内容介绍

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。

主控板卡：基于RP2040的带屏调试助手

以下是主程序中对于激光传感器数据的获取代码示例：

import uos
import test.st7789 as st7789
from test.fonts import vga2_8x8 as font1
from test.fonts import vga1_16x32 as font2
import random
import framebuf
from machine import Pin, SPI, ADC,PWM,I2C,freq
import time, math,array
from utime import sleep_ms
import struct
import vl6180x
freq(180_000_000)

st7789_res = 0
st7789_dc  = 1
disp_width = 240
disp_height = 240
CENTER_Y = int(disp_width/2)
CENTER_X = int(disp_height/2)
spi_sck=Pin(2)
spi_tx=Pin(3)
spi0=SPI(0,baudrate=60_000_000, phase=1, polarity=1, sck=spi_sck, mosi=spi_tx)

display = st7789.ST7789(spi0, disp_width, disp_width,
                          reset=machine.Pin(st7789_res, machine.Pin.OUT),
                          dc=machine.Pin(st7789_dc, machine.Pin.OUT),
                          xstart=0, ystart=0, rotation=0)
display.fill(st7789.BLACK)


buttonM = Pin(5,Pin.IN, Pin.PULL_UP) #B
buttonS = Pin(6,Pin.IN, Pin.PULL_UP) #A
buttonL = Pin(7,Pin.IN, Pin.PULL_UP) #A
buttonPRESS = Pin(8,Pin.IN, Pin.PULL_UP) #A
buttonR = Pin(9,Pin.IN, Pin.PULL_UP) #A

i2c = I2C(0, scl=Pin(21), sda=Pin(20))

TOF=vl6180x.Sensor(i2c)
TOF.init()
TOF.default_settings()


def light_dot(x,y,color):
   display.pixel(x,y,color)

def draw_circle(x,y,r,color,fill=0):
   '''
   绘制圆形
   :param x,y  圆心坐标
   :param r  圆心半径
   :param fill 0 不填充  1 填充
   '''
   angleList = [0.0, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7, 0.75, 0.7853981633974483, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95, 1.0, 1.05, 1.1, 1.15, 1.2, 1.25, 1.3, 1.35, 1.4, 1.45, 1.5, 1.55, 1.5707963267948966, 1.6, 1.65, 1.7, 1.75, 1.8, 1.85, 1.9, 1.95, 2.0, 2.05, 2.1, 2.15, 2.2, 2.25, 2.3, 2.35, 2.356194490192345, 2.4, 2.45, 2.5, 2.55, 2.6, 2.65, 2.7, 2.75, 2.8, 2.85, 2.9, 2.95, 3.0, 3.05, 3.1, 3.141592653589793, 3.15, 3.2, 3.25, 3.3, 3.35, 3.4, 3.45, 3.5, 3.55, 3.6, 3.65, 3.7, 3.75, 3.8, 3.85, 3.9, 3.9269908169872414, 3.95, 4.0, 4.05, 4.1, 4.15, 4.2, 4.25, 4.3, 4.35, 4.4, 4.45, 4.5, 4.55, 4.6, 4.65, 4.7, 4.71238898038469, 4.75, 4.8, 4.85, 4.9, 4.95, 5.0, 5.05, 5.1, 5.15, 5.2, 5.25, 5.3, 5.35, 5.4, 5.45, 5.497787143782138, 5.5, 5.55, 5.6, 5.65, 5.7, 5.75, 5.8, 5.85, 5.9, 5.95, 6.0, 6.05, 6.1, 6.15, 6.2, 6.25, 6.283185307179586];
   for i in angleList:
     light_dot(x+round(math.sin(i)*r),y+round(math.cos(i)*r),color)
   if fill:
     powR = math.pow(r,2)
     for xx in range(x-r,x+r):
       for yy in range(y-r,y+r):
         if ( (math.pow(xx-x,2)+math.pow(yy-y,2)) < powR):
           light_dot(xx,yy,color)

current_r = 0
turn = 0
while True :
    print(TOF.range())
    turn += 1
    if TOF.range() <200 :
        current_r = TOF.range() 
    for i in range (current_r,current_r+3) :
        draw_circle(120,120,i,st7789.BLUE+0x10*current_r*turn,fill=0)
    if turn == 50 :
        turn = 0