Razumevanje optičnih senzorjev: vrste, načela in aplikacije
2024-05-24 9194

Optični senzorji igrajo ključno vlogo pri sodobni elektronski tehnologiji.Ti senzorji zaznajo lokacijo, prisotnost in značilnosti predmetov z oddajanjem in prejemanjem svetlobnih signalov in se pogosto uporabljajo na področjih, kot so industrijska avtomatizacija, potrošniška elektronika, biomedicina in spremljanje okolja.Ta članek se bo poglobil v različne vrste, delovna načela in praktične aplikacije optičnih senzorjev, da bi bralcem v celoti razumeli pomen in potencial uporabe optičnih senzorjev v različnih tehničnih scenarijih.Od mostu strukture optičnih senzorjev do edinstvenih značilnosti različnih vrst optičnih senzorjev do posebnih primerov v resničnih aplikacijah bo ta članek razkril raznolikost in zapletenost optičnih senzorjev.

Katalog

Slika 1: Optični senzor

Kaj je optični senzor?

The Optični senzor Oblikovanje temelji na vezju mostu Wheatstone.V elektrotehničnem inženiringu most Wheatstone uporablja kombinacijo znanih in neznanih uporov za določitev vrednosti neznanega upora s primerjavo napetosti.Prav tako lahki mostni senzorji uporabljajo mostno strukturo s štirimi fotodetektorji za zaznavanje sprememb v položaju žarka.

Najprej operater prilagodi položaj detektorjev, da zagotovi, da žarek enakomerno zadene vse štiri detektorje.Ko je žarek odklopljen, vsak detektor zajame drugačno intenzivnost svetlobe.Nato vezje obdela te signale, da določi natančen položaj in odmik žarka.

Slika 2: Optični senzor

Na primer, če se žarek premakne v desno, desni detektor prejme več svetlobe, levi detektor pa manj svetlobe.Signalni procesor vezja hitro prepozna in izračuna to spremembo, pri čemer izdeluje natančne podatke o položaju.Postopek je hiter in zelo natančen, zaradi česar so optični senzorji pomembni v avtomatizirani opremi in visoko natančnih sistemih za pozicioniranje.

Delovno načelo optičnega senzorja

Optični senzorji zaznajo lokacijo ali prisotnost predmetov z oddajanjem svetlobe in zajemanjem odsevov ali prekinitev teh žarkov.Senzor uporablja svetlobne diode (LED), da oddaja žarek svetlobe.Ko ta žarek naleti na predmet, se lahko odraža na senzorju ali blokiran s strani objekta.

Slika 3: Delovno načelo optičnega senzorja

Na avtomatizirani montažni liniji operaterji prilagodijo položaj in občutljivost senzorjev na podlagi značilnosti predmeta, kot so material, velikost in pričakovana lokacija.Sposobnost senzorja za zaznavanje predmetov je neodvisna od materiala, bodisi lesa, kovine ali plastike, zaradi česar je idealen za več-materialna proizvodna okolja.

Na primer, odkrivanje prozornih steklenih steklenic zahteva prilagoditev senzorja za prepoznavanje prozornih materialov.Transparentni predmeti ne odražajo svetlobe učinkovito, zato senzor zahteva večjo občutljivost ali poseben vir svetlobe (na primer infrardeča).

Kot del svoje zasnove senzor oceni odsevne ali prekinjene svetlobne žarke.Ko predmet blokira žarek, senzor takoj pošlje signal krmilnemu sistemu, ki označuje lokacijo ali prehod predmeta.Če se svetloba odseva, senzor uporablja intenzivnost in kot odseva, da določi značilnosti predmeta, kot sta velikost in površinski material.

Vrste optičnih senzorjev

Obstaja veliko vrst optičnih senzorjev, od katerih ima vsaka določena načela in aplikacije delovanja.Sledi nekaj pogostih tipov optičnih senzorjev, ki se uporabljajo v scenarijih v resničnem svetu.

Fotoprevodne naprave spreminjajo prevodnost materialov, ki temeljijo na intenzivnosti svetlobe.Ko svetloba udari senzor, elektroni v materialu absorbirajo svetlobno energijo in skočijo na prevodni pas, kar poveča prevodnost materiala.Fotoprevodne naprave se uporabljajo v sistemih za zaznavanje svetlobe intenzivnosti, kot so samodejne žarnice za zatemnitev.Operaterji morajo razmisliti o pogojih svetlobe v okolici in odzivnih časih, da zagotovijo natančen nadzor pri prilagajanju teh naprav.

Fotovoltaične celice (sončne celice) pretvorijo svetlobno energijo neposredno v električno energijo s fotoelektričnim učinkom v polprevodniških materialih.Fotoni vzbujajo elektrone iz valenčnega pasu do prevodnih pasov, ki ustvarjajo pare elektronov in ustvarjajo električni tok.Te baterije se pogosto uporabljajo za proizvodnjo energije in napajanje oddaljenih naprav, kot so sateliti in zunanje nadzorne kamere.

Slika 4: fotovoltaične celice

Fotodiode uporabljajo fotoelektrični učinek za pretvorbo svetlobe v električni tok.Ko svetloba zadene območje aktivacije, se lahko njihova notranja struktura hitro odzove in ustvari električni tok.Ti senzorji se običajno uporabljajo pri odkrivanju lahkih impulzov in komunikacijski opremi, kot so daljinski upravljalniki in optični sistemi vlaken.

Slika 5: Fotodiode

Fototransistorji so v bistvu fotodiodi z notranjim dobičkom.Ko svetloba udari v stik z osnovnim zbiralnikom, se ustvari interno ojačan tok, zaradi česar je primeren za zaznavanje šibkih svetlobnih signalov.Ti senzorji so še posebej uporabni v aplikacijah, ki zahtevajo visoko občutljivost, kot je optična merilna oprema v laboratorijih.

Slika 6: Fototransistorji

Odsevni senzor

Odsevni senzorji kombinirajo oddajnik in sprejemnik v eni napravi, kar omogoča, da se odpuščeni žarek odseva v sprejemnik skozi odsevno površino ali površino predmeta.Ko predmet vstopi v pot žarka, prekine svetlobo in sproži senzor.

Za nastavitev senzorja ga je treba pravilno namestiti in nagibati za optimalen odsev.Operater mora prilagoditi položaj senzorja, da se zagotovi, da je odsevna površina dovolj velika in pravilno poravnana, da učinkovito odraža žarek do sprejemnika.

Na primer, v avtomatiziranih embalažnih linijah odsevni senzorji zaznajo izdelke, ki se gibljejo na tekočem traku.Operater postavi senzor na eno stran tekočega traku in gladki reflektor na drugi strani.Ko izdelek preide in blokira žarek, senzor zazna prekinitev in pošlje signal, da sproži dejanja, kot sta zaustavitev transporterja ali prenos izdelka.

Ena od prednosti odsevnih senzorjev je njihova sposobnost delovanja na dolge razdalje in toleranco do širokega razpona površinskih lastnosti.Dokler se odseva dovolj svetlobe, lahko zaznajo predmete ne glede na barvo ali teksturo površine.Zaradi te vsestranskosti so odsevni senzorji idealni za naloge za industrijsko avtomatizacijo, navigacijo robotov in klasifikacijo predmetov.

Senzor skozi žar

Senzor skozi žarek je sestavljen iz dveh glavnih komponent: oddajnika in sprejemnika, nameščenega nasproti drug drugega, običajno na daljavo.Oddajnik neprestano pošilja žarek svetlobe na sprejemnik.Ko predmet blokira ta žarek, sprejemnik zazna okluzijo in ga pretvori v elektronski signal, ki sproži preklopno operacijo.

Za nastavitev senzorja je treba oddajnik in sprejemnik natančno uskladiti.To vključuje prilagajanje njihovega položaja in kota, tako da žarek od oddajnika neposredno zadene sprejemnik.Operaterji morajo razmisliti o okoljskih dejavnikih, kot so svetloba v ozadju in potencialni viri motenj, da se izognejo lažnemu sprožitvi.

Slika 7: Senzor skozi žar

Na primer, na vhodu v veliko skladišče spremljajo senzorji skozi žarke za nepooblaščen vstop.Oddajnik in sprejemnik sta nameščena na obeh straneh vrat.Ko nekdo ali predmet preide skozi vrata, se žarek prekine in sistem sproži alarm.

Ena izmed velikih prednosti senzorjev skozi žarke je njihova sposobnost delovanja na dolge razdalje, zaradi česar so idealni za spremljanje velikih območij.Zaznavanje temelji na prekinitvi žarka, zato senzor ni občutljiv na velikost, barvo ali površinsko strukturo predmeta.Vendar mora biti predmet dovolj velik, da popolnoma pokrije optično pot med oddajnikom in sprejemnikom.

Senzorji skozi žarke se pogosto uporabljajo v industrijski avtomatizaciji in varnostnih sistemih, zlasti v okoljih, kjer sta potrebna spremljanje na dolge razdalje in velika zanesljivost.So idealni za odkrivanje predmetov na proizvodnih linijah in sledenje hitrim premikajočim se predmeti.Z razumevanjem teh operativnih podrobnosti lahko operaterji zagotovijo učinkovito in zanesljivo uporabo senzorjev skozi žarke v različnih aplikacijah.

Difuzni odbojni senzor

Razpršeni senzorji odbojnosti združujejo oddajnik in sprejemnik v eni napravi.Deluje tako, da oddaja svetlobo in sprejema svetlobo, raztreseno nazaj iz merjenega predmeta.Senzor je še posebej uporaben za odkrivanje predmetov s kompleksnimi površinami ali oblikami, kot so tkanina, les ali nepravilno oblikovana kovina.

Najprej nastavite občutljivost senzorja, da se ujema z odsevnimi lastnostmi različnih materialov in barv.Operaterji morajo prilagoditi opremo na podlagi posebne odbojnosti predmeta.To zagotavlja, da odraz svetlobe zadostuje, da lahko sprejemnik zajame, pri čemer se izogne ​​lažnim odčitkam zaradi premočne ali prešibke svetlobe.

Slika 8: Difuzni odbojni senzor

Na primer, v avtomatiziranih embalažnih sistemih razpršeni senzorji odbojnosti zaznajo etikete na embalažnih škatlah.Operater prilagodi senzor tako, da stroj natančno identificira vsako polje, tudi če imajo nalepke drugačne odseve.To zahteva natančen nadzor intenzivnosti izpuščene svetlobe in občutljivosti sprejemnika.

Difuzni senzorji lahko doživljajo težave zaradi neenakomernega razprševanja svetlobe, še posebej, če je svetloba, ki se odraža iz zadnjega dela predmeta, bolj koncentrirana kot svetloba, ki se odraža od spredaj.Za rešitev te težave je senzor zasnovan s pomočjo večtočkovne tehnologije za odkrivanje napak.Operaterji morajo upoštevati te dejavnike in eksperimentalno določiti optimalno občutljivost in kot emisije, da se zagotovi natančno in zanesljivo odkrivanje.

Redno vzdrževanje in umerjanje zagotavljata dolgoročno stabilno delovanje.To vključuje čiščenje senzorske leče, da se prah in nečistoče ne motijo ​​prenos svetlobe.

Različni svetlobni viri za optične senzorje

Vir svetlobe je zelo pomemben za oblikovanje in funkcionalnost optičnih senzorjev.Sodobni optični senzorji običajno uporabljajo enobarvni vir svetlobe, ki zagotavlja stabilno, dosledno svetlobo, ki omogoča visoko natančne meritve in optične komunikacije.

Laserji proizvajajo zelo skladne žarke svetlobe z vznemirljivimi atomi v določenem mediju, kot so plin, kristal ali posebno kozarec.Žarek, ki ga proizvaja laser, je zelo osredotočen in se lahko prenaša na dolge razdalje brez pomembnega širjenja.Zaradi tega so idealni za aplikacije, ki zahtevajo natančno pozicioniranje in komunikacije na dolge razdalje, kot so optična komunikacija in natančna merilna oprema.V delovanju laserji potrebujejo natančno upravljanje električne energije in nadzor okolja, da ohranijo stabilni proizvod.Zaradi možnih nevarnosti visokointenzivnih laserjev morajo operaterji zagotoviti varno upravljanje z laserjem.

LED (diode, ki oddajajo svetlobo) so cenjene zaradi svoje majhnosti, visoke učinkovitosti in dolge življenjske dobe.Svetlobo oddajajo z rekombinacijo elektronov in lukenj v polprevodniškem materialu (običajno N- in P-tipa dopirana območja).LED lahko pokrijejo široko paleto valovnih dolžin od infrardečega do ultravijoličnega.Neskladna svetloba LED je primerna za različne aplikacije za osvetlitev in indikacije, kot so semaforji in sistemi pametne razsvetljave.Uvajanje LED -jev je razmeroma preprosto in ne potrebuje zapletenih varnostnih ukrepov, kot so laserji.Vendar pa je za zagotavljanje doslednosti in trajnosti virov LED svetlobe potreben natančen nadzor toka.

Oba svetlobna vira imata svoje prednosti in slabosti.Izbira je odvisna od posebnih zahtev za uporabo.Laserji se običajno uporabljajo v natančnih optičnih poskusih in visokohitrostnih optičnih komunikacijah, medtem ko se LED pogosteje uporabljajo v potrošniški elektroniki in sistemih označevanja.

Kazalnik ravni tekočine na osnovi optičnega senzorja

Kazalnik ravni tekočine, ki temelji na optičnem senzorju, je orodje za natančnost merjenja, ki za zaznavanje sprememb v ravni tekočine uporablja načela loma in odseva svetlobe.Sestavljen je iz treh glavnih komponent: infrardeča LED, fototransistor in prozoren konica prizme.

Slika 9: Senzor optične ravni

Ko je konica prizme izpostavljena zraku, svetloba z infrardeče LED podvrže popolni notranji odsevi znotraj prizme, kar odraža večino svetlobe do fototransistorja.V tem stanju tranzistor prejme več svetlobe in oddaja višji signal.

Ko je konica prizme potopljena v tekočino, razlika v indeksu loma med tekočino in zrakom povzroči, da se nekaj svetlobe izogne ​​prizmi.To povzroči, da manj svetlobe doseže fototransistor in s tem zmanjša svetlobo, ki jo prejme, in zniža izhodni signal.

Koraki namestitve in odpravljanja napak:

Prepričajte se, da je čist: Nasvet prizme mora biti čist in brez kontaminacije, da prepreči netočno odčitke.Vsaka umazanija ali ostanek bo vplivala na svetlobno refleksijo.

Postavite senzor: pravilno poravnajte konico prizme senzorja s pričakovanim območjem sprememb ravni tekočine.Prilagodite položaj senzorja, tako da natančno zazna vzpon in padec ravni tekočine.

Ta kazalnik ravni je učinkovit ne glede na barvo ali jasnost tekočine.Deluje zanesljivo v različnih tekočih medijih, vključno z močnimi ali barvnimi tekočinami.Optični senzorji zagotavljajo nekontaktno metodo merjenja ravni tekočine, zmanjšajo tveganje za obrabo senzorjev in kontaminacijo ter s tem podaljšajo življenjsko dobo opreme.

Uporaba optičnih senzorjev

Optični senzorji se uporabljajo na številnih področjih zaradi visoke občutljivosti in natančnosti.Spodaj je uvod v nekatera ključna področja uporabe.

Računalniki in oprema za avtomatizacijo pisarniške pisarne: V računalnikih in kopiranjih optični senzorji nadzorujejo položaj in gibanje papirja.Ti senzorji zagotavljajo pravilen vnaprejšnji papir in izmet med tiskanjem, kar zmanjšuje marmelade in napake.Uporabljajo se tudi v avtomatiziranih osvetlitvah, kot so senzorske luči v hodnikih ali konferenčnih dvoranah, ki zaznajo ljudi in samodejno prižgejo in izklopijo luči, prihranijo energijo in povečujejo udobje.

Varnostni in nadzorni sistemi: V varnostnih sistemih se optični senzorji pogosto uporabljajo za odkrivanje vdorov.Zaznajo, kdaj se odpre okno ali vrata, in sprožijo alarm.Pri fotografiji optični senzorji v Flash Synchronizers zagotavljajo, da bliskavica v optimalnem trenutku sproži za optimalne svetlobne učinke.

Biomedicinske aplikacije: Na medicinskem področju optični senzorji spremljajo bolnikovo dihanje in srčni utrip.Z analizo sprememb v odsevni svetlobi zaznajo drobne gibe prsnega koša za neinvazivno spremljanje hitrosti dihanja.Optični monitorji srčnega utripa uporabljajo LED za oddajanje svetlobe skozi kožo in zaznajo količino, ki se absorbira in odraža kri za izračun srčnega utripa.

Senzor Ambient Light: V pametnih telefonih in tabličnih računalnikih senzorji ambientalne svetlobe samodejno prilagodijo svetlost zaslona, ​​da optimizirajo zaslon na podlagi okoliških svetlobnih pogojev in prihrani energijo baterije.Ti senzorji zahtevajo natančne kalibracijske in občutljive značilnosti odziva, da se prilagodijo hitro spreminjajočim se pogojem svetlobne okolice in uporabnikom nudijo udobno vizualno izkušnjo.

Zaključek

Uporaba optičnih senzorjev na različnih tehnoloških poljih kažejo njihovo široko funkcionalnost in učinkovito delovanje.Od optičnih senzorjev do različnih odsevnih in skozi žarkov senzorjev ima vsaka vrsta optičnega senzorja edinstvene prednosti in lahko zadovolji različne potrebe po pregledu.Pri industrijski avtomatizaciji zagotavljajo visoko natančno odkrivanje in nadzor;V potrošniški elektroniki izboljšujejo inteligenco opreme;Pri biomedicini in okoljskem spremljanju zagotavljajo natančnost in zanesljivost podatkov.V prihodnosti bodo z nenehnim napredovanjem in inovacijami tehnologije optični senzorji igrali pomembnejšo vlogo na bolj nastajajočih področjih in spodbujali razvoj različnih panog v smeri inteligence in avtomatizacije.

Pogosto zastavljena vprašanja [FAQ]

1. Ali je optični senzor analogni ali digitalni?

Optični senzorji so lahko analogni ali digitalni, odvisno od njihove zasnove in vrste izhodnega signala.Analogni optični senzorji oddajajo neprekinjeno spreminjajoč se napetostni signal, ki je sorazmeren zaznani intenzivnosti svetlobe.Digitalni optični senzorji Izvajajo digitalne signale, kot so binarne kode, ki se običajno pretvorijo iz analognih signalov z vgrajenim analognim-digitalnim pretvornikom.

2. Katere so prednosti optičnega senzorja?

Glavne prednosti optičnih senzorjev vključujejo:

Visoka občutljivost in natančnost: sposobna zaznati šibke svetlobne signale in subtilne spremembe predmetov.

Merjenje brezkontakta: Merjenje se lahko izvede brez stika ali motenj v cilj, primerno za odkrivanje krhkih ali nevarnih snovi.

Hiter odzivni čas: Sposobnost se hitro odzove na optične spremembe v okolju, primerne za dinamične meritve.

Široka prilagodljivost: lahko deluje v različnih okoljskih razmerah, vključno z ostrim ali nevarnim okoljem.

3. Kako preizkusiti optični senzor?

Testiranje optičnih senzorjev običajno vključuje naslednje korake:

Pripravite testno okolje: zagotovite, da pogoji svetlobe v okolici ustrezajo operativnim specifikacijam senzorja.

Priključite napravo: Senzor priključite na bralno napravo, na primer multimeter ali računalnik.

Kalibracija: kalibrirajte senzor v skladu z navodili proizvajalca, da zagotovite natančnost.

Za osvetlitev senzorja uporabite testni vir svetlobe: uporabite svetlobni vir znane svetlosti.

Preberite in zapišite izhod: Zapišite izhod senzorja in preverite, ali reagira, kot je pričakovano, da se spremeni v viru svetlobe.

4. Kakšna je razlika med optičnim senzorjem in infrardečim senzorjem?

Glavna razlika med optičnimi in infrardečimi senzorji je obseg svetlobnih valovnih dolžin, ki jih zaznajo.Optični senzorji se na splošno nanašajo na senzorje, ki lahko zaznajo valovne dolžine v vidnem območju.Infrardeči senzorji posebej zaznajo infrardeče svetlobne valovne dolžine, ki so nevidni za človeško oko.Infrardeči senzorji se običajno uporabljajo pri toplotnih slikah, opremi nočnega vida in nekaterih vrstah komunikacijske opreme.

5. Ali so optični senzorji pasivni ali aktivni?

Optični senzorji so lahko pasivni ali aktivni, odvisno od tega, ali potrebujejo zunanji vir svetlobe.

Pasivni optični senzorji: Ni potreben dodatni vir svetlobe, delujejo z zaznavanjem svetlobe iz okolja, kot sta sončna svetloba ali obstoječa razsvetljava.

Aktivni optični senzorji: Za osvetlitev cilja potrebujete zunanji vir svetlobe in nato zaznamo, da se svetloba odseva ali prenaša iz cilja.