Izpratne par optiskajiem sensoriem: veidi, principi un lietojumprogrammas
2024-05-24 9222

Optiskajiem sensoriem ir galvenā loma mūsdienu elektroniskajā tehnoloģijā.Šie sensori nosaka objektu atrašanās vietu, klātbūtni un īpašības, izstarojot un saņemot gaismas signālus, un tos plaši izmanto tādās jomās kā rūpniecības automatizācija, patēriņa elektronika, biomedicīna un vides uzraudzība.Šis raksts iedziļinās dažādos optisko sensoru veidos, darba principos un praktiskajos pielietojumos, lai palīdzētu lasītājiem pilnībā izprast optisko sensoru nozīmi un pielietojuma potenciālu dažādos tehniskos scenārijos.Sākot no optisko sensoru tilta struktūras līdz dažāda veida optisko sensoru unikālajām īpašībām, līdz īpašiem piemēriem reālās pasaules lietojumos, šis raksts atklās optisko sensoru daudzveidību un sarežģītību.

Katalogs

1. attēls: optiskais sensors

Kas ir optiskais sensors?

Līdz Optiskais sensors Dizaina pamatā ir Wheatstone tilta shēma.Elektrotehnikā Wheatstone tilts izmanto zināmu un nezināmu rezistoru kombināciju, lai noteiktu nezināmā rezistora vērtību, salīdzinot spriegumu.Tāpat gaismas tilta sensori izmanto tilta struktūru ar četriem fotodetektoriem, lai noteiktu staru stāvokļa izmaiņas.

Pirmkārt, operators pielāgo detektoru stāvokli, lai nodrošinātu, ka stars vienmērīgi sit visus četrus detektorus.Kad stars tiek novirzīts, katrs detektors uztver atšķirīgu gaismas intensitāti.Pēc tam shēma apstrādā šos signālus, lai noteiktu precīzu staru stāvokli un nobīdi.

2. attēls: optiskais sensors

Piemēram, ja stars pārvietojas pa labi, labais detektors saņem vairāk gaismas un kreisais detektors saņem mazāk gaismas.Ķēdes signāla procesors ātri atpazīst un aprēķina šīs izmaiņas, izvadot precīzus pozīcijas datus.Process ir ātrs un ļoti precīzs, padarot optiskos sensorus svarīgus automatizētās iekārtās un augstas precizitātes pozicionēšanas sistēmās.

Darba optiskā sensora princips

Optiskie sensori nosaka objektu atrašanās vietu vai klātbūtni, izstarojot gaismu un uztverot šo staru atstarojumus vai pārtraukumus.Sensors izmanto gaismas diodes (gaismas diodes), lai izstarotu gaismas staru.Kad šis stars sastopas ar objektu, to var atspoguļot sensoram vai bloķēt objekts.

3. attēls: optiskā sensora darba princips

Automatizētā montāžas līnijā operatori pielāgo sensoru stāvokli un jutīgumu, pamatojoties uz objekta īpašībām, piemēram, materiālu, lielumu un paredzamo atrašanās vietu.Sensora spēja noteikt objektus nav atkarīga no materiāla, neatkarīgi no tā, vai tas ir koks, metāls vai plastmasa, padarot to ideālu vairāku materiālu ražošanas vidēm.

Piemēram, skaidru stikla pudeļu noteikšanai ir nepieciešams pielāgot sensoru, lai atpazītu caurspīdīgus materiālus.Caurspīdīgi objekti efektīvi neatspoguļo gaismu, tāpēc sensoram nepieciešama augstāka jutība vai īpašs gaismas avots (piemēram, infrasarkanais).

Tā dizaina ietvaros sensors novērtē atstarotās vai pārtrauktās gaismas starus.Kad objekts bloķē staru, sensors nekavējoties nosūta signālu vadības sistēmai, norādot objekta atrašanās vietu vai pāreju.Ja gaisma tiek atstarota, sensors izmanto atstarojuma intensitāti un leņķi, lai noteiktu objekta īpašības, piemēram, lielumu un virsmas materiālu.

Optisko sensoru veidi

Ir daudz veidu optisko sensoru, katrs ar īpašiem darbības principiem un lietojumprogrammām.Šie ir daži izplatīti optisko sensoru tipi, ko izmanto reālās pasaules scenārijos.

Fotokonduktīvās ierīces maina materiālu vadītspēju, pamatojoties uz gaismas intensitāti.Kad gaisma sit sensoru, materiālā elektroni absorbē gaismas enerģiju un pāriet uz vadīšanas joslu, palielinot materiāla vadītspēju.Fotokonduktīvās ierīces tiek izmantotas gaismas intensitātes noteikšanas sistēmās, piemēram, automātiskās aptumšošanas lampās.Operatoriem jāapsver apkārtējā gaismas apstākļi un reakcijas laiks, lai nodrošinātu precīzu kontroli, pielāgojot šīs ierīces.

Fotoelektriskās šūnas (saules baterijas) caur fotoelektrisko efektu pusvadītāju materiālos pārvērš gaismas enerģiju tieši elektriskajā enerģijā.Fotoni aizrauj elektronus no valences joslas līdz vadīšanas joslai, izveidojot elektronu caurumu pārus un ģenerējot elektrisko strāvu.Šīs baterijas plaši izmanto enerģijas ražošanai un attālinātām ierīcēm, piemēram, satelītiem un āra novērošanas kamerām.

4. attēls: fotoelektriskās šūnas

Fotodiodes izmanto fotoelektrisko efektu, lai gaismu pārveidotu elektriskajā strāvā.Kad gaisma nonāk aktivizācijas laukumā, to iekšējā struktūra var ātri reaģēt un radīt elektrisko strāvu.Šos sensorus parasti izmanto gaismas impulsa noteikšanas un sakaru aprīkojumā, piemēram, tālvadības ierīcēs un optisko šķiedru šķiedrā.

5. attēls: fotodiodes

Fototransistori būtībā ir fotodiodes ar iekšēju labumu.Kad gaisma atsitās pret pamatnes kolektora krustojumu, tiek ģenerēta iekšēji pastiprināta strāva, padarot to piemērotu vāju gaismas signālu noteikšanai.Šie sensori ir īpaši noderīgi lietojumprogrammās, kurām nepieciešama augsta jutība, piemēram, optiskā mērīšanas aprīkojums laboratorijās.

6. attēls: fototransistori

Atstarojošais sensors

Atstarojošie sensori apvieno raidītāju un uztvērēju vienā ierīcē, ļaujot izstarotajam staram atspoguļot uztvērējam caur atstarojošu virsmu vai objekta virsmu.Kad objekts nonāk sijas ceļā, tas pārtrauc gaismu, izraisot sensoru.

Lai iestatītu sensoru, tas ir jānovieto un ir pareizi jānoslēdz optimālai refleksijai.Operatoram ir jāpielāgo sensora stāvoklis, lai pārliecinātos, ka atstarojošā virsma ir pietiekami liela un pareizi izlīdzināta, lai efektīvi atspoguļotu uztvērēja staru.

Piemēram, automatizētās iepakojuma līnijās atstarojošie sensori atklāj produktus, kas pārvietojas uz konveijera lentes.Operators novieto sensoru vienā konveijera lentes pusē un gludo atstarotāju otrā pusē.Kad produkts iziet cauri un bloķē staru, sensors nosaka pārtraukumu un nosūta signālu, lai izraisītu tādas darbības kā konveijera apturēšana vai produkta pārsūtīšana.

Viena no atstarojošo sensoru priekšrocībām ir to spēja darboties lielos attālumos un tolerance pret plašu virsmas īpašību diapazonu.Kamēr tiek atstarots pietiekami daudz gaismas, tie var noteikt objektus neatkarīgi no krāsas vai virsmas tekstūras.Šī daudzpusība padara reflektējošos sensorus ideālu rūpniecības automatizācijai, robotu navigācijai un priekšmetu klasifikācijas uzdevumiem.

Caur staru sensoru

Caur staru sensors sastāv no diviem galvenajiem komponentiem: raidītāja un uztvērēja, kas novietots viens pret otru, parasti no attāluma.Raidītājs nepārtraukti nosūta gaismas staru uztvērējam.Kad objekts bloķē šo staru, uztvērējs nosaka oklūziju un pārvērš to elektroniskā signālā, kas izraisa pārslēgšanas darbību.

Lai iestatītu sensoru, raidītājs un uztvērējs ir precīzi jāsaskaņo.Tas ietver to pozīcijas un leņķa pielāgošanu tā, lai stars no raidītāja tieši nonāktu uztvērējam.Operatoriem jāapsver tādi vides faktori kā fona gaisma un iespējamie traucējumu avoti, lai izvairītos no viltus iedarbināšanas.

7. attēls: caur staru sensoru

Piemēram, pie ieejas lielā noliktavā, caur staru kūļa sensoriem tiek uzraudzīta neatļauta ieeja.Raidītājs un uztvērējs ir novietoti abās durvju pusēs.Kad kāds vai kāds objekts iet pa durvīm, stars tiek pārtraukts un sistēma izraisa trauksmi.

Viena no lielajām staru sensoru priekšrocībām ir to spēja darboties lielos attālumos, padarot tos ideālus lielo teritoriju uzraudzībai.Noteikšanas pamatā ir staru kūļa pārtraukums, tāpēc sensors nav jutīgs pret objekta lielumu, krāsu vai virsmas struktūru.Tomēr objektam jābūt pietiekami lielam, lai pilnībā pārklātu optisko ceļu starp raidītāju un uztvērēju.

Caur staru sensoriem plaši izmanto rūpniecības automatizācijas un drošības sistēmās, īpaši vidē, kur nepieciešama tālsatiksmes uzraudzība un augsta uzticamība.Tie ir ideāli piemēroti, lai noteiktu priekšmetus ražošanas līnijās un izsekotu ātrgaitas kustīgus objektus.Izprotot šīs darbības detaļas, operatori var nodrošināt efektīvu un uzticamu caurspīdīgu sensoru izmantošanu dažādās lietojumprogrammās.

Izkliedēts refleksijas sensors

Difūzie atstarošanas sensori apvieno raidītāju un uztvērēju vienā ierīcē.Tas darbojas, izstarojot gaismu un saņemot gaismu, kas izkaisīta atpakaļ no mērītā objekta.Sensors ir īpaši noderīgs, lai noteiktu objektus ar sarežģītām virsmām vai formām, piemēram, audumu, koku vai neregulāras formas metālu.

Vispirms iestatiet sensora jutīgumu, lai tas atbilstu dažādu materiālu un krāsu atstarojošajām īpašībām.Operatoriem ir jāpielāgo aprīkojums, pamatojoties uz objekta īpašo atstarošanos.Tas nodrošina, ka uztvērējs to uztver, pietiek ar atstaroto gaismu, izvairoties no nepatiesiem lasījumiem pārāk spēcīgas vai pārāk vājas gaismas dēļ.

8. attēls: izkliedēta atstarošanas sensors

Piemēram, automatizētās iepakojuma sistēmās difūzie atstarojuma sensori nosaka etiķetes uz iepakojuma kastēm.Operators pielāgo sensoru tā, lai mašīna precīzi identificētu katru lodziņu, pat ja etiķetēm ir atšķirīgas atstarošanas.Tas prasa precīzu kontroli pār izstarotās gaismas intensitāti un uztvērēja jutīgumu.

Izkliedētie sensori var izjust problēmas nevienmērīgas gaismas izkliedes dēļ, it īpaši, ja gaisma, kas atstarota no objekta aizmugures, ir koncentrētāka nekā gaisma, kas atspoguļota no priekšpuses.Lai atrisinātu šo problēmu, sensors ir izstrādāts, izmantojot daudzpunktu noteikšanas tehnoloģiju, lai samazinātu kļūdas.Operatoriem jāņem vērā šie faktori un eksperimentāli jānosaka optimālā jutība un emisijas leņķis, lai nodrošinātu precīzu un uzticamu noteikšanu.

Regulāra apkope un kalibrēšana nodrošina ilgtermiņa stabilu darbību.Tas ietver sensora objektīva tīrīšanu, lai neļautu putekļiem un piemaisījumiem traucēt gaismas pārraidi.

Dažādi gaismas avoti optiskajiem sensoriem

Gaismas avots ir ļoti svarīgs optisko sensoru projektēšanai un funkcionalitātei.Mūsdienu optiskie sensori parasti izmanto monohromatisku gaismas avotu, kas nodrošina stabilu, konsekventu gaismu, nodrošinot augstas precizitātes mērījumus un optisko sakarus.

Lāzeri rada ļoti saskanīgus gaismas starus ar aizraujošiem atomiem noteiktā vidē, piemēram, gāzei, kristālam vai īpašam stiklam.Lāzera ražotais stars ir ļoti fokusēts, un to var pārnest lielos attālumos bez ievērojamas izplatīšanās.Tas padara tos ideālus lietojumprogrammām, kurām nepieciešama precīza pozicionēšana un tālsatiksmes sakari, piemēram, optisko šķiedru sakari un precizitātes mērīšanas aprīkojums.Darbībā lāzeriem ir nepieciešama precīza enerģijas pārvaldība un vides kontrole, lai saglabātu stabilu izvadi.Sakarā ar iespējamiem augstas intensitātes lāzeru apdraudējumiem, operatoriem ir jānodrošina droša lāzera pārvaldība.

Gaismas diodes (gaismas diodes) tiek vērtētas pēc maza izmēra, augsta efektivitātes un ilga kalpošanas.Viņi izstaro gaismu, rekombinējot elektronus un caurumus pusvadītāju materiālā (parasti n- un p-tipa leģētie reģioni).Gaismas diodes var aptvert plašu viļņu garumu diapazonu no infrasarkanās līdz ultravioletam.Neatkarīgā gaismas diožu gaisma ir piemērota dažādām apgaismojuma un indikāciju lietojumprogrammām, piemēram, luksoforiem un viedajām apgaismojuma sistēmām.Gaismas diožu izvietošana ir samērā vienkārša, un tām nav nepieciešami sarežģīti drošības pasākumi, piemēram, lāzeri.Tomēr, lai nodrošinātu LED gaismas avotu konsekvenci un izturību, nepieciešama precīza strāvas kontrole.

Abiem gaismas avotiem ir savas priekšrocības un trūkumi.Izvēle ir atkarīga no īpašām lietojumprogrammas prasībām.Lāzerus parasti izmanto precīzos optiskos eksperimentos un ātrgaitas optiskajā sakarā, savukārt gaismas diodes biežāk izmanto patēriņa elektronikā un marķēšanas sistēmās.

Šķidruma līmeņa indikators, pamatojoties uz optisko sensoru

Šķidruma līmeņa indikators, kura pamatā ir optiskais sensors, ir precīzas mērīšanas rīks, kas izmanto refrakcijas principus un gaismas atstarošanu, lai noteiktu izmaiņas šķidruma līmenī.Tas sastāv no trim galvenajām sastāvdaļām: infrasarkano staru LED, fototransistoru un caurspīdīgu prizmas padomu.

9. attēls: Optiskā līmeņa sensors

Kad prizmas gals ir pakļauts gaisam, gaisma no infrasarkanās gaismas diodes tiek pakļauta pilnīgai iekšējai refleksijai prizmā, atspoguļojot lielāko daļu gaismas fototransistoram.Šajā stāvoklī tranzistors saņem vairāk gaismas un izvada augstāku signālu.

Kad prizmas gals ir iegremdēts šķidrumā, refrakcijas indeksa atšķirība starp šķidrumu un gaisu izraisa nelielu gaismu, lai izvairītos no prizmas.Tas rada mazāk gaismas, lai sasniegtu fototransistoru, tādējādi samazinot saņemto gaismu un samazinot izejas signālu.

Instalācijas un atkļūdošanas darbības:

Pārliecinieties, ka tas ir tīrs: prizmas galam jābūt tīram un bez piesārņojuma, lai novērstu neprecīzus rādījumus.Jebkuri netīrumi vai atlikumi ietekmēs gaismas atstarojumu.

Novietojiet sensoru: pareizi saskaņojiet sensora prizmas galu ar paredzamo šķidruma līmeņa izmaiņu diapazonu.Pielāgojiet sensora stāvokli tā, lai tas precīzi noteiktu šķidruma līmeņa celšanos un kritumu.

Šis līmeņa indikators ir efektīvs neatkarīgi no šķidruma krāsas vai skaidrības.Tas droši darbojas dažādos šķidros materiālos, ieskaitot duļķainus vai krāsainus šķidrumus.Optiskie sensori nodrošina bezkontaktu šķidruma līmeņa mērīšanas metodi, samazinot sensoru nodiluma un piesārņojuma risku un tādējādi pagarinot aprīkojuma kalpošanas laiku.

Optisko sensoru pielietojums

Optiskie sensori tiek izmantoti daudzās jomās to augstās jutības un precizitātes dēļ.Zemāk ir ievads dažās galvenajās lietojumprogrammu jomās.

Datori un biroja automatizācijas aprīkojums: Datoros un kopētājos optiskie sensori vada papīra stāvokli un kustību.Šie sensori nodrošina pareizu papīra progresu un izdrukāšanas laikā, samazinot ievārījumus un kļūdas.Tie tiek izmantoti arī automatizētā apgaismojuma armatūrā, piemēram, sensoru gaismās gaiteņos vai konferenču telpās, kas cilvēkus atklāj un automātiski ieslēdz un izslēdz gaismas, ietaupot enerģiju un palielinot ērtības.

Drošības un uzraudzības sistēmas: drošības sistēmās optiskos sensorus plaši izmanto ielaušanās noteikšanai.Viņi atklāj, kad tiek atvērts logs vai durvis, un izraisa trauksmi.Fotogrāfijā optiskie sensori zibspuldzes sinhronizatoros nodrošina, ka zibspuldzes ugunsgrēki optimālā apgaismojuma efektu optimālā momentā.

Biomedicīnas pielietojumi: medicīnas jomā optiskie sensori uzrauga pacienta elpošanu un sirdsdarbību.Analizējot atstarotās gaismas izmaiņas, tie atklāj sīkas krūškurvja kustības, lai neinvazīvi uzraudzītu elpošanas ātrumu.Optiskā sirdsdarbības monitori izmanto gaismas diodes, lai izstarotu gaismu caur ādu un noteiktu asinīs absorbēto un atspoguļoto daudzumu, lai aprēķinātu sirdsdarbību.

Apkārtējās gaismas sensors: viedtālruņos un planšetdatoros apkārtējā gaismas sensori automātiski pielāgo ekrāna spilgtumu, lai optimizētu displeju, pamatojoties uz apkārtējiem gaismas apstākļiem, un ietaupīt akumulatora enerģiju.Šiem sensoriem ir nepieciešama precīza kalibrēšanas un jutīgu reakcijas īpašība, lai pielāgotos strauji mainīgiem apkārtējās gaismas apstākļiem un nodrošinātu lietotājiem ērtu vizuālo pieredzi.

Secinājums

Optisko sensoru pielietojumi dažādās tehnoloģiskajās jomās parāda to plašo funkcionalitāti un efektīvu veiktspēju.Sākot no optiskajiem sensoriem un beidzot ar dažādiem atstarojošiem un caurspīdīgiem sensoriem, katram optiskā sensora veidam ir unikālas priekšrocības un tas var apmierināt dažādas pārbaudes vajadzības.Rūpniecības automatizācijā tie nodrošina augstas precizitātes atklāšanu un kontroli;Patēriņa elektronikā tie uzlabo aprīkojuma intelektu;Biomedicīnas un vides uzraudzībā tie nodrošina datu precizitāti un ticamību.Nākotnē ar nepārtrauktu tehnoloģiju attīstību un inovācijām optiskajiem sensoriem būs nozīmīgāka loma vairāk attīstītajās jomās un veicinās dažādu nozaru attīstību intelekta un automatizācijas virzienā.

Bieži uzdotie jautājumi [FAQ]

1. Vai optiskā sensora analogs vai digitāls?

Optiskie sensori var būt analogi vai digitāli atkarībā no to dizaina un izejas signāla veida.Analogie optiskie sensori izvada nepārtraukti mainīgu sprieguma signālu, kas ir proporcionāls noteiktajai gaismas intensitātei.Digitālie optiskie sensori izvada digitālos signālus, piemēram, bināros kodus, kurus parasti pārveido no analogiem signāliem, izmantojot iebūvētu analogo-digitālo pārveidotāju.

2. Kādas ir optiskā sensora priekšrocības?

Galvenās optisko sensoru priekšrocības ir:

Augsta jutība un precizitāte: spēj noteikt vāju gaismas signālus un smalkas objekta izmaiņas.

Bezkontakta mērīšana: Mērījumu var veikt bez saskares vai traucējumiem ar mērķi, kas piemērots trauslu vai bīstamu vielu noteikšanai.

Ātra reakcijas laiks: spēj ātri reaģēt uz optiskām izmaiņām vidē, kas piemērota dinamiskiem mērījumiem.

Plaša pielāgošanās spēja: var darboties dažādos vides apstākļos, ieskaitot skarbu vai bīstamu vidi.

3. Kā pārbaudīt optisko sensoru?

Optisko sensoru pārbaude parasti ietver šādas darbības:

Sagatavojiet testa vidi: pārliecinieties, ka apkārtējā gaismas apstākļi atbilst sensora darbības specifikācijām.

Pievienojiet ierīci: savienojiet sensoru ar lasīšanas ierīci, piemēram, multimetru vai datoru.

Kalibrēšana: kalibrējiet sensoru atbilstoši ražotāja norādījumiem, lai nodrošinātu precizitāti.

Izmantojiet testa gaismas avotu: Sensora apgaismošanai izmantojiet zināma spilgtuma gaismas avotu.

Lasīt un ierakstīt izvadi: ierakstiet sensora izvadi un pārbaudiet, vai tas reaģē, kā paredzēts, mainot gaismas avotu.

4. Kāda ir atšķirība starp optisko sensoru un infrasarkano sensoru?

Galvenā atšķirība starp optiskajiem un infrasarkanajiem sensoriem ir gaismas viļņu garumu diapazons, ko viņi nosaka.Optiskie sensori parasti attiecas uz sensoriem, kas var uztvert viļņu garumu redzamajā diapazonā.Infrasarkanie sensori īpaši nosaka infrasarkano gaismas viļņu garumu, kas ir neredzami cilvēka acij.Infrasarkano sensorus parasti izmanto termiskās attēlveidošanas kamerās, nakts redzamības aprīkojumā un dažu veidu sakaru aprīkojumā.

5. Vai optiskie sensori ir pasīvi vai aktīvi?

Optiskie sensori var būt gan pasīvi, gan aktīvi atkarībā no tā, vai tiem nepieciešams ārējs gaismas avots.

Pasīvie optiskie sensori: nav nepieciešams papildu gaismas avots, tie darbojas, atklājot gaismu no vides, piemēram, saules gaisma vai esošais apgaismojums.

Aktīvie optiskie sensori: nepieciešams ārējs gaismas avots, lai apgaismotu mērķi un pēc tam noteiktu gaismu, kas atstarota vai pārraidīta no mērķa.