电磁波、激光、雷达和超声波测距有什么区别和联系?

做工业自动化,经常会碰到各种激光传感器、雷达测距、超声波测距等元器件,其实激光和雷达都属于电磁波,而超声波是一种频率高于20000Hz(赫兹)的声波,与激光和雷达完全不同。

1 什么是电磁波?

电磁波是由同向且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波,是以波动的形式传播的电磁场,具有波粒二象性。电磁波在真空中速率固定,速度为光速

激光、雷达和超声波测距有什么区别和联系?

电磁波是能量的一种,凡是高于绝对零度的物体,都会释出电磁波,且温度越高,放出的电磁波波长就越短,总之电磁波就在我们身边。

整个电磁频谱,包含从电波到宇宙射线的各种波、光、和射线的集合。不同频段分别命名为无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线和宇宙射线。

激光、雷达和超声波测距有什么区别和联系?

1.1 电磁波谱可大致分为

1)无线电波——波长从几千米到0.3米左右,一般的电视和无线电广播的波段就是用这种波;

2)微波——波长从0.3米到10^-3米,这些波多用在雷达或其它通讯系统;

3)红外线——波长从10^-3米到7.8×10^-7米;

4)可见光——这是人们所能感光的极狭窄的一个波段。波长从780—380nm。光是原子或分子内的电子运动状态改变时所发出的电磁波,由于它是我们能够直接感受而察觉的电磁波极少的那一部分。

5)紫外线——波长从3 ×10^-7米到6×10^-10米。这些波产生的原因和光波类似,常常在放电时发出。由于它的能量和一般化学反应所牵涉的能量大小相当,因此紫外光的化学效应最强;

6)伦琴射线(X射线)—— 这部分电磁波谱,波长从2×10^-9米到6×10^-12米。伦琴射线(X射线)是电原子的内层电子由一个能态跳至另一个能态时或电子在原子核电场内减速时所发出的;

7)伽马射线——是波长从10^-10~10^-14米的电磁波。这种不可见的电磁波是从原子核内发出来的,放射性物质或原子核反应中常有这种辐射伴随着发出。γ射线的穿透力很强,对生物的破坏力很大。

激光是一种特殊的光,有光的特性,只不过比普通光颜色更纯,能量更大一些。激光的波长和普通光的波长一样,从红外线到紫外线,都有激光的存在。

不同激光的波长:

  1. 波长(纳米)氩氟激光(紫外光)193;
  2. 氪氟激光(紫外光)248
  3. 氙氯激光(紫外光)308
  4. 氮激光(紫外光)337
  5. 氩激光(蓝光)488
  6. 氩激光(绿光)514
  7. 氦氖激光(绿光)543
  8. 氦氖激光(红光)633
  9. 罗丹明6G染料(可调光)570-650
  10. 红宝石(CrAlO3)(红光)694
  11. 钕-钇铝石榴石(近红外光)1064

从上面的分类中可以看出,雷达属于微波,激光分布在可见光及两侧附近区域内。

1.2 激光测距原理

检测原理中采用TOF( Time of Flight ),是以脉冲发射的激光到达物体并返回的这段时间,并根据光速计算出距离。

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1.3 雷达测距原理

发射机在定时器控制下,产生高频大功率的脉冲串,通过收发开关到达定向天线,以电磁波形式向外辐射。在天线控制设备的控制下,天线波束按照指定方向在空间扫描,当电磁波照射到目标上,二次散射电磁波的一部分到达雷达天线,经收发开关至接收机,进行放大、混频和检波处理后,送到雷达终端设备,能判断目标的存在、方位、距离、速度等。

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雷达波段划分:

电磁波、激光、雷达和超声波测距有什么区别和联系?

2 什么是超声波

发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。声波借助各种介质向四面八方传播。声波通常是纵波,也有横波,声波所到之处的质点沿着传播方向在平衡位置附近振动,声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。

激光、雷达和超声波测距有什么区别和联系?

超声波是一种频率高于20000Hz的声波,它的方向性好,反射能力强,易于获得较集中的声能,超声波因其频率下限超过人的听觉上限而得名。

超声波在空气中的传播速度为340m/s。

超声波测距原理:

由传感器头发射超声波,并再次通过传感器头接收目标物反射回来的超声波。超声波式传感器可通过测量从发射到接收的“时间”来测量到目标物的距离。

超声波发射装置发出超声波,根据接收器接到超声波时的时间差,乘以声速,求出距离。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即s=340t/2。

激光、雷达和超声波测距有什么区别和联系?

超声波式传感器的 1 个超声波元件可进行发射和接收两种操作。而反射型超声波式传感器的 1 个振动器即可交替进行发射和接收操作,由此可实现传感器的小型化。

3. 总结

激光、雷达属于电磁波,以光速传播,而超声波属于声波,以声速传播。激光、雷达和超声波测距的原理其实都是相似的,采用传播时间和速度,计算出距离。

3.1 激光测距特点

  • 测量结果准确,精度高。
  • 缺点是获取难度大,成本高。

3.2 毫米波雷达测距特点

  • 毫米波雷达采用的是波长1cm以下,频率30GHz以上的高频电磁波,直线传播能力强,几乎不受气象条件影响。
  • 价格较贵,需要放置电磁波干扰,以及雷达之间的相互影响。

3.3超声波测距特点

  • 可检测透明体,使用超声波,即使是玻璃或液位仍可反射回来,因此可进行检测。
  • 抗雾气和脏污,若存在些许灰尘或脏污,则可在不受影响的情况下检测工件。
  • 也可检测复杂形状的检测物体,可稳定检测网状的托盘或弹簧的有无等。
  • 超声波传播速度低,实时响应能力差,误差大。

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