Forståelse af optiske sensorer: Typer, principper og applikationer
2024-05-24 9229

Optiske sensorer spiller en nøglerolle i moderne elektronisk teknologi.Disse sensorer registrerer placering, tilstedeværelse og egenskaber ved objekter ved at udsende og modtage lyssignaler og er vidt brugt inden for felter som industriel automatisering, forbrugerelektronik, biomedicin og miljøovervågning.Denne artikel vil dykke ned i de forskellige typer, arbejdsprincipper og praktiske anvendelser af optiske sensorer for at hjælpe læserne fuldt ud med at forstå vigtigheden og anvendelsespotentialet for optiske sensorer i forskellige tekniske scenarier.Fra brostrukturen af ​​optiske sensorer til de unikke egenskaber ved forskellige typer optiske sensorer, til specifikke eksempler i den virkelige verden applikationer, vil denne artikel afsløre mangfoldigheden og kompleksiteten af ​​optiske sensorer.

Katalog

Figur 1: Optisk sensor

Hvad er en optisk sensor?

De Optisk sensor Design er baseret på Wheatstone Bridge Circuit.I elektroteknik bruger en Wheatstone Bridge en kombination af kendte og ukendte modstande til at bestemme værdien af ​​den ukendte modstand ved at sammenligne spændingen.Ligeledes bruger lette brodesensorer en brostruktur med fire fotodetektorer til at detektere ændringer i stråleposition.

Først justerer operatøren detektorens position for at sikre, at strålen rammer alle fire detektorer jævnt.Når bjælken afbøjes, fanger hver detektor en anden lysintensitet.Kredsløbet behandler derefter disse signaler for at bestemme den nøjagtige position og forskydning af bjælken.

Figur 2: Optisk sensor

For eksempel, hvis strålen bevæger sig til højre, får den højre detektor mere lys, og venstre detektor får mindre lys.Kredsløbets signalprocessor genkender og beregner denne ændring hurtigt og udsender nøjagtige positionsdata.Processen er hurtig og meget nøjagtig, hvilket gør optiske sensorer vigtige i automatiseret udstyr og højpræcisionspositioneringssystemer.

Arbejdsprincip for optisk sensor

Optiske sensorer registrerer placeringen eller tilstedeværelsen af ​​objekter ved at udsende lys og fange refleksioner eller afbrydelser af disse stråler.Sensoren bruger lysemitterende dioder (LED'er) til at udsende en lysstråle.Når denne stråle støder på et objekt, kan den afspejles i sensoren eller blokeres af objektet.

Figur 3: Arbejdsprincippet om optisk sensor

På en automatiseret samlebånd justerer operatører placeringen og følsomheden af ​​sensorer baseret på objektets egenskaber, såsom materiale, størrelse og forventet placering.Sensorens evne til at detektere genstande er uafhængig af materialet, hvad enten det er træ, metal eller plast, hvilket gør det ideelt til multi-materielle produktionsmiljøer.

For eksempel kræver detektering af klare glasflasker justering af sensoren for at genkende gennemsigtige materialer.Gennemsigtige genstande afspejler ikke lys effektivt, så sensoren kræver højere følsomhed eller en speciel lyskilde (såsom infrarød).

Som en del af dets design evaluerer eller afbrydes sensoren lysstråler.Når et objekt blokerer strålen, sender sensoren straks et signal til kontrolsystemet, der angiver objektets placering eller passage.Hvis lyset reflekteres, bruger sensoren intensiteten og vinklen på reflektionen til at bestemme egenskaberne ved objektet, såsom størrelse og overflademateriale.

Typer af optiske sensorer

Der er mange typer optiske sensorer, hver med specifikke driftsprincipper og applikationer.Følgende er nogle almindelige optiske sensortyper, der bruges i den virkelige verden scenarier.

Fotokonduktive enheder ændrer ledningsevnen for materialer baseret på lysintensitet.Når lys rammer sensoren, absorberer elektroner i materialet lysenergien og hopper til ledningsbåndet, hvilket øger materialets ledningsevne.Fotokonduktive enheder bruges i lysintensitetsdetekteringssystemer, såsom automatiske dæmpningslamper.Operatører er nødt til at overveje omgivende lysforhold og responstider for at sikre præcis kontrol, når disse enheder justeres.

Fotovoltaiske celler (solceller) omdanner lysenergi direkte til elektrisk energi gennem den fotoelektriske effekt i halvledermaterialer.Fotoner begejstrer elektroner fra valensbåndet til ledningsbåndet, skaber elektronhullepar og genererer elektrisk strøm.Disse batterier er vidt brugt til energiproduktion og strøm af fjernenheder såsom satellitter og udendørs overvågningskameraer.

Figur 4: Fotovoltaiske celler

Fotodioder bruger den fotoelektriske effekt til at omdanne lys til elektrisk strøm.Når lys rammer aktiveringsområdet, kan deres interne struktur reagere hurtigt og generere en elektrisk strøm.Disse sensorer bruges ofte i lyspulsdetektion og kommunikationsudstyr såsom fjernbetjeninger og fiberoptiske systemer.

Figur 5: Fotodioder

Fototransistorer er i det væsentlige fotodioder med intern gevinst.Når lys rammer basis-samlerkrydset, genereres en internt amplificeret strøm, hvilket gør den egnet til at detektere svage lyssignaler.Disse sensorer er især nyttige i applikationer, der kræver høj følsomhed, såsom optisk måleudstyr i laboratorier.

Figur 6: Fototransistorer

Reflekterende sensor

Reflekterende sensorer kombinerer en sender og modtager i en enkelt enhed, hvilket gør det muligt at reflekteres den udsendte bjælke til modtageren gennem en reflekterende overflade eller objektoverflade.Når et objekt kommer ind på strålens sti, afbryder den lyset og udløser sensoren.

For at indstille sensoren skal den placeres og vippes korrekt for optimal refleksion.Operatøren skal justere sensorens placering for at sikre, at den reflekterende overflade er stor nok og korrekt justeret til effektivt at afspejle bjælken for modtageren.

I automatiserede emballagelinjer registrerer reflekterende sensorer for eksempel produkter, der bevæger sig på et transportbånd.Operatøren placerer sensoren på den ene side af transportbåndet og den glatte reflektor på den anden side.Når et produkt passerer gennem og blokerer for strålen, registrerer sensoren afbrydelsen og sender et signal for at udløse handlinger såsom at stoppe transportøren eller overføre produktet.

En af fordelene ved reflekterende sensorer er deres evne til at operere over lange afstande og deres tolerance over for en lang række overfladeegenskaber.Så længe nok lys reflekteres, kan de registrere genstande uanset farve eller overfladetekstur.Denne alsidighed gør reflekterende sensorer ideelle til industriel automatisering, robotnavigation og vareklassificeringsopgaver.

Gennemstrålesensor

En gennemstrålesensor består af to hovedkomponenter: en sender og en modtager, placeret overfor hinanden, normalt på afstand.Senderen sender kontinuerligt en lysstråle til modtageren.Når et objekt blokerer for denne bjælke, registrerer en modtager okklusionen og omdanner den til et elektronisk signal, der udløser en skiftende operation.

For at konfigurere sensoren skal transmitteren og modtageren være nøjagtigt på linje.Dette involverer justering af deres position og vinkel, så strålen fra senderen rammer modtageren direkte.Operatører skal overveje miljøfaktorer, såsom baggrundslys og potentielle kilder til interferens for at undgå falsk udløsning.

Figur 7: Gennemstrålesensor

For eksempel ved indgangen til et stort lager overvåger gennemstrålesensorer for uautoriseret indrejse.Senderen og modtageren er placeret på begge sider af døren.Når nogen eller et objekt passerer gennem døren, afbrydes bjælken, og systemet udløser en alarm.

En af de store fordele ved sensorer gennemstråle er deres evne til at operere over lange afstande, hvilket gør dem ideelle til overvågning af store områder.Detektion er baseret på stråleafbrydelse, så sensoren er ikke følsom over for størrelsen, farve eller overfladestruktur af objektet.Imidlertid skal objektet være stort nok til at dække den optiske sti fuldstændigt mellem senderen og modtageren.

Gennemstrålesensorer er vidt brugt i industrielle automatiserings- og sikkerhedssystemer, især i miljøer, hvor der kræves langdistanceovervågning og høj pålidelighed.De er ideelle til at detektere genstande på produktionslinjer og sporing af højhastigheds bevægelige genstande.Ved at forstå disse operationelle detaljer kan operatører sikre effektiv og pålidelig brug af gennemstrålesensorer i forskellige applikationer.

Diffus reflektionssensor

Diffuse reflektanssensorer kombinerer transmitter og modtager i en enhed.Det fungerer ved at udsende lys og modtage lys spredt tilbage fra det objekt, der måles.Sensoren er især nyttig til at detektere genstande med komplekse overflader eller former, såsom stof, træ eller uregelmæssigt formet metal.

Indstil først sensorens følsomhed til at matche de reflekterende egenskaber for forskellige materialer og farver.Operatører er nødt til at justere udstyret baseret på objektets specifikke refleksionsevne.Dette sikrer, at det reflekterede lys er tilstrækkeligt til, at modtageren kan fange, idet man undgår falske aflæsninger på grund af for stærkt eller for svagt lys.

Figur 8: Diffus reflektionssensor

I automatiserede emballagesystemer registrerer diffuse reflektanssensorer for eksempel etiketter på emballagekasser.Operatøren justerer sensoren, så maskinen nøjagtigt identificerer hver boks, selvom etiketterne har forskellige reflekteringer.Dette kræver præcis kontrol af intensiteten af ​​det udsendte lys og modtagerens følsomhed.

Diffuse sensorer kan opleve problemer på grund af ujævn lysspredning, især når lyset reflekteret fra bagsiden af ​​et objekt er mere koncentreret end det lys, der reflekteres fra fronten.For at løse dette problem er sensoren designet ved hjælp af multi-point detektionsteknologi til at reducere fejl.Operatører skal overveje disse faktorer og eksperimentelt bestemme den optimale følsomhed og emissionsvinkel for at sikre nøjagtig og pålidelig detektion.

Regelmæssig vedligeholdelse og kalibrering sikrer langvarig stabil drift.Dette inkluderer rengøring af sensorlinsen for at forhindre støv og urenheder i at blande sig i lysoverførsel.

Forskellige lyskilder til optiske sensorer

Lyskilden er meget vigtig for design og funktionalitet af optiske sensorer.Moderne optiske sensorer bruger typisk en monokromatisk lyskilde, der giver stabil, konsistent lys, hvilket muliggør højpræcisionsmålinger og optisk kommunikation.

Lasere producerer meget sammenhængende lysstråler ved spændende atomer i et specifikt medium, såsom en gas, en krystal eller et specielt glas.Strålen produceret af laseren er meget fokuseret og kan overføres over lange afstande uden signifikant spredning.Dette gør dem ideelle til applikationer, der kræver præcis placering og langdistance-kommunikation, såsom fiberoptisk kommunikation og præcisionsmålingsudstyr.I drift kræver lasere præcis strømstyring og miljøkontrol for at opretholde et stabilt output.På grund af de potentielle farer ved lasere med høj intensitet, skal operatører sikre sikker laserstyring.

LED'er (lysemitterende dioder) værdsættes for deres lille størrelse, høj effektivitet og lang levetid.De udsender lys ved rekombination af elektroner og huller i et halvledermateriale (normalt N- og P-type dopede regioner).LED'er kan dække en lang række bølgelængder fra infrarød til ultraviolet.Det usammenhængende lys af LED'er er velegnet til en række belysnings- og indikationsanvendelser, såsom trafiklys og smarte belysningssystemer.Det er relativt enkelt at implementere LED'er og kræver ikke komplekse sikkerhedsforanstaltninger såsom lasere.At sikre konsistensen og holdbarheden af ​​LED -lyskilder kræver imidlertid nøjagtig strøm.

Begge lyskilder har deres fordele og ulemper.Valget afhænger af specifikke applikationskrav.Lasere bruges ofte i præcisionsoptiske eksperimenter og højhastighedsoptisk kommunikation, mens LED'er mere almindeligt anvendes i forbrugerelektronik og markeringssystemer.

Væskeniveauindikator baseret på optisk sensor

En flydende niveauindikator baseret på en optisk sensor er et præcisionsmålingsværktøj, der bruger principperne for brydning og reflektion af lys til at detektere ændringer i væskeniveauet.Det består af tre hovedkomponenter: en infrarød LED, en fototransistor og et gennemsigtigt prisme tip.

Figur 9: Sensor på optisk niveau

Når prismets spidsen udsættes for luft, gennemgår lyset fra den infrarøde LED den samlede intern reflektion inden for prisme, hvilket afspejler det meste af lyset for fototransistoren.I denne tilstand modtager transistoren mere lys og udsender et højere signal.

Når prismets spidsen er nedsænket i en væske, får forskellen i brydningsindeks mellem væske og luft lidt lys til at undslippe prisme.Dette får mindre lys til at nå fototransistoren og derved reducere det lys, den modtager, og sænke udgangssignalet.

Installations- og fejlsøgningstrin:

Sørg for, at det er rent: Prismet tip skal være rent og fri for forurening for at forhindre unøjagtige aflæsninger.Enhver snavs eller rest vil påvirke lysreflektion.

Placer sensoren: Juster sensorens prisme tip korrekt med det forventede interval af væskeniveauændringer.Juster sensorens placering, så den nøjagtigt registrerer stigningen og faldet af væskeniveauet.

Denne niveauindikator er effektiv uanset væskeens farve eller klarhed.Det fungerer pålideligt i en række flydende medier, herunder grumset eller farvede væsker.Optiske sensorer tilvejebringer en ikke-kontaktmetode til måling af flydende niveau, hvilket reducerer risikoen for sensorslitage og kontaminering og derved forlænger levetiden for udstyr.

Anvendelse af optiske sensorer

Optiske sensorer bruges på mange felter på grund af deres høje følsomhed og nøjagtighed.Nedenfor er en introduktion til nogle vigtige applikationsområder.

Computere og kontorautomatiseringsudstyr: I computere og kopimaskiner kontrollerer optiske sensorer papirposition og bevægelse.Disse sensorer sikrer korrekte papirudvikling og udkast under udskrivning, reducerer syltetøj og fejl.De bruges også i automatiserede belysningsarmaturer, såsom sensorlys i gange eller konferencelokaler, der registrerer mennesker og automatisk tænder og slukker lys, sparer energi og øger bekvemmeligheden.

Sikkerheds- og overvågningssystemer: I sikkerhedssystemer bruges optiske sensorer i vid udstrækning til detektion af indtrængen.De registrerer, når et vindue eller dør åbnes og udløser en alarm.Ved fotografering sikrer optiske sensorer i flash -synkronisatorer, at flash skyder på det optimale øjeblik for optimale lyseffekter.

Biomedicinske anvendelser: På det medicinske område overvåger optiske sensorer en patients vejrtrækning og hjerterytme.Ved at analysere ændringer i reflekteret lys detekterer de små brystbevægelser for ikke-invasivt at overvåge luftvejsfrekvensen.Optiske hjerterytme monitorer bruger LED'er til at udsende lys gennem huden og detektere det beløb, der er absorberet og reflekteret af blodet til beregning af hjerterytmen.

Ambient Light Sensor: I smartphones og tablets justerer omgivelseslyssensorer automatisk skærmens lysstyrke for at optimere displayet baseret på omgivende lysforhold og gemme batterilægten.Disse sensorer kræver præcis kalibrering og følsomme responskarakteristika for at tilpasse sig hurtigt skiftende omgivende lysforhold og give brugerne en behagelig visuel oplevelse.

Konklusion

Anvendelser af optiske sensorer inden for forskellige teknologiske felter demonstrerer deres brede funktionalitet og effektive ydelse.Fra optiske sensorer til forskellige reflekterende og gennemstrålesensorer har hver type optisk sensor unikke fordele og kan imødekomme forskellige inspektionsbehov.I industriel automatisering leverer de høj præcisionsdetektion og kontrol;I forbrugerelektronik forbedrer de udstyrets intelligens;I biomedicin og miljøovervågning sikrer de dataens nøjagtighed og pålidelighed.I fremtiden, med den kontinuerlige fremskridt og innovation af teknologi, vil optiske sensorer spille en vigtigere rolle inden for flere nye områder og fremme udviklingen af ​​forskellige industrier i retning af intelligens og automatisering.

Ofte stillede spørgsmål [FAQ]

1. er en optisk sensoranalog eller digital?

Optiske sensorer kan være analoge eller digitale, afhængigt af deres design og typen af ​​outputsignal.Analoge optiske sensorer udsender et kontinuerligt varierende spændingssignal, der er proportionalt med den detekterede lysintensitet.Digitale optiske sensorer udsender digitale signaler, såsom binære koder, som normalt konverteres fra analoge signaler gennem en indbygget analog til digital konverter.

2. Hvad er fordelene ved en optisk sensor?

De vigtigste fordele ved optiske sensorer inkluderer:

Høj følsomhed og nøjagtighed: i stand til at detektere svage lyssignaler og subtile objektændringer.

Måling af ikke-kontakt: Måling kan udføres uden kontakt eller interferens med målet, der er egnet til påvisning af skrøbelige eller farlige stoffer.

Hurtig responstid: i stand til hurtigt at reagere på optiske ændringer i miljøet, egnet til dynamiske målinger.

Bred tilpasningsevne: Kan arbejde under forskellige miljøforhold, herunder hårde eller farlige miljøer.

3. hvordan man tester en optisk sensor?

Test af optiske sensorer involverer typisk følgende trin:

Forbered testmiljøet: Sørg for, at omgivelseslysforhold opfylder sensorens driftsspecifikationer.

Tilslut enheden: Tilslut sensoren til en læseenhed, f.eks. En multimeter eller computer.

Kalibrering: Kalibrer sensoren i henhold til producentens instruktioner for at sikre nøjagtighed.

Påfør en testlyskilde: Brug en lyskilde til kendt lysstyrke til at belyse sensoren.

Læs og registrer output: Registrer sensorens output, og kontroller, at den reagerer som forventet at ændres i lyskilden.

4. Hvad er forskellen mellem en optisk sensor og en infrarød sensor?

Den største forskel mellem optiske og infrarøde sensorer er den række lette bølgelængder, de registrerer.Optiske sensorer henviser generelt til sensorer, der er i stand til at føle bølgelængder i det synlige interval.Infrarøde sensorer detekterer specifikt infrarøde lysbølgelængder, som er usynlige for det menneskelige øje.Infrarøde sensorer bruges ofte i termiske billeddannelseskameraer, nattsynsudstyr og nogle typer kommunikationsudstyr.

5. Er optiske sensorer passive eller aktive?

Optiske sensorer kan være enten passive eller aktive, afhængigt af om de kræver en ekstern lyskilde.

Passive optiske sensorer: Ingen yderligere lyskilde er påkrævet, de fungerer ved at registrere lys fra miljøet, såsom sollys eller eksisterende belysning.

Aktive optiske sensorer: Kræv en ekstern lyskilde for at belyse målet og derefter registrere det lys, der reflekteres eller transmitteres fra målet.