：激光波长；：共振腔长；
氮氖激光器的发光原理：在激光管内充有一定容量的氮氖混合比的气体，形成低压放电管。在阳极与阴极之间加几千伏电压，使之放电，产生大量的、动能很高的自由电子发生受激辐射。
氮氖激光器的能量较小，转换效率较低，一般输出功率为毫瓦级。但它的体积较小，能连续工作，单色性好。
2、液体激光器
液体激光器的工作物质是液体；
液体激光器可分为：有机液体染料激光器、无机液体染料、聚合物激光器等。
较为重要的是：有机液体染料激光器。
有机液体染料激光器其特点是它发出的激光波长可在一定的波段内连续可调。可连续工作而不降低效率。
3、固体激光器
固体激光器的工作物质是固体，目前，输出功率可达几十兆瓦。
固体激光器的种类很多，但其结构大致相同。
图11-21为固体激光器的一般结构示意图。

图11-21、固体激光器的一般结构示意图
常用的固体激光器有：红宝石激光器、掺铷的钇铝石榴石激光器(简称YAG激光器)、铷玻璃激光器等。
红宝石激光器是世界上第一台成功运转的激光器，但在常温下，它只能脉冲运转，且转换效率较低。
固体激光器的常用激励方式为：光激励(俗称光泵)。
光激励就是用强光去照射工作物质，使它激发起来，从而发出激光。
为了有效地利用各种光泵源(俗称泵灯)的光能，常采用各种聚光腔，如图11-22所示。在共振腔内壁镀上高反射率的金属薄层，使泵灯发出的光能集中照射在工作物质上。

图11-22、各种常用的聚光腔
4、半导体激光器
半导体激光器是在固体和气体激光器之后发展起来的一种激光器。
半导体激光器它的工作物质是某些性能适合的半导体材料，如砷化嫁、磷化锢等。
砷化嫁激光器最具有代表性，常常把它做成二极管，如图11-23所示。
砷化嫁激光器其主要部分是一个PN结，我们都知道PN结中有“导带”和“价带”，如果把能量集中在“价带”，则“价带”中的电子就被激发到能量较高的“导带”，即形成了粒子数在能级上的反转分布，这是激光产生的首要条件。如果加适当大的电流(称为电流激励，俗称流泵)时，就可以在导带形成相当可观的光子溢出，最后通过共振腔输出一定频率的激光。
砷化钾激光器的共振腔，它是利用这种晶体的两个自然解理面而形成的。它们本身十分光滑，而且彼此平行，无需再外加反射镜，如图11-23所示。

图11-23、砷化钾激光器
半导体激光器本身只有针孔那么大，长度还不到1mm，因此它的重量非常轻，结构紧凑，使用起来非常方便。它的转换效率很高，但它也有一些缺点，如激光的方向性比较差，输出功率比较小，受环境温度影响比较大等。
半导体激光器广泛应用于飞机、军舰、坦克、火炮上瞄准、测距等方面
四、激光的应用
激光技术有着非常广泛的应用，如激光精密机械加工、激光通信、激光音响、激光影视、激光武器和激光检测等。
激光检测具有测量精度高、范围大、检测时间短及非接触式测量等优点，主要用来测量长度、位移、速度、振动等参数。
激光具有能量集中，方向性、单色性好电极以及相干'性强的特点。
激光传感器按照工作原理不同可以分为三类：
激光干涉传感器、 激光衍射传感器、激光扫描传感器。其中激光干涉传感器的应用最为广泛。
1、激光干涉位移传感器
激光干涉位移传感器测长度的基本原理就是光的干涉原理。
由物理学可知，频率相同、相位相关的两束光具有相干性，也就是说，当它们互相交叠时，会出现光的增强或减弱的现象，产生干涉条纹，利用光的干涉条纹随着被测长度的变化而变化的原理可实现长度测量。
在实际应用中，最广泛使用的就是迈克尔逊干涉仪，图11-24所示为迈克尔逊干涉仪原理图。
迈克尔逊干涉仪测量原理：
激光器的光经分光镜后分成两路：一路反射到固定反射镜，另一路透射到可动反射镜，固定反射镜反射的激光束透过分光镜，可动反射镜反射的激光束经分光镜反射，这两路激光束在观测屏处相遇而产生干涉。
当可动反射镜沿光轴方向每移动半个光波波长时，干涉条纹亮暗变化一次，经光电倍增管放大后，计数得到干涉条纹数。

可动反射镜的移动位移x与干涉条纹数N之间的关系为：
(11-10)
式中：λ0为真空中光波波长；n为空气折射率；N干涉条纹数；
这种激光干涉传感器操作简单、携带方便、工作可靠，尤其是测量精度、分辨率高；
测量1m长度，精度可达10-7～10-8量级，量程可达几十米。
迈克尔逊干涉仪不仅能够测量位移，而且可以测量运动速度，因此应用非常广泛。

图11-24、迈克尔逊干涉仪原理图
2、激光测距
激光测距是激光测量中一个很重要的方面。如飞机测量其前方目标的距离、激光潜艇定位等。
激光测距的原理为：
首先测量激光射向目标，而后又经目标反射到激光器，测出激光往返一次所需的时间间隔，则探测器到目标距离为： （11-11）
时间间隔可用精密时间间隔测量仪测量。目前，国产的时间间隔测量仪的单次分辨率达到±20ps。
由于激光方向性强、功率大、单色性好，对于测量远距离、判别目标方位、提高接收系统的信噪比和保证测量的精度等都起着重要的作用。
激光测距的精度主要取决于时间间隔测量的精度和激光的散射。
例如：d = 1500km，激光往返一次所需的时间间隔为l0ms±1ns，±1ns为测时误差。
若忽略激光散射，则测距误差为±15cm；
若测时误差为±0.1ns，则测距误差可达±1.5cm。
若采用无线电波测量，其误差比激光测距误差大得多。在激光测距的基础上，发展了激光雷达。
3、激光测速
激光测速是利用光的多普勒效应。
多普勒效应：是指当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射(或反射)光的频率将发生改变
的现象。
将散射(或反射)光的频率与光源光频率的差值称为多普勒频移。根据多普勒频移可测量运动物体速度、流体流速等。
图11-25为激光测速的原理图，当运动体相对于激光光源S有相对运动时，由于运动体的运动速度而引起光波频率偏移，此时多普勒频移： ( 11-12)
式中：v：为运动体的运动速度； λ：为光源光波波长；
θ：为物体运动速度方向与激光传播方向的夹角。
由式(11-12)可知，只要能测得多普勒频移则可求得物体运动速度v。

图11-25、激光测速原理图
激光测速是一种非接触测量，对被测物体无任何干扰。
在实现自动测量时，一般采用多普勒信号处理器接受来自光电接收器的电信号，从中取出速度信息，把这些信息传输给计算机进行分析和显示。
测量流速所用的仪器称为激光多普勒流速计，它可以测量火箭燃料的流速，飞行器喷射气流的速度，风洞气流速度以及化学反应中粒子的大小及汇聚速度等。
激光多普勒流速计的原理如图11-26所示。

1、激光器；2、聚焦透镜；3、流体中的运动粒子；4、管道；
5、6、接收透镜； 7、平面镜；8、分光镜；9、光电倍增管
图11-26激光多普勒流速计原理
流速计主要包括光学系统和多普勒信号处理两大部分。
由激光器1发射出的单色平行光，经透镜2聚焦到被测流体内。由于流体