Razumijevanje optičkih senzora: vrste, principi i aplikacije
2024-05-24 9160

Optički senzori igraju ključnu ulogu u modernoj elektroničkoj tehnologiji.Ovi senzori otkrivaju mjesto, prisutnost i karakteristike predmeta emitirajući i primajući svjetlosne signale i široko se koriste u poljima kao što su industrijska automatizacija, potrošačka elektronika, biomedicina i nadzor okoliša.Ovaj će se članak provesti u različite vrste, principe rada i praktične primjene optičkih senzora kako bi se čitateljima u potpunosti shvatila važnost i potencijal primjene optičkih senzora u različitim tehničkim scenarijima.Od strukture mosta optičkih senzora do jedinstvenih karakteristika različitih vrsta optičkih senzora, do specifičnih primjera u stvarnim primjenama, ovaj će članak otkriti raznolikost i složenost optičkih senzora.

Katalog

Slika 1: Optički senzor

Što je optički senzor?

A Optički senzor Dizajn se temelji na krugu mosta Wheatstone.U elektrotehnici, most Wheatstone koristi kombinaciju poznatih i nepoznatih otpornika kako bi odredio vrijednost nepoznatog otpornika uspoređujući napon.Isto tako, senzori svjetlosnog mosta koriste strukturu mosta s četiri fotodetektora za otkrivanje promjena u položaju snopa.

Prvo, operator podešava položaj detektora kako bi osigurao da snop ravnomjerno pogađa sva četiri detektora.Kad se snop odbije, svaki detektor bilježi drugačiji intenzitet svjetlosti.Krug zatim obrađuje ove signale kako bi odredio točan položaj i nadoknadu snopa.

Slika 2: Optički senzor

Na primjer, ako se snop pomiče udesno, desni detektor prima više svjetla, a lijevi detektor prima manje svjetla.Procesor signala kruga brzo prepoznaje i izračunava ovu promjenu, izlažući točne podatke o položaju.Proces je brz i vrlo precizan, što čini optičke senzore važnim u automatiziranoj opremi i sustavima pozicioniranja visoke preciznosti.

Princip rada optičkog senzora

Optički senzori otkrivaju mjesto ili prisutnost predmeta emitirajući svjetlost i snimajući refleksije ili prekide ovih zraka.Senzor koristi diode koje emitiraju svjetlost (LED) za emitiranje snopa svjetlosti.Kad se ovaj snop naiđe na objekt, objekt se može odraziti na senzor ili ga blokirati.

Slika 3: Princip rada optičkog senzora

Na automatiziranoj montažnoj liniji, operatori prilagođavaju položaj i osjetljivost senzora na temelju karakteristika objekta, poput materijala, veličine i očekivane lokacije.Sensorova sposobnost otkrivanja predmeta neovisna je o materijalu, bilo da se radi o drvetu, metalu ili plastici, što ga čini idealnim za višenamjenska proizvodna okruženja.

Na primjer, otkrivanje bistrih staklenih boca zahtijeva podešavanje senzora kako bi se prepoznali prozirni materijali.Prozirni objekti ne odražavaju svjetlost učinkovito, pa senzor zahtijeva veću osjetljivost ili poseban izvor svjetla (poput infracrvenog sustava).

Kao dio svog dizajna, senzor procjenjuje reflektirane ili prekinute svjetlosne grede.Kad objekt blokira gredu, senzor odmah šalje signal upravljačkom sustavu koji označava lokaciju ili prolaz objekta.Ako se svjetlo odražava, senzor koristi intenzitet i kut refleksije kako bi odredio karakteristike objekta, poput veličine i površinskog materijala.

Vrste optičkih senzora

Postoje mnoge vrste optičkih senzora, od kojih svaka ima određene principe rada i aplikacije.Slijedi nekoliko uobičajenih vrsta optičkih senzora koji se koriste u stvarnim scenarijima.

Fotokonduktivni uređaji mijenjaju vodljivost materijala na temelju intenziteta svjetlosti.Kad svjetlost udari u senzor, elektroni u materijalu apsorbiraju svjetlosnu energiju i skoče na opseg provodljivosti, povećavajući vodljivost materijala.Fotokonduktivni uređaji koriste se u sustavima za otkrivanje svjetlosnog intenziteta, kao što su automatsko zatamnjenje svjetiljki.Operatori trebaju razmotriti uvjete ambijentalnog svjetla i vremena odziva kako bi osigurali preciznu kontrolu prilikom podešavanja ovih uređaja.

Fotonaponske stanice (solarne ćelije) pretvaraju svjetlosnu energiju izravno u električnu energiju kroz fotoelektrični učinak u poluvodičkim materijalima.Fotoni pobuđuju elektrone od valentnog pojasa do opsega provođenja, stvarajući parove s elektronskim rupama i generirajući električnu struju.Ove se baterije široko koriste za proizvodnju energije i napajanje udaljenih uređaja poput satelita i vanjskih nadzornih kamera.

Slika 4: Fotonaponske stanice

Fotodiodi koriste fotoelektrični učinak za pretvaranje svjetla u električnu struju.Kad svjetlost pogodi područje aktivacije, njihova unutarnja struktura može brzo reagirati i stvoriti električnu struju.Ovi senzori obično se koriste u laganom impulsu i komunikacijskoj opremi kao što su daljinski upravljač i optički sustavi vlakana.

Slika 5: Fotodiodes

Fototransistori su u osnovi fotodiode s unutarnjim dobitkom.Kad svjetlost udari u spoj baze kolektora, stvara se interno pojačana struja, što je prikladno za otkrivanje slabih svjetlosnih signala.Ovi senzori posebno su korisni u aplikacijama koje zahtijevaju visoku osjetljivost, poput optičke mjerne opreme u laboratorijima.

Slika 6: Fototransistori

Reflektirajući senzor

Reflektivni senzori kombiniraju odašiljač i prijemnik u jednom uređaju, omogućujući da se emitirani snop odražava na prijemnik kroz reflektirajuću površinu ili površinu objekta.Kad objekt uđe u put snopa, prekida svjetlost, pokrećući senzor.

Da bi se senzor postavio, potrebno ga je pravilno postaviti i nagnuti radi optimalnog razmišljanja.Operator mora prilagoditi položaj senzora kako bi se osiguralo da je reflektivna površina dovoljno velika i pravilno usklađena da učinkovito odražava gredu na prijemnik.

Na primjer, u automatiziranim linijama pakiranja, reflektivni senzori otkrivaju proizvode koji se kreću na transportnom traku.Operator postavlja senzor na jednu stranu transportnog traka i glatki reflektor s druge strane.Kad proizvod prođe i blokira gredu, senzor otkriva prekid i šalje signal da pokrene radnje poput zaustavljanja transportera ili prijenosa proizvoda.

Jedna od prednosti reflektirajućih senzora je njihova sposobnost rada na velikim udaljenostima i njihova tolerancija na širok raspon površinskih svojstava.Sve dok se odražava dovoljno svjetla, oni mogu otkriti predmete bez obzira na boju ili teksturu površine.Ova svestranost čini reflektirajuće senzore idealnim za industrijsku automatizaciju, navigaciju robota i zadatke klasifikacije predmeta.

Senzor kroz snop

Senzor kroz snop sastoji se od dvije glavne komponente: odašiljač i prijemnik, postavljen jedan nasuprot, obično na udaljenosti.Odašiljač kontinuirano šalje snop svjetlosti na prijemnik.Kad objekt blokira ovu gredu, prijemnik otkriva okluziju i pretvara je u elektronički signal, koji pokreće operaciju prebacivanja.

Za postavljanje senzora, odašiljač i prijemnik moraju biti precizno usklađeni.To uključuje podešavanje njihovog položaja i kuta tako da snop s odašiljača izravno udari u prijemnik.Operatori moraju uzeti u obzir čimbenike okoliša kao što su pozadinska svjetlost i potencijalni izvori smetnji kako bi se izbjeglo lažno aktiviranje.

Slika 7: Senzor kroz snop

Na primjer, na ulazu u veliko skladište, senzori snopa nadgledaju neovlašteni unos.Odašiljač i prijemnik postavljeni su na obje strane vrata.Kad netko ili objekt prođe kroz vrata, snop se prekida i sustav aktivira alarm.

Jedna od velikih prednosti senzora kroz snop je njihova sposobnost rada na velikim udaljenostima, što ih čini idealnim za praćenje velikih područja.Otkrivanje se temelji na prekidu snopa, tako da senzor nije osjetljiv na veličinu, boju ili površinsku strukturu objekta.Međutim, objekt mora biti dovoljno velik da u potpunosti pokrije optički put između odašiljača i prijemnika.

Senzori kroz snop široko se koriste u industrijskim automatizacijskim i sigurnosnim sustavima, posebno u okruženjima u kojima su potrebni nadzor na daljinu i visoka pouzdanost.Idealni su za otkrivanje predmeta na proizvodnim linijama i praćenje pokretnih objekata.Razumijevanjem ovih operativnih detalja, operatori mogu osigurati učinkovitu i pouzdanu upotrebu senzora kroz snop u raznim aplikacijama.

Senzor difuznog refleksije

Senzori difuzne refleksije kombiniraju odašiljač i prijemnik u jednom uređaju.Djeluje tako što emitira svjetlost i primanje svjetlosti raspršenog od objekta koji se mjeri.Senzor je posebno koristan za otkrivanje predmeta sa složenim površinama ili oblicima, poput tkanine, drva ili metala nepravilnog oblika.

Prvo postavite osjetljivost senzora kako bi odgovarala reflektirajućim svojstvima različitih materijala i boja.Operatori moraju prilagoditi opremu na temelju specifične reflektivnosti objekta.To osigurava da je reflektirana svjetlost dovoljna da prijemnik može uhvatiti, izbjegavajući lažna očitanja zbog previše jake ili previše slabe svjetlosti.

Slika 8: Difuzni senzor refleksije

Na primjer, u automatiziranim sustavima pakiranja, senzori difuzne refleksije otkrivaju naljepnice na kutijama za pakiranje.Operator podešava senzor tako da stroj precizno identificira svaki okvir, čak i ako naljepnice imaju različite refleksije.To zahtijeva preciznu kontrolu intenziteta emitirane svjetlosti i osjetljivosti prijemnika.

Difuzni senzori mogu imati problema zbog neravnomjernog raspršivanja svjetlosti, posebno kada je svjetlost koja se odražava sa stražnje strane objekta koncentriranija od svjetlosti koja se odražava s prednje strane.Da bi se riješio ovaj problem, senzor je dizajniran pomoću tehnologije otkrivanja u više točaka za smanjenje pogrešaka.Operatori moraju razmotriti ove čimbenike i eksperimentalno odrediti optimalnu osjetljivost i kut emisije kako bi osigurali točno i pouzdano otkrivanje.

Redovito održavanje i kalibracija osiguravaju dugoročni stabilan rad.To uključuje čišćenje senzorske leće kako bi se spriječilo da prašina i nečistoće ometaju svjetlosni prijenos.

Različiti izvori svjetlosti za optičke senzore

Izvor svjetlosti vrlo je važan za dizajn i funkcionalnost optičkih senzora.Moderni optički senzori obično koriste jednobojni izvor svjetlosti, koji pruža stabilno, konzistentno svjetlo, omogućavajući mjerenje visoke preciznosti i optičke komunikacije.

Laseri proizvode vrlo koherentne grede svjetlosti uzbudljivim atomima u određenom mediju, poput plina, kristala ili posebnog stakla.Greda koju proizvodi laser vrlo je usredotočena i može se prenijeti na velike udaljenosti bez značajnog širenja.To ih čini idealnim za aplikacije koje zahtijevaju precizno pozicioniranje i komunikaciju na daljinu, poput optičkih komunikacija i opreme za mjerenje preciznosti.U radu, laseri zahtijevaju precizno upravljanje energijom i kontrolu okoliša za održavanje stabilnog izlaza.Zbog potencijalnih opasnosti lasera visokog intenziteta, operatori moraju osigurati sigurno lasersko upravljanje.

LED diode (diode koje emitiraju svjetlost) vrednuju za svoju malu veličinu, visoku učinkovitost i dugi život.Oni emitiraju svjetlost rekombinacijom elektrona i rupa u poluvodičkom materijalu (obično dopiranim regijama N- i P).LED diode mogu pokriti širok raspon valnih duljina od infracrvenih do ultraljubičastog.Neoherentno svjetlo LED -ova pogodno je za razne rasvjete i indikacijske aplikacije, poput semafora i sustava pametnog rasvjete.Umještanje LED -ova relativno je jednostavno i ne zahtijeva složene sigurnosne mjere poput lasera.Međutim, osiguravanje dosljednosti i trajnosti izvora LED svjetla zahtijeva preciznu kontrolu struje.

Oba izvora svjetlosti imaju svoje prednosti i nedostatke.Izbor ovisi o određenim zahtjevima za prijavu.Laseri se obično koriste u preciznim optičkim eksperimentima i brzim optičkim komunikacijama, dok se LED-ovi češće koriste u potrošačkoj elektroničkoj i sustavima za označavanje.

Indikator razine tekućine na temelju optičkog senzora

Indikator razine tekućine temeljen na optičkom senzoru je alat za mjerenje preciznog koji koristi principe refrakcije i odraz svjetlosti za otkrivanje promjena u razini tekućine.Sastoji se od tri glavne komponente: infracrvenog LED -a, fototransistora i prozirnog savjeta za prizmu.

Slika 9: Senzor optičke razine

Kad je savjet prizme izložen zraku, svjetlost infracrvenog LED -a podvrgava se potpunom unutarnjem odraz unutar prizme, odražavajući većinu svjetla na fototransistor.U ovom stanju tranzistor prima više svjetla i daje veći signal.

Kad je vrh prizme uronjen u tekućinu, razlika u indeksu loma između tekućine i zraka uzrokuje da neka svjetlost pobjegne od prizme.Zbog toga je manje svjetlosti doseglo fototransistor, smanjujući na taj način svjetlost koju prima i snižava izlazni signal.

Koraci instalacije i uklanjanja pogrešaka:

Provjerite je li čist: savjet prizme mora biti čist i bez onečišćenja kako bi se spriječilo netočna očitanja.Bilo koja prljavština ili ostatak utjecati će na svjetlo.

Postavite senzor: ispravno uskladite vrh prizme senzora s očekivanim rasponom promjena razine tekućine.Podesite položaj senzora tako da točno otkriva porast i pad razine tekućine.

Ovaj pokazatelj razine učinkovit je bez obzira na boju ili jasnoću tekućine.Djeluje pouzdano u raznim tekućim medijima, uključujući mutne ili obojene tekućine.Optički senzori pružaju beskontaktnu metodu mjerenja razine tekućine, smanjujući rizik od trošenja i kontaminacije senzora, a time i produžujući život opreme.

Primjena optičkih senzora

Optički senzori koriste se u mnogim poljima zbog velike osjetljivosti i točnosti.Ispod je uvod u neka ključna područja primjene.

Oprema za automatizaciju računala i ureda: U računalima i kopirnim uređajima, optički senzori kontroliraju položaj i kretanje.Ovi senzori osiguravaju ispravan napredak i izbacivanje papira tijekom ispisa, smanjujući džemove i pogreške.Također se koriste u automatiziranim rasvjetnim tijelima, poput senzorskih svjetala u hodnicima ili konferencijskim salama, koje otkrivaju ljude i automatski ugase i isključuju svjetla, štede energiju i povećavaju praktičnost.

Sigurnosni i nadzorni sustavi: U sigurnosnim sustavima optički senzori široko se koriste za otkrivanje provale.Otkrivaju kada se otvori prozor ili vrata i pokreću alarm.U fotografiji, optički senzori u sinkronizatorima bljeskalice osiguravaju da bljeskalica puca u optimalnom trenutku za optimalne efekte rasvjete.

Biomedicinske primjene: U medicinskom polju optički senzori prate disanje pacijenta i otkucaje srca.Analizirajući promjene u reflektiranoj svjetlosti, otkrivaju sitne pokrete prsnog koša kako bi neinvazivno nadgledali brzinu dišnog sustava.Optički monitori otkucaja srca koriste LED -ove da bi emitirali svjetlost kroz kožu i otkrili količinu apsorbirane i odražene od strane krvi za izračunavanje otkucaja srca.

Senzor ambijentalnog svjetla: U pametnim telefonima i tabletima, senzori ambijentalnog svjetla automatski podešavaju svjetlinu zaslona kako bi optimizirali zaslon na temelju okolnih svjetlosnih uvjeta i uštedu energije baterije.Ovi senzori zahtijevaju precizne karakteristike kalibracije i osjetljivih odziva kako bi se prilagodili brzo promjenjivim uvjetima osvjetljenja i pružaju korisnicima ugodno vizualno iskustvo.

Zaključak

Primjene optičkih senzora u različitim tehnološkim poljima pokazuju njihovu široku funkcionalnost i učinkovite performanse.Od optičkih senzora do različitih reflektirajućih i kroz senzore snopa, svaka vrsta optičkog senzora ima jedinstvene prednosti i može zadovoljiti različite potrebe za inspekcijom.U industrijskoj automatizaciji pružaju otkrivanje i kontrolu visoke preciznosti;U potrošačkoj elektronici poboljšavaju inteligenciju opreme;U nadzoru biomedicine i okoliša osiguravaju točnost i pouzdanost podataka.U budućnosti će, s kontinuiranim napretkom i inovacijama tehnologije, optički senzori igrati važniju ulogu u više novih područja i promicati razvoj različitih industrija u smjeru inteligencije i automatizacije.

Često postavljana pitanja [FAQ]

1. Je li analogni ili digitalni optički senzor?

Optički senzori mogu biti analogni ili digitalni, ovisno o njihovom dizajnu i vrsti izlaznog signala.Analogni optički senzori izlaze kontinuirano različiti naponski signal koji je proporcionalan otkrivenom intenzitetu svjetlosti.Digitalni optički senzori izlaze digitalni signali, poput binarnih kodova, koji se obično pretvaraju iz analognih signala kroz ugrađeni analogno-digitalni pretvarač.

2. Koje su prednosti optičkog senzora?

Glavne prednosti optičkih senzora uključuju:

Visoka osjetljivost i točnost: Sposoban otkrivanje slabih svjetlosnih signala i suptilnih promjena objekta.

Nekontaktno mjerenje: Mjerenje se može provesti bez kontakta ili smetnji u cilju, pogodno za otkrivanje krhkih ili opasnih tvari.

Vrijeme brzog odgovora: Sposobno je brzo reagirati na optičke promjene u okolišu, pogodno za dinamička mjerenja.

Široka prilagodljivost: Može raditi u različitim okolišnim uvjetima, uključujući oštro ili opasno okruženje.

3. Kako testirati optički senzor?

Ispitivanje optičkih senzora obično uključuje sljedeće korake:

Pripremite testno okruženje: Osigurajte da uvjeti ambijentalne svjetlosti ispunjavaju operativne specifikacije senzora.

Spojite uređaj: Spojite senzor na uređaj za čitanje, poput multimetra ili računala.

Kalibracija: Kalibrirajte senzor prema uputama proizvođača kako bi se osigurala točnost.

Primijenite izvor testnog svjetla: Upotrijebite izvor svjetlosti poznate svjetline za osvjetljavanje senzora.

Pročitajte i zabilježite izlaz: Zabilježite izlaz senzora i provjerite da li reagira kako se očekuje promjene u izvoru svjetlosti.

4. Koja je razlika između optičkog senzora i infracrvenog senzora?

Glavna razlika između optičkih i infracrvenih senzora je raspon svjetlosnih valnih duljina koje otkrivaju.Optički senzori uglavnom se odnose na senzore koji mogu osjetiti valne duljine u vidljivom rasponu.Infracrveni senzori posebno otkrivaju infracrvene svjetlosne valne duljine, koje su nevidljive za ljudsko oko.Infracrveni senzori obično se koriste u toplinskim kamerama, opremi za noćni vid i nekim vrstama komunikacijske opreme.

5. Jesu li optički senzori pasivni ili aktivni?

Optički senzori mogu biti pasivni ili aktivni, ovisno o tome trebaju li vanjski izvor svjetlosti.

Pasivni optički senzori: nije potreban dodatni izvor svjetlosti, oni djeluju otkrivanjem svjetla iz okoliša, poput sunčeve svjetlosti ili postojeće rasvjete.

Aktivni optički senzori: zahtijevaju vanjski izvor svjetlosti za osvjetljavanje cilja, a zatim otkrivanje svjetla odražene ili prenose iz cilja.