Forstå optiske sensorer: Typer, prinsipper og applikasjoner
2024-05-24 9215

Optiske sensorer spiller en nøkkelrolle i moderne elektronisk teknologi.Disse sensorene oppdager plassering, tilstedeværelse og egenskaper ved objekter ved å avgi og motta lyssignaler og er mye brukt i felt som industriell automatisering, forbrukerelektronikk, biomedisin og miljøovervåking.Denne artikkelen vil fordype seg i de forskjellige typene, arbeidsprinsippene og praktiske anvendelser av optiske sensorer for å hjelpe leserne med å forstå viktigheten og applikasjonspotensialet til optiske sensorer i forskjellige tekniske scenarier.Fra brostrukturen til optiske sensorer til de unike egenskapene til forskjellige typer optiske sensorer, til spesifikke eksempler i virkelige applikasjoner, vil denne artikkelen avsløre mangfoldet og kompleksiteten til optiske sensorer.

Katalog

Figur 1: Optisk sensor

Hva er en optisk sensor?

De Optisk sensor Design er basert på Wheatstone Bridge Circuit.I elektroteknikk bruker en wheatstone -bro en kombinasjon av kjente og ukjente motstander for å bestemme verdien av den ukjente motstanden ved å sammenligne spenningen.På samme måte bruker lette brosensorer en brostruktur med fire fotodetektorer for å oppdage endringer i bjelkeposisjonen.

Først justerer operatøren detektorens plassering for å sikre at strålen treffer alle fire detektorene jevnt.Når strålen avbøyes, fanger hver detektor en annen lysintensitet.Kretsene behandler deretter disse signalene for å bestemme den nøyaktige plasseringen og forskyvningen av bjelken.

Figur 2: Optisk sensor

For eksempel, hvis strålen beveger seg til høyre, mottar høyre detektor mer lys og venstre detektor får mindre lys.Krets signalprosessor gjenkjenner og beregner raskt denne endringen og gir ut nøyaktige posisjonsdata.Prosessen er rask og svært nøyaktig, noe som gjør optiske sensorer viktige i automatisert utstyr og posisjoneringssystemer med høy presisjon.

Arbeidsprinsipp for optisk sensor

Optiske sensorer oppdager plasseringen eller tilstedeværelsen av objekter ved å avgi lys og fange refleksjoner eller avbrudd i disse strålene.Sensoren bruker lysemitterende dioder (LED) for å avgi en lysstråle.Når denne strålen møter et objekt, kan den reflekteres til sensoren eller blokkeres av objektet.

Figur 3: Arbeidsprinsipp for optisk sensor

På en automatisert samlebånd justerer operatørene posisjonen og følsomheten til sensorer basert på egenskapene til objektet, for eksempel materiale, størrelse og forventet plassering.Sensorens evne til å oppdage objekter er uavhengig av materialet, enten tre, metall eller plast, noe som gjør det ideelt for produksjonsmiljøer med flere materialer.

For eksempel krever det å oppdage klare glassflasker å justere sensoren for å gjenkjenne gjennomsiktige materialer.Gjennomsiktige gjenstander reflekterer ikke lys effektivt, så sensoren krever høyere følsomhet eller en spesiell lyskilde (for eksempel infrarød).

Som en del av designen evaluerer sensoren reflektert eller avbrutt lysstråler.Når et objekt blokkerer bjelken, sender sensoren umiddelbart et signal til kontrollsystemet som indikerer objektets beliggenhet eller passasje.Hvis lyset reflekteres, bruker sensoren intensiteten og vinkelen på refleksjonen for å bestemme egenskapene til objektet, for eksempel størrelse og overflatemateriale.

Typer optiske sensorer

Det er mange typer optiske sensorer, hver med spesifikke driftsprinsipper og applikasjoner.Følgende er noen vanlige optiske sensortyper som brukes i den virkelige scenariene.

Fotokonduktive enheter endrer konduktiviteten til materialer basert på lysintensitet.Når lys slår sensoren, absorberer elektroner i materialet lysenergien og hopper til ledningsbåndet, og øker materialets konduktivitet.Fotokonduktive enheter brukes i lysintensitetsdeteksjonssystemer, for eksempel automatiske dimmingslamper.Operatører må vurdere omgivelseslysforhold og responstid for å sikre presis kontroll når du justerer disse enhetene.

Fotovoltaiske celler (solceller) omdanner lysenergi direkte til elektrisk energi gjennom den fotoelektriske effekten i halvledermaterialer.Fotoner begeistrer elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet, og skaper elektronhullpar og genererer elektrisk strøm.Disse batteriene er mye brukt til energiproduksjon og driver eksterne enheter som satellitter og utendørs overvåkningskameraer.

Figur 4: Photovoltaic celler

Fotodioder bruker den fotoelektriske effekten for å konvertere lys til elektrisk strøm.Når lys treffer aktiveringsområdet, kan deres interne struktur reagere raskt og generere en elektrisk strøm.Disse sensorene brukes ofte i lyspulsdeteksjon og kommunikasjonsutstyr som fjernkontroller og fiberoptiske systemer.

Figur 5: Fotodioder

Fototransistorer er i hovedsak fotodioder med intern forsterkning.Når lyset slår base-samler-krysset, genereres en internt forsterkning, noe som gjør den egnet for å oppdage svake lyssignaler.Disse sensorene er spesielt nyttige i applikasjoner som krever høy følsomhet, for eksempel optisk måleutstyr i laboratorier.

Figur 6: Fototransistorer

Reflekterende sensor

Reflekterende sensorer kombinerer en sender og mottaker i en enkelt enhet, slik at den utsendte strålen kan reflekteres til mottakeren gjennom en reflekterende overflate eller objektoverflate.Når et objekt kommer inn i banen til bjelken, avbryter det lyset og utløser sensoren.

For å sette opp sensoren, må den plasseres og vippes riktig for optimal refleksjon.Operatøren må justere sensorens plassering for å sikre at den reflekterende overflaten er stor nok og riktig justert for å effektivt reflektere bjelken til mottakeren.

For eksempel, i automatiserte emballasjelinjer, oppdager reflekterende sensorer produkter som beveger seg på et transportbånd.Operatøren plasserer sensoren på den ene siden av transportbåndet og den glatte reflektoren på den andre siden.Når et produkt går gjennom og blokkerer bjelken, oppdager sensoren avbruddet og sender et signal for å utløse handlinger som å stoppe transportøren eller overføre produktet.

En av fordelene med reflekterende sensorer er deres evne til å operere over lange avstander og deres toleranse for et bredt spekter av overflateegenskaper.Så lenge nok lys reflekteres, kan de oppdage objekter uavhengig av farge- eller overflatestruktur.Denne allsidigheten gjør reflekterende sensorer ideelle for industriell automatisering, robotnavigasjon og vareklassifiseringsoppgaver.

Gjennom strålesensor

En gjennomgangssensor består av to hovedkomponenter: en sender og en mottaker, plassert overfor hverandre, vanligvis på avstand.Senderen sender kontinuerlig en lysstråle til mottakeren.Når et objekt blokkerer denne bjelken, oppdager en mottaker okklusjonen og konverterer den til et elektronisk signal, som utløser en koblingsoperasjon.

For å sette opp sensoren, må senderen og mottakeren være nøyaktig justert.Dette innebærer å justere deres posisjon og vinkel slik at bjelken fra senderen treffer mottakeren direkte.Operatører må vurdere miljøfaktorer som bakgrunnslys og potensielle kilder til forstyrrelser for å unngå falsk utløsing.

Figur 7: Gjennom strålesensor

For eksempel, ved inngangen til et stort lager, overvåker gjennomstråle sensorer for uautorisert inngang.Senderen og mottakeren er plassert på begge sider av døren.Når noen eller et objekt passerer gjennom døren, blir strålen avbrutt og systemet utløser alarm.

En av de store fordelene med gjennomføringsføler er deres evne til å operere over lange avstander, noe som gjør dem ideelle for å overvåke store områder.Deteksjon er basert på stråleavbrudd, så sensoren er ikke følsom for størrelsen, fargen eller overflatestrukturen til objektet.Imidlertid må objektet være stort nok til å dekke den optiske banen mellom senderen og mottakeren fullstendig.

Gjennom strålesensorer er mye brukt i industriell automatisering og sikkerhetssystemer, spesielt i miljøer der overvåking av langdistanse og høy pålitelighet er nødvendig.De er ideelle for å oppdage elementer på produksjonslinjer og spore høyhastighets bevegelige gjenstander.Ved å forstå disse operasjonelle detaljene, kan operatørene sikre effektiv og pålitelig bruk av gjennomføringsføler i en rekke applikasjoner.

Diffus refleksjonssensor

Diffuse refleksjonssensorer kombinerer sender og mottaker i en enhet.Det fungerer ved å avgi lys og motta lys spredt tilbake fra objektet som måles.Sensoren er spesielt nyttig for å oppdage gjenstander med komplekse overflater eller former, for eksempel stoff, tre eller uregelmessig formet metall.

Sett først sensorens følsomhet for å matche de reflekterende egenskapene til forskjellige materialer og farger.Operatører må justere utstyret basert på objektets spesifikke refleksjonsevne.Dette sikrer at det reflekterte lyset er tilstrekkelig for mottakeren til å fange opp, og unngår falske avlesninger på grunn av for sterkt eller for svakt lys.

Figur 8: Diffus refleksjonssensor

For eksempel, i automatiserte emballasjesystemer, oppdager diffuse refleksjonssensorer etiketter på emballasjesker.Operatøren justerer sensoren slik at maskinen identifiserer hver boks nøyaktig, selv om etikettene har forskjellige refleksjoner.Dette krever presis kontroll av intensiteten til det utsendte lyset og mottakerens følsomhet.

Diffuse sensorer kan oppleve problemer på grunn av ujevn lysspredning, spesielt når lyset som reflekteres fra baksiden av et objekt er mer konsentrert enn lyset som reflekteres fra fronten.For å løse dette problemet er sensoren designet ved hjelp av deteksjonsteknologi med flere punkt for å redusere feil.Operatører må vurdere disse faktorene og eksperimentelt bestemme den optimale følsomheten og utslippsvinkelen for å sikre nøyaktig og pålitelig deteksjon.

Regelmessig vedlikehold og kalibrering sikrer langsiktig stabil drift.Dette inkluderer rengjøring av sensorobjektivet for å forhindre at støv og urenheter forstyrrer lysoverføring.

Ulike lyskilder for optiske sensorer

Lyskilden er veldig viktig for design og funksjonalitet til optiske sensorer.Moderne optiske sensorer bruker typisk en monokromatisk lyskilde, som gir stabil, konsistent lys, noe som muliggjør målinger med høy presisjon og optisk kommunikasjon.

Lasere produserer svært sammenhengende lysstråler av spennende atomer i et spesifikt medium, for eksempel en gass, en krystall eller et spesielt glass.Strålen produsert av laseren er veldig fokusert og kan overføres over lange avstander uten betydelig spredning.Dette gjør dem ideelle for applikasjoner som krever presis posisjonering og langdistansekommunikasjon, for eksempel fiberoptisk kommunikasjon og presisjonsmålingsutstyr.I drift krever lasere presis strømstyring og miljøkontroll for å opprettholde stabil produksjon.På grunn av de potensielle farene for lasere med høy intensitet, må operatører sikre sikker laserstyring.

LED (lysemitterende dioder) er verdsatt for sin lille størrelse, høye effektivitet og lang levetid.De avgir lys ved rekombinasjon av elektroner og hull i et halvledermateriale (vanligvis dopede regioner av N- og P-type).LED -er kan dekke et bredt spekter av bølgelengder fra infrarød til ultrafiolett.Det usammenhengende lyset av lysdioder er egnet for en rekke belysnings- og indikasjonsapplikasjoner, for eksempel trafikklys og smarte lyssystemer.Å distribuere lysdioder er relativt enkelt og krever ikke komplekse sikkerhetstiltak som lasere.Å sikre konsistensen og holdbarheten til LED -lyskilder krever imidlertid presis strømkontroll.

Begge lyskilder har sine fordeler og ulemper.Valget avhenger av spesifikke applikasjonskrav.Lasere brukes ofte i optiske eksperimenter og høyhastighets optisk kommunikasjon, mens lysdioder er mer ofte brukt i forbrukerelektronikk og merkesystemer.

Væskenivåindikator basert på optisk sensor

En væskenivåindikator basert på en optisk sensor er et presisjonsmålingsverktøy som bruker prinsippene for brytning og refleksjon av lys for å oppdage endringer i væskenivået.Den består av tre hovedkomponenter: en infrarød LED, en fototransistor og en gjennomsiktig prisme -spiss.

Figur 9: Sensor for optisk nivå

Når prisme -spissen blir utsatt for luft, gjennomgår lyset fra den infrarøde LED total intern refleksjon i prisme, noe som gjenspeiler det meste av lyset til fototransistoren.I denne tilstanden får transistoren mer lys og gir ut et høyere signal.

Når prisme -spissen er nedsenket i en væske, får forskjellen i brytningsindeks mellom væsken og luften noe lys til å unnslippe prisme.Dette fører til at mindre lys når fototransistor, og reduserer dermed lyset det mottar og senker utgangssignalet.

Installasjons- og feilsøkingstrinn:

Forsikre deg om at det er rent: Prismespissen må være ren og fri for forurensning for å forhindre unøyaktige avlesninger.Eventuell skitt eller rester vil påvirke lysrefleksjon.

Plasser sensoren: Juster sensorens prismespiss riktig med det forventede området for endringer i væskenivå.Juster sensorenes plassering slik at den nøyaktig oppdager stigningen og fallet av væskenivået.

Denne nivåindikatoren er effektiv uavhengig av væskens farge eller klarhet.Det fungerer pålitelig i en rekke flytende medier, inkludert grumsete eller fargede væsker.Optiske sensorer gir en ikke-kontaktmetode for måling av flytende nivå, noe som reduserer risikoen for sensorslitasje og forurensning, og derved forlenger levetiden.

Påføring av optiske sensorer

Optiske sensorer brukes i mange felt på grunn av deres høye følsomhet og nøyaktighet.Nedenfor er en introduksjon til noen viktige applikasjonsområder.

Datamaskiner og kontorautomatiseringsutstyr: I datamaskiner og kopimaskiner kontrollerer optiske sensorer papirposisjon og bevegelse.Disse sensorene sikrer riktig papirforskyvning og utkast under utskrift, og reduserer syltetøy og feil.De brukes også i automatiserte lysarmaturer, for eksempel sensorlys i gangene eller konferanserom, som oppdager mennesker og automatisk slår lysene på og av, sparer energi og øker bekvemmeligheten.

Sikkerhets- og overvåkningssystemer: I sikkerhetssystemer er optiske sensorer mye brukt til inntrengningsdeteksjon.De oppdager når et vindu eller dør åpnes og utløser alarm.I fotografering sikrer optiske sensorer i flash -synkronisatorer at blitsen fyrer i det optimale øyeblikket for optimale lyseffekter.

Biomedisinske anvendelser: I det medisinske feltet overvåker optiske sensorer pasientens pust og hjertefrekvens.Ved å analysere endringer i reflektert lys, oppdager de bittesmå brystbevegelser for å ikke-invasivt overvåke respirasjonshastigheten.Optiske hjertefrekvensmonitorer bruker lysdioder for å avgi lys gjennom huden og oppdage mengden som er absorbert og reflektert av blodet for å beregne hjerterytmen.

Omgivelseslysføler: I smarttelefoner og nettbrett justerer omgivende lysføler automatisk skjermens lysstyrke for å optimalisere skjermen basert på omgivende lysforhold og spare batterienergi.Disse sensorene krever presis kalibrering og sensitive responsegenskaper for å tilpasse seg raskt skiftende omgivelseslysforhold og gi brukerne en behagelig visuell opplevelse.

Konklusjon

Bruksområder av optiske sensorer i forskjellige teknologiske felt viser deres brede funksjonalitet og effektive ytelse.Fra optiske sensorer til forskjellige reflekterende og gjennom-bjelke sensorer, har hver type optisk sensor unike fordeler og kan dekke forskjellige inspeksjonsbehov.I industriell automatisering gir de deteksjon og kontroll med høy presisjon;I forbrukerelektronikk forbedrer de intelligensen til utstyr;I biomedisin og miljøovervåking sikrer de nøyaktigheten og påliteligheten av data.I fremtiden, med kontinuerlig fremgang og innovasjon av teknologi, vil optiske sensorer spille en viktigere rolle i mer nye felt og fremme utviklingen av forskjellige bransjer i retning av intelligens og automatisering.

Ofte stilte spørsmål [FAQ]

1. Er en optisk sensoranalog eller digital?

Optiske sensorer kan være analoge eller digitale, avhengig av design og type utgangssignal.Analoge optiske sensorer sendes ut et kontinuerlig varierende spenningssignal som er proporsjonalt med den oppdagede lysintensiteten.Digitale optiske sensorer sender ut digitale signaler, for eksempel binære koder, som vanligvis konverteres fra analoge signaler gjennom en innebygd analog-til-digital omformer.

2. Hva er fordelene med en optisk sensor?

De viktigste fordelene med optiske sensorer inkluderer:

Høy følsomhet og nøyaktighet: i stand til å oppdage svake lyssignaler og endringer i subtile objekter.

Ikke-kontaktmåling: Måling kan utføres uten kontakt eller forstyrrelse av målet, egnet for påvisning av skjøre eller farlige stoffer.

Rask responstid: Kan raskt svare på optiske endringer i miljøet, egnet for dynamiske målinger.

Bred tilpasningsevne: kan fungere i en rekke miljøforhold, inkludert tøffe eller farlige miljøer.

3. Hvordan teste jeg en optisk sensor?

Testing av optiske sensorer involverer vanligvis følgende trinn:

Forbered testmiljøet: Forsikre deg om at omgivelseslysforhold oppfyller sensorens driftsspesifikasjoner.

Koble enheten: Koble sensoren til en leseenhet, for eksempel et multimeter eller datamaskin.

Kalibrering: Kalibrer sensoren i henhold til produsentens instruksjoner for å sikre nøyaktighet.

Bruk en testlyskilde: Bruk en lyskilde for kjent lysstyrke for å belyse sensoren.

Les og postutgang: Registrer sensorens utgang og sjekk at den reagerer som forventet å endres i lyskilden.

4. Hva er forskjellen mellom en optisk sensor og en infrarød sensor?

Hovedforskjellen mellom optiske og infrarøde sensorer er området for lysbølgelengder de oppdager.Optiske sensorer refererer generelt til sensorer som er i stand til å føle bølgelengder i det synlige området.Infrarøde sensorer oppdager spesifikt infrarøde lysbølgelengder, som er usynlige for det menneskelige øyet.Infrarøde sensorer brukes ofte i termiske avbildningskameraer, nattsynsutstyr og noen typer kommunikasjonsutstyr.

5. Er optiske sensorer passive eller aktive?

Optiske sensorer kan være enten passive eller aktive, avhengig av om de krever en ekstern lyskilde.

Passive optiske sensorer: Ingen ekstra lyskilde er nødvendig, de fungerer ved å oppdage lys fra miljøet, for eksempel sollys eller eksisterende belysning.

Aktive optiske sensorer: Krev en ekstern lyskilde for å belyse målet og deretter oppdage lyset som reflekteres eller overføres fra målet.