Razumijevanje optičkih senzora: vrste, principe i aplikacije
2024-05-24 9169

Optički senzori igraju ključnu ulogu u modernoj elektroničkoj tehnologiji.Ovi senzori otkrivaju lokaciju, prisustvo i karakteristike objekata emitiraju i primajući svjetlosni signali i široko se koriste u poljima kao što su industrijska automatizacija, potrošačka elektronika, biomedicina i nadgledanje okoliša.Ovaj članak će se uviti u različite vrste, principe rada i praktične primjene optičkih senzora za pomoć čitateljima koji u potpunosti razumiju važnost i potencijal primjene optičkih senzora u različitim tehničkim scenarijima.Od mosta struktura optičkih senzora na jedinstvene karakteristike različitih vrsta optičkih senzora, na specifične primjere u stvarnim aplikacijama, ovaj članak će otkriti raznolikost i složenost optičkih senzora.

Katalog

Slika 1: Optički senzor

Šta je optički senzor?

The Optički senzor Dizajn se temelji na veznom mostu mosta.U elektrotehniku, most Wheatstone koristi kombinaciju poznatih i nepoznatih otpornika za određivanje vrijednosti nepoznatog otpornika usporedbom napona.Isto tako, lagani senzori mosta koriste strukturu mosta s četiri fotodetektora za otkrivanje promjena u položaju snopa.

Prvo, operater prilagođava položaj detektora kako bi se osiguralo da greda ravnomjerno pogodi sva četiri detektora.Kad se greda odbije, svaki detektor bilježi drugačiji intenzitet svjetlosti.Okus tada obrađuje ove signale kako bi se odredio tačan položaj i pomak snopa.

Slika 2: Optički senzor

Na primjer, ako se greda pomiče udesno, pravi detektor prima više svjetla, a lijevi detektor prima manje svjetla.Signalni procesor kruga brzo prepoznaje i izračunava ovu promjenu, izlažu precizne podatke o položaju.Proces je brz i vrlo precizan, čineći optičke senzore važne u automatiziranoj opremi i sistemima za pozicioniranje visokog preciznosti.

Princip rada optičkog senzora

Optički senzori otkrivaju lokaciju ili prisustvo objekata emitiraju svjetlo i snimanje refleksija ili prekida ovih zraka.Senzor koristi svjetlosne diode (LED-ove) da emitiraju snop svjetlosti.Kad se ovaj snop naiđe na objekt, može se odraziti na senzor ili blokirati objekt.

Slika 3: Načelo rada optičkog senzora

Na automatskoj liniji montaže, operateri prilagođavaju položaj i osjetljivost senzora na temelju karakteristika objekta, poput materijala, veličine i očekivane lokacije.Sposobnost senzora za otkrivanje objekata neovisna je od materijala, bez obzira da li drvo, metal ili plastičnu, čineći ga idealnim za višestruke proizvodne okruženja.

Na primjer, otkrivanje bistrih staklenih boca zahtijeva podešavanje senzora za prepoznavanje providnih materijala.Prozirni objekti ne odražavaju svjetlost efikasno, tako da senzor zahtijeva veću osjetljivost ili poseban izvor svjetlosti (kao što je infracrveno).

Kao dio svog dizajna, senzor ocjenjuje reflektirane ili prekinule svjetlosne grede.Kada objekt blokira snop, senzor odmah šalje signal kontrolnom sustavu koji pokazuje lokaciju ili prolaz objekta.Ako se svjetlost odražava, senzor koristi intenzitet i ugao refleksije za određivanje karakteristika objekta, poput veličine i površinskog materijala.

Vrste optičkih senzora

Postoji mnogo vrsta optičkih senzora, svaki sa određenim principima rada i aplikacijama.Slede su neke uobičajene vrste optičkih senzora koji se koriste u stvarnim scenarijima u stvarnom svetu.

Fotokomuktivni uređaji mijenjaju provodljivost materijala na bazi intenziteta svjetlosti.Kad lampica udari u senzor, elektroni u materijalu apsorbiraju svjetlosnu energiju i preskoči do provodljivosti, povećavajući provodljivost materijala.Fotopoduktivni uređaji koriste se u sistemima otkrivanja svjetlosti, poput automatske zamka.Operatori moraju uzeti u obzir u uvjete ambijentalne svjetlosti i vremenu odgovora kako bi se osigurala precizna kontrola prilikom podešavanja ovih uređaja.

Fotonaponske ćelije (solarne ćelije) pretvaraju svjetlo energiju direktno u električnu energiju kroz fotoelektrični efekt u poluvodičkim materijalima.Fotones uzbuđuju elektrone od valentne trake do provodnog opsega, stvarajući parove s elektronskim rupama i stvaranje električne struje.Ove se baterije široko koriste za proizvodnju energije i uključivanje udaljenih uređaja poput satelita i kamera na otvorenom.

Slika 4: Fotonaponske ćelije

Fotodiode koriste fotoelektrični efekt za pretvaranje svjetla u električnu struju.Kada svjetlost pogađa područje aktivacije, njihova unutrašnja struktura može brzo odgovoriti i generirati električnu struju.Ti se senzori obično koriste u svjetlosnom pulsu i komunikacijskoj opremi kao što su daljinski upravljači i optički sustavi vlakana.

Slika 5: Fotodiode

Fototransistori su u osnovi fotodiodi s internim dobitkom.Kada svjetlost udari u bazne kolekcionarskog spoja, generira se interno pojačana struja, čineći ga pogodnim za otkrivanje slabih svjetlosnih signala.Ti su senzori posebno korisni u aplikacijama koje zahtijevaju visoku osjetljivost, poput optičke mjerne opreme u laboratorijama.

Slika 6: Fototransistori

Reflektivni senzor

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

Da biste postavili senzor, treba ga postaviti i nagnuti pravilno za optimalan odraz.Operator mora podesiti 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 ambalažnim linijama, reflektirajući senzori otkrivaju proizvode koji se kreću na traku transportera.Operator postavlja senzor na jednu stranu traka za transportnu traku i glatki reflektor s druge strane.Kada proizvod prođe kroz i blokira snop, senzor otkriva prekid i šalje signal da aktiviraju akcije kao što su zaustavljanje transportera ili prenošenje proizvoda.

Jedna od prednosti reflektirajućeg senzora je njihova sposobnost da rade na dugim udaljenostima i njihovoj toleranciji na širok raspon površinskih svojstava.Sve dok se odražava dovoljno svjetla, mogu otkriti predmete bez obzira na boju ili površinu teksture.Ova svestranost čini reflektirajuće senzore idealne za industrijsku automatizaciju, navigaciju robota i zadatke klasifikacije predmeta.

Senzor kroz snop

Senzor kroz dve grede sastoji se od dvije glavne komponente: predajnik i prijemnik, postavljen nasuprot jedni drugima, obično na daljinu.Odašiljač neprekidno šalje snop svjetlosti na prijemnik.Kada objekt blokira ovaj snop, prijemnik otkriva okluziju i pretvara ga u elektronički signal koji pokreće operaciju prebacivanja.

Da biste postavili senzor, predajnik i prijemnik moraju biti precizno poravnati.To uključuje prilagođavanje njihovog položaja i ugla tako da se gred iz predajnika direktno pogodi prijemnik.Operatori moraju uzeti u obzir faktore okoliša kao što su pozadinske svjetlosne i potencijalne izvore smetnji kako bi se izbjeglo lažno aktiviranje.

Slika 7: Senzor kroz grede

Na primjer, na ulazu u veliko skladište, monitor senzora do snopa za neovlašteni unos.Odašiljač i prijemnik postavljeni su na obje strane vrata.Kad netko ili objekt prođe kroz vrata, snop se prekida i sistem aktivira alarm.

Jedna od sjajnih prednosti senzora kroz prozračivanje je njihova sposobnost da rade na dugim udaljenostima, čineći ih idealnim za praćenje velikih površina.Otkrivanje se temelji na prekidu snopa, tako da senzor nije osjetljiv na veličinu, boju ili površinu objekta.Međutim, objekt mora biti dovoljno velik da u potpunosti pokrije optički put između predajnika i prijemnika.

Kroz senzori bez grede široko se koriste u industrijskim automatizacijskim i sigurnosnim sistemima, posebno u okruženjima u kojima su potrebni nadzor dugog udaljenosti i visoka pouzdanost.Idealni su za otkrivanje predmeta na proizvodnim linijama i praćenje brzih pokretnih objekata.Razumijevanjem ovih operativnih detalja, operateri mogu osigurati efikasnu i pouzdanu upotrebu senzora preko snopa u raznim aplikacijama.

Difuzni senzor refleksije

Difuzni senzori refleksije kombiniraju odašiljač i prijemnik na jednom uređaju.Djeluje tako što emitiraju svjetlo i primaju svjetlost raštrkanom od objekta koji se mjere.Senzor je posebno koristan za otkrivanje objekata složenim površinama ili oblicima, poput tkanine, drveta ili nepravilnog oblika metala.

Prvo podesite osjetljivost senzora da odgovara reflektirajućim svojstvima različitih materijala i boja.Operatori trebaju prilagoditi opremu na osnovu određene reflektivnosti objekta.To osigurava da je odbijena svjetlost dovoljna da primatelj zabilježi, izbjegavajući lažne očitanja zbog prejakih ili presvlake svjetlosti.

Slika 8: Difunliziran senzor refleksije

Na primjer, u automatiziranim sustavima ambalaže, difuzni senzori refleksije otkrivaju naljepnice na kutijama za pakiranje.Operator prilagođava senzor tako da stroj precizno identificira svaku kutiju, čak i ako naljepnice imaju različite reflektivnost.Ovo zahtijeva preciznu kontrolu intenziteta emitirane svjetlosti i osjetljivosti prijemnika.

Difuzni senzori mogu doživjeti probleme zbog neujednačenog raspršivanja svjetlosti, posebno kada se svjetlost odražava od stražnjeg dijela objekta koncentriranije od svjetlosti koja se odražava s prednje strane.Da biste riješili ovaj problem, senzor je dizajniran pomoću tehnologije za otkrivanje više tačaka za smanjenje grešaka.Operatori moraju uzeti u obzir ove faktore i eksperimentalno odrediti optimalnu osjetljivost i kut emisije kako bi se osigurala tačna i pouzdana otkrivanja.

Redovno održavanje i kalibracija osiguravaju dugoročnu stabilnu operaciju.To uključuje čišćenje senzorskih sočiva kako bi se spriječilo da se prašina i nečistoće miješaju u mijenjač svjetla.

Različiti izvori svjetlosti za optičke senzore

Izvor svjetla vrlo je važan za dizajn i funkcionalnost optičkih senzora.Moderni optički senzori obično koriste jednobojni izvor svjetlosti, koji pruža stabilnu, dosljednu svjetlost, omogućavajući mjerenja visoke preciznosti i optička komunikacija.

Laseri proizvode visoko koherentne grede svjetlosti uzbudljivim atomima u određenom mediju, poput plina, kristala ili posebnog stakla.Širom proizveden od lasera je vrlo fokusiran i može se prenijeti na velike udaljenosti bez značajnog širenja.To ih čini idealnim za aplikacije koje zahtijevaju precizno pozicioniranje i komunikaciju na velike udaljenosti, poput optičkih komunikacija i preciznu mjernu opremu.U radu, laseri zahtijevaju precizno upravljanje napajanjem i kontrolu okoliša za održavanje stabilnog izlaza.Zbog potencijalnih opasnosti od lasera visokog intenziteta, operatori moraju osigurati sigurno upravljanje laserima.

LED (svjetlosne diode) cijenjene su za svoju malu veličinu, visoku efikasnost i dug život.Oni emituju svjetlost rekombinacijom elektrona i rupa u poluvodičkim materijalima (obično N- i P-tipom dopirane regije).LED-ovi mogu prekriti širok spektar talasne dužine od infracrvene do ultraljubičastog.Insorentna svjetlost LED-ova pogodna je za razne rasvjete i indikacijske aplikacije, poput semafora i pametnih rasvjetnih sistema.Indementne LED diode su relativno jednostavne i ne zahtijevaju složene mjere sigurnosti poput lasera.Međutim, osiguravanje dosljednosti i trajnost LED svjetla zahtijeva preciznu trenutnu kontrolu.

Oba izvora svjetla imaju svoje prednosti i nedostatke.Izbor ovisi o specifičnim zahtjevima za primjenu.Laseri se obično koriste u preciznim optičkim eksperimentima i velike brzine optičke komunikacije, dok se LED-ovi najčešće koriste u elektroničkoj elektronici i sistemima označavanja.

Indikator nivoa tečnosti zasnovan na optičkom senzoru

Indikator nivoa tečnosti zasnovan na optičkom senzoru je precizni mjerni alat koji koristi principe refrakcije i odraz svjetla za otkrivanje promjena na nivou tečnosti.Sastoji se od tri glavne komponente: infracrveni LED, fototransistor i transparentan vrh prizme.

Slika 9: Senzor optičkog nivoa

Kada je vrh prizme izložen zraku, svjetlost iz infracrvene LED-a podvrgava se ukupni unutarnji odraz unutar prizme, koji odražava većinu svjetla na fototransistor.U ovom stanju tranzistor prima veću svjetlost i izlazi viši signal.

Kada se vrh prizma uronjeni u tekućinu, razlika u indeksima refrakcije između tečnosti i zraka uzrokuje malo svjetla da izbjegne prizmu.To uzrokuje manje svjetla da se dosegne fototransistor, na taj način smanjujući svjetlo koje prima i spušta izlazne signale.

Koraci za instalaciju i uklanjanje pogrešaka:

Provjerite je li čist: vrh prizma mora biti čist i bez kontaminacije kako bi se spriječilo netačno očitanja.Svaka prljavština ili ostatak uticati će na refleksiju svetlosti.

Postavite senzor: Ispravno poravnajte savjet senzora prizme sa očekivanim rasponom promjena nivoa tekućine.Podesite položaj senzora tako da tačno otkriva porast i pad nivoa tečnosti.

Ovaj indikator nivoa efikasan je bez obzira na boju ili jasnoću tečnosti.Radi pouzdano u raznim tečnim medijima, uključujući turne ili obojene tečnosti.Optički senzori pružaju ne-kontaktnu metodu mjerenja nivoa tečnosti, smanjujući rizik od habanja i kontaminacije senzora, te čime se produžava život opreme.

Primjena optičkih senzora

Optički senzori koriste se u mnogim poljima zbog velike osjetljivosti i tačnosti.Ispod je uvod u neke ključne primjene.

Računari i oprema za automatizaciju ured: u računarima i kopirnim uređajima, optički senzori kontroliraju položaj i kretanje papira.Ovi senzori osiguravaju ispravni napredak papira i izbacivanje tokom tiskanja, smanjenje zastoj i grešaka.Koriste se i u automatiziranim rasvjetnim čvorištima, poput senzora svjetla u hodnicima ili konferencijskim salama, koje otkrivaju ljude i automatski okreću svjetla i uštede energiju i uštedu energije i uštede energije.

Sigurnosni i nadzorni sustavi: U sigurnosnim sistemima optički senzori se široko koriste za otkrivanje upada.Otkrivaju kada se otvori prozor ili vrata i pokreće alarm.U fotografiji, optički senzori u Flash sinhronizatori osiguravaju da bljeskalica požari u optimalnom trenutku za optimalne svjetlosne efekte.

Biomedicinske primjene: U medicinskom polju optički senzori nadgledaju pacijentovo disanje i otkucaje srca.Analizom promjena u reflektiranom svjetlu otkrivaju sitne prstiju prsa na neinvazivno praćenje respiratorne stope.Optički monitori otkucaja srca Koristite LED-ove da biste emitirali svjetlost kroz kožu i otkrijete iznos koji se apsorbira i odražava krv da bi izračunala otkucaja srca.

Senzor ambijentalnog svjetla: U pametnim telefonima i tabletima, senzori ambijentalne svjetlosti automatski prilagođavaju svjetlinu ekrana za optimiziranje ekrana na temelju okolnih svetlosnih uvjeta i uštede energiju baterije.Ti se senzori zahtijevaju precizno kalibraciju i osjetljive karakteristike odgovora kako bi se prilagodili brzo promjenjivim uvjetima ambijentalne svjetlosti i pružajući korisnicima udobnim vizuelnim iskustvom.

Zaključak

Primjene optičkih senzora u raznim tehnološkim poljima pokazuju svoju široku funkcionalnost i efikasnu performanse.Od optičkih senzora do različitih senzora reflektirajućih i kroz grede, svaka vrsta optičkog senzora ima jedinstvene prednosti i može udovoljiti različitim potrebama za inspekcijom.U industrijskoj automatizaciji pružaju visoko preciznost otkrivanje i kontrolu;u potrošačkoj elektronici, oni poboljšavaju inteligenciju opreme;U biomedicini i nadgledanju okoliša osiguravaju tačnost i pouzdanost podataka.U budućnosti, sa kontinuiranim napredovanjem i inovacijama tehnologije, optički senzori će igrati važniju ulogu u više u nastajanju polja i promovirati razvoj različitih industrija u smjeru inteligencije i automatizacije.

Često postavljana pitanja [FAQ]

1. Je optički senzor analogni ili digitalni?

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

2. Koje su prednosti optičkog senzora?

Glavne prednosti optičkih senzora uključuju:

Visoka osjetljivost i tačnost: Sposobna za otkrivanje slabih svjetlosnih signala i suptilnih promjena objekta.

Ne-kontaktno mjerenje: mjerenje se može izvesti bez kontakta ili smetnji u cilju, pogodan za otkrivanje krhkih ili opasnih tvari.

Vrijeme brzog odziva: Mogućnost brzo odgovoriti na optičke promjene u okruženju, pogodno za dinamična mjerenja.

Široka prilagodljivost: može raditi u raznim uvjetima okoliša, uključujući oštre ili opasne okruženja.

3 Kako testirati optički senzor?

Testiranje optičkih senzora obično uključuje sljedeće korake:

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

Spojite uređaj: Spojite senzor na uređaj za čitanje, kao što su multimetar ili računar.

Kalibracija: Kalibrirajte senzor prema uputama proizvođača kako biste osigurali točnost.

Nanesite izvor ispitivanja: Koristite svjetlosni izvor poznate svjetline da biste osvijetlili senzor.

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

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

Glavna razlika između optičkih i infracrvenih senzora je raspon lakih talasnih dužina koje otkrivaju.Optički senzori uglavnom se odnose na senzore koji mogu osjetiti talasne dužine u vidljivom rasponu.Infracrveni senzori posebno otkrivaju infracrvene svjetlosne valne dužine, koje su nevidljive ljudskom oku.Infracrveni senzori se obično koriste u termičkim kamerama za snimanje, oprema za noćni vid i neke vrste komunikacijske opreme.

5. Da li su optički senzori pasivni ili aktivni?

Optički senzori mogu biti pasivni ili aktivni, ovisno o tome da li im je potreban vanjski izvor svjetlosti.

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

Aktivni optički senzori: zahtijevaju vanjski izvor svjetla da bi osvijetlio cilj, a zatim otkriti svjetlost koja se odražava ili prenosi iz cilja.