Pochopenie optických senzorov: typy, princípy a aplikácie
2024-05-24 9156

Optické senzory hrajú kľúčovú úlohu v modernej elektronickej technológii.Tieto senzory detekujú umiestnenie, prítomnosť a charakteristiky objektov emitovaním a prijímaním svetelných signálov a široko sa používajú v oblastiach, ako je priemyselná automatizácia, spotrebná elektronika, biomedicína a monitorovanie životného prostredia.Tento článok sa ponorí do rôznych typov, pracovných princípov a praktických aplikácií optických senzorov, aby pomohol čitateľom plne porozumieť dôležitosti a potenciálu aplikačného senzorov v rôznych technických scenároch.Od štruktúry mostov optických senzorov po jedinečné charakteristiky rôznych typov optických senzorov až po konkrétne príklady v aplikáciách v reálnom svete, tento článok odhalí rozmanitosť a zložitosť optických senzorov.

Katalóg

Obrázok 1: Optický senzor

Čo je optický senzor?

Ten Optický senzor Dizajn je založený na obvode Wheatstone Bridge.V elektrotechnikovom inžinierstve používa Wheatstone Bridge kombináciu známych a neznámych odporov na určenie hodnoty neznámeho odporu porovnaním napätia.Podobne aj senzory ľahkého mosta používajú na detekciu zmien v polohe lúča mostíkovú štruktúru so štyrmi fotodetektormi.

Po prvé, operátor nastavuje polohu detektorov, aby sa zabezpečilo, že lúč rovnomerne zasiahne všetky štyri detektory.Keď je lúč odklonený, každý detektor zachytí inú intenzitu svetla.Obvody potom tieto signály spracúvajú, aby sa určila presná poloha a posunutie lúča.

Obrázok 2: Optický senzor

Napríklad, ak sa lúč presunie doprava, pravý detektor prijíma viac svetla a ľavý detektor prijíma menej svetla.Procesor signálu obvodu rýchlo rozpoznáva a vypočíta túto zmenu a výstupné údaje o presnej polohe.Tento proces je rýchly a vysoko presný, vďaka čomu sú optické senzory dôležité v automatizovaných zariadeniach a vysoko presných polohovacích systémoch.

Pracovný princíp optického senzora

Optické senzory detekujú umiestnenie alebo prítomnosť objektov emitovaním svetla a zachytením odrazov alebo prerušeniami týchto lúčov.Senzor používa svetlo emitujúce diódy (LED) na vydanie lúča svetla.Keď sa tento lúč stretne s objektom, môže sa odrážať na senzor alebo blokovaný objektom.

Obrázok 3: Pracovný princíp optického senzora

Na automatizovanej montážnej linke operátori upravujú polohu a citlivosť senzorov na základe charakteristík objektu, ako je materiál, veľkosť a očakávané umiestnenie.Schopnosť senzora detegovať objekty je nezávislá od materiálu, či už dreva, kovu alebo plastu, čo je ideálne pre prostredie výroby viacerých materiálov.

Napríklad detekcia fliaš s priehľadným sklenením vyžaduje nastavenie senzora na rozpoznávanie priehľadných materiálov.Transparentné objekty neodrážajú efektívne svetlo, takže senzor vyžaduje vyššiu citlivosť alebo špeciálny zdroj svetla (napríklad infračervené).

V rámci svojho návrhu senzor hodnotí odrazené alebo prerušené svetelné lúče.Keď objekt blokuje lúč, senzor okamžite pošle signál do riadiaceho systému označujúci umiestnenie alebo priechod objektu.Ak sa svetlo odráža, senzor používa intenzitu a uhol odrazu na určenie charakteristík objektu, ako je veľkosť a povrchový materiál.

Typy optických senzorov

Existuje mnoho typov optických senzorov, z ktorých každý má konkrétne prevádzkové princípy a aplikácie.Nasledujú niektoré bežné typy optických senzorov používaných v scenároch v reálnom svete.

Fotoconduktívne zariadenia menia vodivosť materiálov na základe intenzity svetla.Keď svetlo zasiahne senzor, elektróny v materiáli absorbujú svetelnú energiu a skočia do vodivého pásu, čím sa zvyšuje vodivosť materiálu.Fotoconduktívne zariadenia sa používajú v systémoch detekcie intenzity svetla, ako sú automatické stmievanie žiaroviek.Prevádzkovatelia musia pri úprave týchto zariadení zvážiť podmienky okolitého svetla a časy odozvy, aby zabezpečili presnú kontrolu.

Fotovoltaické bunky (solárne články) premieňajú svetelnú energiu priamo na elektrickú energiu prostredníctvom fotoelektrického účinku v polovodičových materiáloch.Fotóny vzrušujú elektróny z valenčného pásma do vodivého pásu, vytvárajú páry elektrónových otvorov a vytvárajú elektrický prúd.Tieto batérie sa široko používajú na výrobu energie a poháňanie vzdialených zariadení, ako sú satelity a vonkajšie sledovacie kamery.

Obrázok 4: Fotovoltaické bunky

Fotodiódy používajú fotoelektrický efekt na premenu svetla na elektrický prúd.Keď svetlo zasiahne oblasť aktivácie, ich vnútorná štruktúra môže rýchlo reagovať a generovať elektrický prúd.Tieto senzory sa bežne používajú v detekcii ľahkých impulzov a komunikačných zariadení, ako sú diaľkové ovládacie prvky a optické systémy vlákien.

Obrázok 5: fotodiódy

Fototransistory sú v podstate fotodiód s vnútorným ziskom.Keď svetlo zasiahne križovatku základného kolektora, generuje sa interne zosilnený prúd, vďaka čomu je vhodný na detekciu slabých svetelných signálov.Tieto senzory sú obzvlášť užitočné v aplikáciách, ktoré si vyžadujú vysokú citlivosť, ako je napríklad optické meracie zariadenia v laboratóriách.

Obrázok 6: Phototransistory

Reflexný senzor

Reflexné senzory kombinujú vysielač a prijímač v jednom zariadení, čo umožňuje odrážať emitovaný lúč k prijímaču cez reflexný povrch alebo povrch objektu.Keď objekt vstúpi do cesty lúča, preruší svetlo a spustí senzor.

Na nastavenie senzora je potrebné správne umiestniť a správne nakloniť, aby sa optimálny odraz.Prevádzkovateľ musí upraviť polohu senzora, aby sa zabezpečil, že reflexný povrch je dostatočne veľký a správne zarovnaný, aby účinne odrážal lúč k prijímaču.

Napríklad v automatizovaných obalových linkách reflexné senzory detekujú výrobky pohybujúce sa na dopravnom pásme.Prevádzkovateľ umiestni senzor na jednu stranu dopravného pásu a hladký reflektor na druhú stranu.Keď produkt prechádza a blokuje lúč, senzor zistí prerušenie a odošle signál na spustenie akcií, ako je zastavenie dopravníka alebo prenos produktu.

Jednou z výhod reflexných senzorov je ich schopnosť pracovať na veľké vzdialenosti a ich tolerancia voči širokému spektru povrchových vlastností.Pokiaľ sa odráža dostatok svetla, dokáže zistiť objekty bez ohľadu na farbu alebo povrchovú textúru.Táto univerzálnosť robí reflexné senzory ideálne pre úlohy priemyselnej automatizácie, navigácie robotov a úloh klasifikácie položiek.

Snímač cez lúč

Senzor cez lúč pozostáva z dvoch hlavných komponentov: vysielač a prijímač, umiestnený oproti sebe, zvyčajne na diaľku.Vysielač nepretržite vysiela do prijímača lúč svetla.Keď objekt blokuje tento lúč, prijímač detekuje oklúziu a prevádza ho na elektronický signál, ktorý spúšťa prepínajúcu operáciu.

Na nastavenie snímača je potrebné presne zarovnať vysielač a prijímač.Zahŕňa to úpravu ich polohy a uhla tak, aby lúč z vysielača zasiahol prijímač priamo.Prevádzkovatelia musia brať do úvahy environmentálne faktory, ako sú svetlo na pozadí a potenciálne zdroje rušenia, aby sa predišlo falošnému spusteniu.

Obrázok 7: Senzor cez lúče

Napríklad pri vstupe do veľkého skladu monitoruje priekopnícke senzory na neoprávnený vstup.Vysielač a prijímač sú umiestnené na oboch stranách dverí.Keď niekto alebo objekt prechádza dverami, lúč je prerušený a systém spustí alarm.

Jednou z veľkých výhod snímačov cez lúče je ich schopnosť pracovať na veľké vzdialenosti, vďaka čomu sú ideálne na monitorovanie veľkých oblastí.Detekcia je založená na prerušení lúča, takže senzor nie je citlivý na veľkosť, farbu alebo povrchovú štruktúru objektu.Objekt však musí byť dostatočne veľký na to, aby úplne pokryl optickú cestu medzi vysielačom a prijímačom.

Senzory cez lúče sa široko používajú v priemyselných automatizačných a bezpečnostných systémoch, najmä v prostrediach, kde je potrebné monitorovanie na veľké vzdialenosti a vysoká spoľahlivosť.Sú ideálne na detekciu položiek na výrobných linkách a sledovanie vysokorýchlostných pohybujúcich sa objektov.Pochopením týchto prevádzkových detailov môžu operátori zabezpečiť efektívne a spoľahlivé používanie snímačov cez lúče v rôznych aplikáciách.

Rozptýlený snímač odrazu

Difúzne senzory odrazivosti kombinujú vysielač a prijímač v jednom zariadení.Funguje tým, že vydáva svetlo a prijíma svetlo rozptýlené dozadu od meraného objektu.Senzor je obzvlášť užitočný na detekciu objektov s komplexnými povrchmi alebo tvarmi, ako je tkanina, drevo alebo nepravidelne tvarovaný kov.

Najprv nastavte citlivosť senzora tak, aby zodpovedala reflexným vlastnostiam rôznych materiálov a farieb.Prevádzkovatelia musia upraviť zariadenie na základe špecifickej odrazivosti objektu.To zaisťuje, že odrazené svetlo je dostatočné na zachytenie prijímača, čím sa zabráni falošným hodnotám v dôsledku príliš silného alebo príliš slabého svetla.

Obrázok 8: Senzor difúzneho odrazu

Napríklad v automatizovaných obalových systémoch detekuje štítky na obalových skrinkách.Prevádzkovateľ nastaví senzor tak, aby stroj presne identifikoval každé políčko, aj keď štítky majú rôzne odrazivosti.Vyžaduje si to presnú kontrolu intenzity emitovaného svetla a citlivosť prijímača.

Difúzne senzory môžu mať problémy s nerovnomerným rozptylom svetla, najmä ak je svetlo odrážané zo zadnej časti objektu koncentrovanejšie ako svetlo odrážané spredu.Na vyriešenie tohto problému je senzor navrhnutý pomocou technológie viacbodovej detekcie na zníženie chýb.Prevádzkovatelia musia zvážiť tieto faktory a experimentálne určovať optimálnu citlivosť a uhle emisií, aby sa zabezpečila presná a spoľahlivá detekcia.

Pravidelná údržba a kalibrácia zabezpečuje dlhodobú stabilnú prevádzku.To zahŕňa čistenie šošovky senzora, aby sa zabránilo interferovaniu prachu a nečistotám v prenose svetla.

Rôzne zdroje svetla pre optické senzory

Zdroj svetla je veľmi dôležitý pre návrh a funkčnosť optických senzorov.Moderné optické senzory zvyčajne používajú monochromatický zdroj svetla, ktorý poskytuje stabilné, konzistentné svetlo, čo umožňuje vysoko presné merania a optickú komunikáciu.

Lasery produkujú vysoko koherentné lúče svetla vzrušujúcimi atómami v konkrétnom médiu, ako je plyn, kryštál alebo špeciálne sklo.Lúč produkovaný laserom je veľmi zameraný a môže sa prenášať na veľké vzdialenosti bez významného šírenia.Vďaka tomu sú ideálne pre aplikácie, ktoré si vyžadujú presné umiestnenie a komunikáciu na dlhé vzdialenosti, ako sú komunikácie z optických vlákien a presné meranie zariadení.V prevádzke lasery vyžadujú presné riadenie energie a kontrolu životného prostredia, aby sa udržali stabilný výstup.V dôsledku potenciálnych nebezpečenstiev laserov s vysokou intenzitou musia operátori zabezpečiť bezpečné riadenie laserov.

LED diódy (diódy emitujúce svetlo) sa oceňujú pre svoju malú veľkosť, vysokú účinnosť a dlhú životnosť.Emitujú svetlo rekombináciou elektrónov a otvorov v polovodičovom materiáli (zvyčajne dotované oblasti typu N- a P).LED diódy môžu pokrývať širokú škálu vlnových dĺžok od infračervených po ultrafialové.Nekoherentné svetlo LED diódy je vhodné pre rôzne aplikácie osvetlenia a indikácie, ako sú semafory a systémy inteligentného osvetlenia.Nasadenie LED je relatívne jednoduché a nevyžaduje zložité bezpečnostné opatrenia, ako sú lasery.Zabezpečenie konzistentnosti a trvanlivosti zdrojov svetla LED si však vyžaduje presnú kontrolu prúdu.

Oba svetelné zdroje majú svoje výhody a nevýhody.Výber závisí od konkrétnych požiadaviek na aplikáciu.Lasery sa bežne používajú v presných optických experimentoch a vysokorýchlostnej optickej komunikácii, zatiaľ čo LED diódy sa častejšie používajú v spotrebiteľských elektronike a označovacích systémoch.

Indikátor hladiny kvapaliny založený na optickom senzore

Indikátor hladiny kvapaliny založený na optickom senzore je nástroj na meranie presnosti, ktorý využíva princípy lomu a odrazu svetla na detekciu zmien v hladine kvapaliny.Pozostáva z troch hlavných komponentov: infračerveného LED, fototransistora a transparentného hranolu hranolu.

Obrázok 9: Senzor optickej úrovne

Keď je špička hranolu vystavená vzduchu, svetlo z infračervenej LED prechádza úplným vnútorným odrazom v rámci hranolu, čo odráža väčšinu svetla do fototransistora.V tomto stave tranzistor dostáva viac svetla a výstupuje vyšším signálom.

Keď je špička hranolu ponorená do kvapaliny, rozdiel v indexe lomu medzi kvapalinou a vzduchom spôsobuje, že určité svetlo unikne hranolu.To spôsobuje, že menej svetla dosiahne fototransistor, čím sa zníži svetlo, ktoré prijíma, a zníži výstupný signál.

Kroky inštalácie a ladenia:

Uistite sa, že je čistý: špička hranolu musí byť čistá a bez kontaminácie, aby sa zabránilo nepresným hodnotám.Akékoľvek nečistoty alebo zvyšky ovplyvnia odraz svetla.

Umiestnite senzor: Správne zarovnajte špičku hranolu senzora s očakávaným rozsahom zmien hladiny kvapaliny.Upravte polohu senzora tak, aby presne detekoval vzostup a pokles hladiny kvapaliny.

Tento ukazovateľ úrovne je účinný bez ohľadu na farbu alebo čistotu kvapaliny.Funguje spoľahlivo v rôznych tekutých médiách vrátane zakalených alebo farebných tekutín.Optické senzory poskytujú bezkontaktnú metódu merania hladiny kvapaliny, znižujú riziko opotrebenia a kontaminácie senzora a tým predĺžia životnosť zariadenia.

Aplikácia optických senzorov

Optické senzory sa používajú v mnohých poliach kvôli ich vysokej citlivosti a presnosti.Nižšie je uvedený úvod do niektorých kľúčových oblastí aplikácií.

Počítače a automatizácia kancelárskych automatizácií: V počítačoch a kopírovaniach, optické senzory riadia pozíciu a pohyb papiera.Tieto senzory zabezpečujú správny pokrok v papieri a vyhadzovanie počas tlače, čím sa znižujú džemy a chyby.Používajú sa tiež v automatizovaných svietidlách, ako sú svetlá senzorov v chodbách alebo konferenčných miestnostiach, ktoré detekujú ľudí a automaticky zapínajú a vypínajú svetlá, čo šetrí energiu a zvyšujú pohodlie.

Bezpečnostné a sledovacie systémy: V bezpečnostných systémoch sa optické senzory široko používajú na detekciu vniknutia.Zistia, kedy je okno alebo dvere otvorené a spustia alarm.Vo fotografii optické senzory v synchronizátoroch Flash zabezpečujú, aby Flash vystrelil v optimálnom okamihu pre optimálne osvetľovacie efekty.

Biomedicínske aplikácie: V lekárskej oblasti monitorujú optické senzory dýchanie a srdcový rytmus pacienta.Analýzou zmien v odrazenom svetle detekujú malé pohyby hrudníka, aby neinvazívne monitorovali rýchlosť respiračov.Optické monitory srdcovej frekvencie používajú LED diódy na vyžarovanie svetla cez pokožku a na detekciu množstva absorbovaného a odrážaného krvou na výpočet srdcového rytmu.

Senzor okolitého svetla: V smartfónoch a tabletoch snímače okolitého svetla automaticky upravujú jas obrazovky, aby sa optimalizoval displej na základe okolitých podmienok svetla a ušetril energiu batérie.Tieto senzory vyžadujú presnú kalibráciu a citlivé charakteristiky odozvy, aby sa prispôsobili rýchlo sa meniacim podmienkam okolitého svetla a poskytovali používateľom pohodlný vizuálny zážitok.

Záver

Aplikácie optických senzorov v rôznych technologických oblastiach demonštrujú ich širokú funkčnosť a efektívny výkon.Od optických senzorov až po rôzne reflexné a priekopnícke senzory má každý typ optického senzora jedinečné výhody a môže spĺňať rôzne inšpekčné potreby.V priemyselnej automatizácii poskytujú detekciu a kontrolu s vysokou presnosťou;V spotrebnej elektronike zlepšujú inteligenciu vybavenia;Pri monitorovaní biomedicíny a životného prostredia zabezpečujú presnosť a spoľahlivosť údajov.V budúcnosti budú optické senzory s neustálym rozvojom a inováciou technológie zohrávať dôležitejšiu úlohu v rozvíjajúcich sa oblastiach a podporovať rozvoj rôznych odvetví smerom k inteligencii a automatizácii.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Je optický senzor analógový alebo digitálny?

Optické senzory môžu byť analógové alebo digitálne v závislosti od ich návrhu a typu výstupného signálu.Analógové optické senzory výstupu kontinuálne meniace sa napäťové signál, ktorý je úmerný detegovanej intenzite svetla.Digitálne optické senzory výstupné digitálne signály, ako sú binárne kódy, ktoré sa zvyčajne prevedú z analógových signálov prostredníctvom vstavaného analógového až digitálneho prevodníka.

2. Aké sú výhody optického senzora?

Medzi hlavné výhody optických senzorov patrí:

Vysoká citlivosť a presnosť: Schopné zistiť slabé svetelné signály a zmeny jemných objektov.

Meranie bezkontaktného: Meranie sa môže vykonávať bez kontaktu alebo rušenia s cieľom, vhodné na detekciu krehkých alebo nebezpečných látok.

Rýchly čas odozvy: Dokáže rýchlo reagovať na optické zmeny v prostredí, vhodné na dynamické merania.

Široká adaptabilita: Môže pracovať v rôznych podmienkach prostredia vrátane tvrdého alebo nebezpečného prostredia.

3. Ako otestovať optický senzor?

Testovanie optických senzorov zvyčajne zahŕňa nasledujúce kroky:

Pripravte testovacie prostredie: Zabezpečte, aby podmienky okolitého svetla spĺňali prevádzkové špecifikácie senzora.

Pripojte zariadenie: Pripojte snímač k čítaciemu zariadeniu, ako je multimeter alebo počítač.

Kalibrácia: Kalibrujte senzor podľa pokynov výrobcu, aby sa zabezpečila presnosť.

Použite zdroj testovacieho svetla: Na osvetlenie snímača použite zdroj známeho jasu.

Prečítajte si a zaznamenajte výstup: Zaznamenajte výstup senzora a skontrolujte, či reaguje podľa očakávania zmeny v zdroji svetla.

4. Aký je rozdiel medzi optickým senzorom a infračerveným senzorom?

Hlavný rozdiel medzi optickými a infračervenými senzormi je rozsah vlnových dĺžok svetla, ktoré detekujú.Optické senzory sa vo všeobecnosti vzťahujú na senzory schopné snímať vlnové dĺžky vo viditeľnom rozsahu.Infračervené senzory špecificky detekujú infračervené vlnové dĺžky svetla, ktoré sú pre ľudské oko neviditeľné.Infračervené senzory sa bežne používajú v tepelných zobrazovacích fotoaparátoch, v zariadení nočného videnia a niektorých druhov komunikačných zariadení.

5. Sú optické senzory pasívne alebo aktívne?

Optické senzory môžu byť buď pasívne alebo aktívne, v závislosti od toho, či vyžadujú externý zdroj svetla.

Pasívne optické senzory: Nie je potrebný žiadny ďalší zdroj svetla, fungujú tým, že detekujú svetlo z prostredia, ako je slnečné svetlo alebo existujúce osvetlenie.

Aktívne optické senzory: Na osvetlenie cieľa a potom detekujú odrazené alebo vysielané svetlo odrazené alebo vysielané z cieľa.