سنسور های لیزری
چکیده:
در این مقاله به بررسی سنسورهای لیزری پرداخته و کاربردهای آن را در رباتیک بررسی خواهیم کرد.
واژه های کلیدی: سنسورهای نوری- سنسورهای لیزری - لیزر در رباتیک
مقدمه:
یک نمونه از سنسورهایی که برای یک ربات میتوان انتخاب کرد سنسورهای لیزری می باشند.این سنسورها نسبت به دیگر سنسورها دارای دقت بالاتری می باشند.اما شاید به علت نبود دانش کافی و کمبود نیروی متخصص در این زمینه در کشور گروه های بسیار کمی از این تکنولوژی در روبات های ساخت خود استفاده می کنند.
در اینجا برای درک بهتر مطلب ابتدا مبحث نور و لیزر را به طور خلاصه مطرح کرده و سپس به کاربردهای آن در زمینه سنسورها و رباتیک می پردازیم. لازم به ذکر است که هنوز راه بسیار زیادی در زمینه تحقیقات و ابتکارات در این زمینه وجود دارد.
لیزر چیست؟
نور چهار مشخصه اصلی دارد :
الف- طول موج (wave length): فاصله بین دو نقطه یکسان موج می باشد که مشخص کننده رنگ موج است. با تعیین رنگ، انرژی و طول موج می توان یک موج را نسبت به دیگر موج ها سنجید. به عنوان مثال طول موج های کوتاه در طیف مرئی در ناحیه بین آبی و فوق بنفش قرار می گیرد در حالیکه رنگ قرمز دارای طول موج های بلندتری می باشد. فاصله بین این قله های موج آن چنان کوچک است که واحد آن را نانومتر (ده به توان منفی نه ) یا میکرون (ده به توان منفی شش ) قرار داده اند.
تشعشع الکترومغناطیسی طیف طولانی از طول موج های بلند رادیویی تا طول موج های کوتاه اشعه ایکس را شامل می شود.
ب- فرکانس (Frequency): فرکانس موج تعداد موج های عبور کرده از یک نقطه در یک فاصله زمانی مشخص می باشد . واحد آن سیکل بر ثانیه یا هرتز Hz می باشد. فرکانس و طول موج به سرعت موج وابسته اند.
طول موج های بلند تر از قبیل نور قرمز در فرکانس های پایین تراز نور آبی قرار دارند ولی فرکانس در کل خیلی بالا است ( ده به توان چهارده هرتز ).
ب - سرعت (Velocity) : سرعت موج تعیین کننده تندی عبور موج از یک محیط مشخص می باشد. به عنوان مثال سرعت عبور نور در خلاء سیصد هزار کیلو متر در ثانیه می باشد. سرعت در محیط هایی مثل شیشه یا آب کاهش می یابد.
ت- دامنه (Amplitude ) : دامنه یا شدت موج با ارتفاع یا بلندی (height ) میدان الکتریکی یا مغناطیسی مشخص میشود.
بر هم کنش نور با ماده (interaction of light with matter )
از آنجا که نور دارای میدان الکتریکی و مغناطیسی می باشد این میدانها با ماده بر هم کنش نشان می دهند . میدان مهم میدان الکتریکی است چون با الکترونهای کوچک که در ترکیبات مواد شرکت دارند بر هم کنش دارد. این الکترونها همصدا وهماهنگ باموج نور وارده نوسان می نمایند و می توانند تأثیر یا تغییر در عبور نور از میان یک ماده به چند طریق انجام دهند.
1- پخش کردن (Scsttering ): موج نور از مسیر اصلی منحرف میشود.
2- انعکاس (Reflection ): موج به داخل محیطی خارج از ماده برمیگردد.
3- انتقال (Transmission ): موج از ماده با کمترین تغییر شدت عبور می نماید.
4- جذب (Absorption ): مهمترین پروسه در خیلی مواقع جذب می باشد که انرژی موج نور در ماده باقی می ماند. مقدار زیادی از انرژی باعث ایجاد حرارت و تغییر در خواص ماده می شود.
(Generation of light) ر تولید نو
چندین فرآیند تعیین کننده طیف نور باعث ایجاد تشعشع الکترومغناطیس می شوند.
طیف تشعشع: طیف نوری که از یک جسم ساطع می شود شامل رنگها یا نوارهای رنگی جدا از هم می باشد.این از طبیعت تولید نور برمیخیزد و نشانه آن است که انرژی نورانی ساطع شده از آن جسمدارای مقداری مشخص میباشد.
انرژی تمام سیستمها کوانتایی می باشد که این انرژی می تواند در بسته های جدا از هم جذب یا آزاد شود.انرژی سیستم پس از آنکه انرژی جذب آن سیستم شود افزایش می یابد و در مرحله بعدی آن انرژی آزاد می شود. مدتی که این انرژی آزاد می شود راندوم یا اتفاقی بوده که نشر خودبخودی نامیده می شود.
انرژی را می توان توسط جریان الکتریکی، نور از منبع خارجی، واکنش شیمیایی یا گونه های دیگربه سیستم وارد نمود. بهر حال مشخص شده است که یک موج وارده که دارای انرژی معینی است می تواتد آزاد شدن موجها را ازسیستم بر انگیخته تحریک کند و باعث آزاد نمودن دو موج شود. به این حالت نشر بر انگیخته می گویند.این موج ها خواص مهمی دارند.
1- همدوس (Coherent ) : موجها به صورت هماهنگ هستند.
2- تک رنگ (Monochromatic ) : موجها دارای رنگ یکسانی هستند.
3- شدت بالا (High Intensity ): اگر ما به مقدار کافی از این نورهای همدوس (Coherent ) تولیدکنیم شدت آن بسیار بالاتر از منابع نور غیر همدوس است.
4- واگرایی کم (Low divergence ) : لیزر را در مقایسه با نور غیر همدوس بوسیله لنزتا قطرهای خیلی کمتری می توان باریک نمود.
5- طبیعت ضربانی (Pulsed nature ) : چون انرژی ورودی را در لیزر می توان کنترل نمود انرژی خروجی نیز به دنبال آن تغییر می یابد. بنا بر این اگر برانگیختگی لیزر با پالسهای کوچک انجام شود لیزر با پالسهای کوچک تولید خواهد شد. این خاصیت خیلی مهم است.
لیزر مخفف عبارت light amplification by stimulated emission of radiation می باشد و به معنای تقویت نور توسط تشعشع تحریک شده است.
اختراع آن به سال 1958 با نشر مقالات علمی در رابطه با مایزر اشعه مادون قرمز و نوری بر می گردد. (مایزر دستگاهیست که با آن انرژی اتم یا ملکول را زیاد می کنند.) نشر مقالات مذکور سبب افزایش تحقیقات علمی توسط دانشمندان در سر تا سر جهان گردید. در بخش ارتباطات نیز مهندسان (کارشناسان) توانایی لیزر را که جایگزین ارسال یا مخابره الکتریکی گردد را تصدیق نمودند اما اینکه چگونه پالسها را مخابره نمایند، مشکلات زیادی را بوجود آورد. در سال 1960 دانشمندان پالس نور را ارسال (مخابره) نمودند سپس از لیزر استفاده کردند. لیزر، نور خیلی زیادی را تولید نمود که بیش از میلیونها بار روشنتر از نور خورشید بود. متاسفانه پرتو لیزر می تواند خیلی تحت تاٌثیر شرایط جوی قرار گیرد مثل بارندگی، مه، ابرهای کم ارتفاع، چیزهای موجود در هوا از قبیل پرندگان. دانشمندان نیز طرحهای جدیدی را جهت حمایت نور از برخورد با موانع را پیشنهاد نمودند.
اولین لیزر جهان توسط تئودور مایمن اختراع گرذید و از یاقوت در آن استفاده شده بود در سال ۱۹۶۲ پرو فسورعلی جوان اولین لیزر گازی را به جهانیان معرفی نمود وبعدها نوع سوم وچهارم لیزرها که لیزرهای مایع ونیمه رسانا بودند اختراع شدند.در سال ۱۹۶۷ فرانسویان توسط اشعه لیزر ایستگاههای زمینی شان دو ماهواره خود را در فضا تعقیب کردند بدین ترتیب لیزر بسیار کار بردی به نظر آمد.
نوری که توسط لیزر گسیل می گردد در یک سو وبسیار پر انرژی و درخشنده است که قدرت نفوذ بالایی نیز دارد بطوریکه در الماس فرو میرود . امروزه استفاده از لیزر در صنعت بعنوان جوش آورنده فلزات و بعنوان چا قوی جراحی بدون درد در پزشکی بسیار متداول است.
لیزرها سه قسمت اصلی دارند:
1- پمپ انرژی یا چشمه انرژی: که ممکن است این پمپ اپتیکی یا شیمیا یی و یاحتی یک لیزر دیگر باشد.
۲- ماده پایه وفعال که نام گذاری لیزر بواسطه ماده فعال صو رت می گیرد.
۳- مشدد کننده اپتیکی : شامل دو آینه بازتابنده کلی و جزئی می باشد.
طرز کار یک لیزر یاقوتی:
پمپ انرژی در این لیزر از نوع اپتیکی میباشد ویک لامپ مارپیچی تخلیه است(flash tube) که بدور کریستال یاقوت مدادی شکلی پیچیده شده(ruby) کریستال یاقوت نا خالص است و ماده فعال ان اکسید برم و ماده پایه آن اکسید آلو مینم است.
بعد از فعال شدن این پمپ انرژی کریستال یا قوت نور باران می شودو بعصی از اتمها رادر اثرجذب القایی-stimulated absorptionبرانگیخته کرده وبه ترازهای بالاتر می برد.
پدیده جذب القایی: اتم برانگیخته = اتم+فوتون
با ادامه تشعشع پمپ تعداد اتمهای برانگیخته بیشتر از اتمهای با انرژی کم میشود به اصطلاح وارونی جمعیت رخ می دهد طبق قانون جذب و صدور انرژی پلانک اتمهای برانگیخته توان نگهداری انرژی زیادتر را نداشته وبه تراز با انرژی کم بر میگردند وانرژی اضافی را به صورت فوتون آزاد می کنند که به این فرایند گسیل خودبخودی گفته می شود.ولی از آنجایی که پمپ اپتیکی مرتب به اتمها فوتون می تاباند. پدیده دیگری زودتر اتفاق می افتد که به آن گسیل القایی-stimulated emission گفته می شود وقتی یک فوتون به اتم برانگیخته بتابد ان را تحریک کرده وزودتر به حالت پایه خود بر می گرداند.
گسیل القایی: اتم+دو فوتون = اتم برانگیخته+ فوتون
این فوتونها دوباره بعضی از اتمها را بر انگیخته میکنند و واکنش زنجیر وار تکرار می شود.
بخشی از نور ها درون کریستال به حرکت در می آیند که توسط مشددهای اپتیکی درون کریستال برگردانده می شوند واین نورها در همان راستای نور اولیه هستد. بتدرج با افزایش شدت نور لحظه ای می رسد که نور لیزر از جفتگر خروجی با روشنایی زیاد بطور مستقیم خارج می شود .
اسحاق نیوتن در سال ۱۶۷۲نظریه ذره ای بودن نور را ارائه داد وی معتقد بود که یک منبع نور ذرات نور را با سرعت ثابت روی خط راست گسیل می کند وهنگامی که این ذرات به شبکیه چشم برخورد نمایند. چشم قادر به دیدن خواهد بود وی برای اثبات نظریه خود ازمایش اتاق تاریک را انجام داد .بعدها انیشتین نیز با ازمایش اثر فتوالکتریک ومعرفی فوتون بعنوان ذرات نور مهر تاییدی بر نظریه ذره ای نیوتن زد.
نظریه موجی نور:کریستیان هویگنس فیزیکدان هلندی ماهیت نور را موجی دانست وپخش وبازتابش نور وشکست نور را نشانه موجی بودن نور می دانست.سپس توماس یانگ با استفاده آزمایش پراش نور در شکاف مضاعف توانست طول موج نور را اندازه گیری نمایدوبین ترتیب ماهیت موجی نور نیز اثبات گردید.
جنس امواج نور
امواج نور از نوع امواج الکترو مغناطیسی است که برای انتشار احتیاج به محیط مادی ندارد. یک موج الکتر مغناطیسی ترکیبی است از دو میدان عمود برهم الکتریکی و مغناطیسی که در شکل زیر به ترتیب با موجهای زرد رنگ و آبی رنگ نشان داده شده است.
خواص امواج الکترو مغناطیسی نور:
1-نور در خلاء دارای سرعت ثابت 300000 کیلومتر بر ساعت هستند که بالاترین سرعت است.
2- نورهای مختلف دارای طول موج های مختلف و شدت نور متفاوت هستند.
3-سرعت نور درمحیط های شفاف مختلف تغییر میکند.
طیف الکترومغناطیسی نور سفید:
نور قرمز دارای بیشترین طول موج۷۰۰نانومتر ونور بنفش دارای کمترین طول موج ۴۰۰ نانومتر می باشند.
تکفامی
دریک اتم دو تراز 1و2 را با انرژی های E2 ,E1 در نظر می گیریم (E1<E2) . فرض می کنیم تراز 1 تراز پایه باشد. اکنون فرض می کنیم که اتمی ( یا مولکولی ) از ماده ابتدا در تراز 2 باشد . از آنجا که E2>E1 اتم به فرو افتادن به تراز 1 گرایش پیدا می کند. بنابراین اختلاف انرژی E2-E1 باید آزاد شود.وقتی این اختلاف انرژی به صورت موج الکترومغناطیسی گسیل شود. به آن گسیل خودبه خود یا تابشی می گویند.فرکانس (بسامد) v موج تابش شده از رابطه زیر بدست می آید (رابطه بلانک)
V=(e2-e1)/h
که درآن h ثابت پلانک است.
حال با توجه به مطالب بالا می توان گفت که خاصیت تکفامی از شرایط زیر ناشی می شود:
1- تنها موج الکترومغناطیسی با فرکانس v می تواند تقویت شود.
2- چون آرایش دو آینه ای کاواک تشدیدی تشکیل می دهدنوسان تنها در فرکانس های تشدید این کاواک انجام می پذیرد.مورد دوم منجر به پهنای خط لیزری می شود که غالبا از پهنای خط معمولی گذار 1→ 2 که در گسیل خودبه خود مشاهده می شود خیلی (به مقدار شش مرتبه بزرگی !) باریکتر است.
جهتمندی
این خاصیت نتیجه مستقیم این امر است که ماده فعال در داخل کاواک تشدیدی از نوع صفحه موازی مانند شکل زیر قرارمی گیرد.در واقع فقط موجی که در امتداد کاواک منتشر می شود (یا در امتدادی که خیلی نزدیک به آن است)می تواند در کاواک دوام بیاورد. برای درک عمیقتر خواص جهتمندی باریکه های لیزر (یا به طور کلی هر موج الکترومغناطیسی) بهتر است.مورد همدوسی کامل فضاای و مورد همدوسی پاره ای فضاای ابتدا به برسی همدوسی کامل فضاای می پردازیم حتی برای این مورد به علت پراش باریکه ای باگشودگی محدود واگرایی اجتناب ناپزیردارد. این مطلب به کمک شکل قابل درک است. فرض می شود باریکه ای با شدت یکنواخت و جبهه موج تخت روی پردهS که دارای یک گشودگی است پرود می آید طبق اصل هویکنس جبه موج در هر صفحه P در پشت پرده با برهم نهش موج های جزئی که از هر نقطه گشودگی گسیل می شود بدست می آید.
می بینیم که به علت اندازه متناهی گشودگی D باریکه دارای واگرایی محدود θ است. مقدار واگرایی از نظریه پراش بدست می آید. برای دامنه ای با توزیع دلخواه داریم:
θd=βλ/D
p
s
D
θd
یک موج الکترومغناطیسی که در آن λ و D به ترتیب موج و قطر باریکه اند.
درخشایی
بنابه تعریف درخشایی یک چشمه امواج الکترومغناطیسی عبارت است از توان گسیل شده از واحد سطح چشمه در واحد فضایی .اگر بخواهیم دقیقتر دقیقتر گفته باشیم باید فرض کنیم که dS جزء مساحت در نقطه O روی سطح چشمه باشد.مانند شکل زیر
Ө
O
n
Ó
درخشایی سطحی در نقطه O برای یک چشمه امواج الکترومغناطیسی
توان dp را که توسط dS در زاویه dΩ در اطراف امتداد OÓ گسیل می شود می توان به صورت زیر نوشت:
DP=B COS θ Ds dΩ
که درآن θ زاویه بین امتداد OÓ و عمود n بر سطح چشمه است. کمیت B عموما به مختصات قطبی θ وФ امتداد OÓ و همچنین به نقطه O بستگی خواهد داشت. این کمیت را درخشایی در نقطه O در امتداد OÓ می نامند. عامل θ COS در رابطه بالا به این خاطر است که کمیتی که دارای اهمیت فیزیکی است .تصویر جزء dS روی صفحه عمود بر امتداد OÓ است.
اگر B مستقل از θ وф باشد چشمه را چشمه همسانگرد می گویند (چشمه لامبرت). درخشایی پرتو لیزر حتی با قدرت کم (مثلا چند میلی وات) چندین مرتبه بزرگی از درخشایی درخشانترین چشمه های معمولی بیشتر است. و این اصولا به علت خواص جهتمندی فوق العاده بالای باریکه لیزر است.
کاربرد لیزر در سنسورهای ربات
بعضی از خصوصیات لیزر مانند جهتمندی. درخشایی و تکفامی بودن آن باعث کاربردهای بسیاری در زمینه اندازه گیری که شامل تعیین فاصله با بررسی آلودگی شده است.
استفاده از لیزر در اندازه گیری مسافت ها بسته به بزرگی طول (مسافت) دارد. به عنوان مثال برای مسافت های کوتاه تاm 50 ~ از روشهای تداخل سنجی استفاده می شود. به اینصورت که در آنها از یک لیزر هلیم- نئون پایدار شده به عنوان منبع نور استفاده می شود .
برای مسافت های متوسط تا 1km از روش های تله متری شامل مدوله سازی دامنه لیزرهای هلیم – نئون و یا GaAS بکار گرفته می شوند. برای مسافت های طولانی تر می توان زمان در راه بودن تپ نوری را که از یک لیزر Nd:YAG ویا CO2 (با زمان تپ چند ده نانو ثانیه ) گسیل شده است و از جسمی بازتیبده می شود اندازه گیری کرد.
در اندازه گیری تداخل سنجی مسافت از تداخل سنج مایکلسون استفاده می شود. باریکه لیزربه وسیله یک تقسیم کننده نور به یک باریکه اندازه گیری و یک مرجع تقسیم می شود. باریکه مرجع با یک آینه ثابت بازگردانده می شود در حالیکه باریکه اندازه گیری از آینه ای که به جسم مورد اندازه گیری متصل شده است بازتاب پیدا می کند. سپس دو باریکه بازتابیده مجددا با یکدیگر ترکیب می شوند به طوریکه با هم تداخل می کنند و دامنه ترکیبی آنها با یک آشکارساز اندازه گیری می شود.
هنگامی که محل جسم در جهت باریکه به اندازه 2/ג (ג طول موج نور لیزر است)تغییر کند سیگنال تداخل از یک ماکزیمم به یک مینیمم می رسد و سپس دوباره ماکزیمم می شود.
بنابراین یک سیستم اکترونیکی شمارش فریزها می تواند اطلاعات مربوط به جابه جایی جسم را به دست دهد.
این روش به علت دقت بالای آن (امکان اندازه گیری طول با دقت یک در میلیون ) اغلب در ماشین های ابزار دقیق کاربرد دارد.لازم به ذکر است که این روش فقط قابلیت اندازه گیری جابه جایی نسبت به یک مبدا را دارد.
برتری این روش در سرعت . دقت و انطباق با سیستمهای کنترل خودکار است.
برای فاصله های بزرگتر از روش تله متری مدوله سازی دامنه استفاده می شود. در این روش دامنه باریکه لیزر (GaAs or He-Ne) مدوله می شود و فاصله از روی اختلاف فاز بین دو باریکه گسیل شده و بازتابیده شده معین می شود. دقت در اینجا هم یک در میلیون است.(به عبارت بهتر 1 میلی متر در مسافت یک کیلومتر)
کاربرد دیگر لیزر در فاصله یاب های لیزری است.
فاصله یاب لیزری
فاصله یاب های لیزری مبتنی بر همان اصولی است که در رادارهای معمولی از آنها استفاده می شود.یک تپ لیزری (معمولا با زمان تپ 10 تا 20 نانو ثانیه )
به سمت هدف نشانه گیری می شود و تپ پراکنده برگشتی به وسیله یک دریافت کننده مناسب نوری که شامل آشکارساز نوری است ثبت می شود. فاصله موردنظر با اندازه گیری زمان پرواز این تپ لیزر بدست می آید.مزیت اصلی فاصله یاب های لیزری را می توان به صورت زیر خلاصه کرد:
1- وزن . قیمت و پیچیدگی آن به مراتب کمتر از رادارهای معمولی است.
2- توانایی اندازه گیری فاصله حتی برای هنگامی که هدف در حال پرواز در ارتفاع بسیار کمی از سطح زمین و یا دریا باشد.(در مورد رباتهایی که قابلیت پرواز یا بالا رفتن از موانع را دارند.)
تنها نکته مهم در مورد این فاصله یاب ها اوضاع جوی است. باریکه لیزر در شرایط نامساعد جوی تضعیف می شود.اولین لیزرهایی که در فاصله یابی از آنها استفاده شد لیزرهای یاقوتی با سوئیچ Q بودند. امروزه فاصله یاب های لیزری اغلب بر اساس لیزرهای نئودیمیم با سوئیچ Q (اغلب (Nd:YAG) طراحی شده اند گرچه لیزرهای CO2 نوع TEA در بعضی موارد جایگزین مناسب و جالبی برای لیزرهای نئودیمیم اند.
این فاصله یاب ها اکنون بیشتر در زمینه های نظامی مورد استفاده قرار می گیرند.
در این زمینه فعلا از چندین نوع از این فاصله یاب های لیزری با بردهایی تا حدود 15km مورد استفاده اند:
1- فاصله یاب های لیزری دستیبرای استفاده سرباز پیاده (در جیب جا گرفته و وزن آن با باتری حدود 500 گرم است.)
2- سیستمهای فاصله یاب برای استفاده در تانک ها
3- سیستمهای فاصله یاب مناسب برای دفاع ضد هوایی.
اما این فاصله یاب ها قابلیت نصب بر روی انواع روبات ها را دارند.کاربرد این فاصله یاب ها مخصوصا در روبا ت هایی که در کارهای گروهی شرکت دارند بسیار محسوس است.
نمودار یک فرستنده لیزری
نمودار یک گیرنده لیزری
Parts List (Transceiver):
<\/h3>
Parts List (Transmitter):
نتیجه گیری
در بسیاری موارد بهترین انتخاب برای یک ماشین ازماشین های صنعتی تا ربات ها نسبت به شرایط محیطی سنسورهای لیزری است.زیرا با هزینه ای مناسب سنسوری با دقت بسیار بالا خواهیم داشت.کاربردهای سنسورهای لیزری را در رباتهایی چون ربات های جراحی های بسیار حساس یا ماشین های ابزار دقیق هر روز پیش از پیش نمایان می شود. در نتیجه تحقیق و کار بر روی لیزر وسنسورهای لیزری و کاربردهای آن در صنعت می تواند گامی موثر در پیشرفت علم و صنعت در ایران باشد.
مراجع:
{1}سوولتو،اوراسیو،اصول لیزر،ترجمه اکبرحریری،حسین گل نبی،ا
درباره 
محصولات
تماس سریع و مشاوره
نظرسنجی