Porozumění optickým senzorům: typy, principy a aplikace
2024-05-24 9147

Optické senzory hrají klíčovou roli v moderní elektronické technologii.Tyto senzory detekují umístění, přítomnost a vlastnosti objektů emitováním a přijímáním světelných signálů a jsou široce používány v oborech, jako je průmyslová automatizace, spotřební elektronika, biomedicína a monitorování životního prostředí.Tento článek se ponoří do různých typů, pracovních principů a praktických aplikací optických senzorů, které čtenářům pomohou plně pochopit důležitost a aplikační potenciál optických senzorů v různých technických scénářích.Od struktury mostu optických senzorů po jedinečné vlastnosti různých typů optických senzorů až po konkrétní příklady v aplikacích v reálném světě odhalí tento článek rozmanitost a složitost optických senzorů.

Katalog

Obrázek 1: Optický senzor

Co je optický senzor?

The Optický senzor Design je založen na můstkovém obvodu Wheatstone.V elektrotechnice používá můstek Wheatstone kombinace známých a neznámých rezistorů ke stanovení hodnoty neznámého rezistoru porovnáním napětí.Stejně tak senzory lehkého můstku používají strukturu můstku se čtyřmi fotodetektory k detekci změn v poloze paprsku.

Nejprve operátor upravuje polohu detektorů, aby zajistil, že paprsek rovnoměrně zasáhne všechny čtyři detektory.Když je paprsek odkloněn, každý detektor zachycuje jinou intenzitu světla.Obvod pak tyto signály zpracovává, aby určil přesnou polohu a posun paprsku.

Obrázek 2: Optický senzor

Například, pokud se paprsek pohybuje doprava, pravý detektor dostává více světla a levý detektor dostává méně světla.Procesor signálu obvodu rychle rozpozná a vypočítá tuto změnu a vydává přesná data polohy.Tento proces je rychlý a vysoce přesný, což je důležité, aby optické senzory byly důležité v automatizovaném zařízení a vysoce přesných systémech polohy.

Pracovní princip optického senzoru

Optické senzory detekují umístění nebo přítomnost objektů emitováním světla a zachycení odrazů nebo přerušení těchto paprsků.Senzor používá diody emitující světlo (LED) k emitování paprsku světla.Když tento paprsek narazí na objekt, může se to odrážet na senzor nebo blokovat objekt.

Obrázek 3: Pracovní princip optického senzoru

Na automatizované montážní lince upravují operátoři polohu a citlivost senzorů na základě charakteristik objektu, jako je materiál, velikost a očekávané umístění.Schopnost senzoru detekovat předměty je nezávislá na materiálu, ať už dřevo, kovu nebo plastu, což je ideální pro více materiální produkční prostředí.

Například detekce lahví s čistým sklením vyžaduje nastavení senzoru k rozpoznávání průhledných materiálů.Transparentní objekty neodrážejí světlo efektivně, takže senzor vyžaduje vyšší citlivost nebo speciální zdroj světla (jako je infračervené).

V rámci svého návrhu hodnotí senzor odrazených nebo přerušených světelných paprsků.Když objekt blokuje paprsek, senzor okamžitě odešle signál do řídicího systému, který označuje umístění nebo pasáž objektu.Pokud se světlo odráží, senzor použije intenzitu a úhel odrazu k určení charakteristik objektu, jako je velikost a povrchový materiál.

Typy optických senzorů

Existuje mnoho typů optických senzorů, z nichž každá má specifické provozní principy a aplikace.Níže jsou uvedeny některé běžné typy optických senzorů používaných ve scénářích v reálném světě.

Fotokovorativní zařízení mění vodivost materiálů na základě intenzity světla.Když světlo zasáhne senzor, elektrony v materiálu absorbují světelnou energii a skočí do vodivého pásma, což zvyšuje vodivost materiálu.Fotokovorativní zařízení se používají v systémech detekce intenzity světla, jako jsou automatické stmívací lampy.Operátoři musí zvážit podmínky okolního světla a doby odezvy, aby se zajistila přesná kontrola při úpravě těchto zařízení.

Fotovoltaické buňky (sluneční články) převádějí světelnou energii přímo na elektrickou energii prostřednictvím fotoelektrického účinku v polovodičových materiálech.Fotony excitují elektrony z valenčního pásma do vodivého pásma, vytvářejí páry elektronových děr a vytvářejí elektrický proud.Tyto baterie se široce používají pro výrobu energie a napájení vzdálených zařízení, jako jsou satelity a venkovní sledovací kamery.

Obrázek 4: fotovoltaické buňky

Fotodiody používají fotoelektrický efekt k přeměně světla na elektrický proud.Když světlo zasáhne oblast aktivace, může jejich vnitřní struktura rychle reagovat a generovat elektrický proud.Tyto senzory se běžně používají v detekčních a komunikačních zařízeních, jako jsou dálkové ovládání a optické systémy, vlákna.

Obrázek 5: fotodiody

Fototransistory jsou v podstatě fotodiody s vnitřním ziskem.Když světlo zasáhne křižovatku základního sběratele, generuje se vnitřně zesílený proud, takže je vhodný pro detekci slabých světelných signálů.Tyto senzory jsou zvláště užitečné v aplikacích, které vyžadují vysokou citlivost, jako jsou například optické měřicí zařízení v laboratořích.

Obrázek 6: Fototransistory

Reflexní senzor

Reflexní senzory kombinují vysílač a přijímač v jednom zařízení, což umožňuje, aby se emitovaný paprsek odrazil do přijímače přes reflexní povrch nebo povrch objektu.Když objekt vstoupí do cesty paprsku, přeruší světlo a spustí senzor.

Pro nastavení senzoru je třeba jej správně umístit a naklonit pro optimální odraz.Operátor musí upravit polohu senzoru, aby zajistil, že odrazový povrch je dostatečně velký a správně zarovnán, aby účinně odrážel paprsek k přijímači.

Například v automatizovaných obalových liniích detekují reflexní senzory produkty pohybující se na dopravním pásu.Operátor umístí senzor na jednu stranu dopravního pásu a hladký reflektor na druhé straně.Když produkt prochází a blokuje paprsek, senzor detekuje přerušení a pošle signál pro spouštění akcí, jako je zastavení dopravníku nebo přenos produktu.

Jednou z výhod reflexních senzorů je jejich schopnost fungovat na velké vzdálenosti a jejich toleranci k široké škále povrchových vlastností.Pokud se odráží dostatek světla, mohou detekovat objekty bez ohledu na barvu nebo povrchovou texturu.Tato všestrannost činí reflexní senzory ideální pro úkoly průmyslové automatizace, navigace robotů a klasifikaci položek.

Senzor přes paprsky

Senzor paprsku se skládá ze dvou hlavních složek: vysílač a přijímač, umístěný proti sobě, obvykle na dálku.Vysílač nepřetržitě posílá paprsek světla do přijímače.Když objekt blokuje tento paprsek, přijímač detekuje okluzi a převádí jej na elektronický signál, který spustí přepínací operaci.

Pro nastavení senzoru je třeba přesně vyrovnat vysílač a přijímač.To zahrnuje nastavení jejich polohy a úhlu tak, aby paprsek z vysílače zasáhl přímo přijímač.Provozovatelé musí zvážit faktory prostředí, jako je světlo na pozadí a potenciální zdroje rušení, aby se zabránilo falešným spuštěním.

Obrázek 7: Senzor přes paprsky

Například u vchodu do velkého skladu monitorujte senzory přes neautorizovaný vstup.Vysílač a přijímač jsou umístěny na obou stranách dveří.Když někdo nebo objekt projde dveřmi, paprsek je přerušen a systém spustí poplach.

Jednou z velkých výhod senzorů pro přes paprsky je jejich schopnost fungovat na velké vzdálenosti, což z nich činí ideální pro monitorování velkých ploch.Detekce je založena na přerušení paprsku, takže senzor není citlivý na velikost, barvu nebo povrchovou strukturu objektu.Objekt však musí být dostatečně velký, aby zcela zakryl optickou cestu mezi vysílačem a přijímačem.

Senzory přes paprsky se široce používají v průmyslových automatizačních a bezpečnostních systémech, zejména v prostředích, kde je vyžadováno sledování na dlouhé vzdálenosti a vysoká spolehlivost.Jsou ideální pro detekci položek na výrobních linkách a sledování vysokorychlostních pohyblivých objektů.Pochopením těchto operačních detailů mohou operátoři zajistit efektivní a spolehlivé používání senzorů průchodů v různých aplikacích.

Difúzní senzor odrazu

Difuzní senzory odrazivosti kombinují vysílač a přijímač v jednom zařízení.Funguje to tak, že vyzařuje světlo a přijímá světlo rozptýlené zpět z měřeného objektu.Senzor je zvláště užitečný pro detekci objektů se složitými povrchy nebo tvary, jako je tkanina, dřevo nebo nepravidelně tvarovaný kov.

Nejprve nastavte citlivost senzoru tak, aby odpovídala reflexním vlastnostem různých materiálů a barev.Operátoři musí zařízení upravit na základě konkrétní odrazivosti objektu.Tím je zajištěno, že odražené světlo je dostatečné pro to, aby přijímač zachytil, a zabrání falešným hodnotám kvůli příliš silnému nebo příliš slabému světlu.

Obrázek 8: Senzor difúzního odrazu

Například v automatizovaných obalových systémech detekují senzory difúzní odrazivosti štítky na obalových boxech.Operátor upraví senzor tak, aby stroj přesně identifikoval každé pole, i když štítky mají různé reflektivity.To vyžaduje přesnou kontrolu intenzity emitovaného světla a citlivosti přijímače.

Difúzní senzory mohou vyskytnout problémy v důsledku nerovnoměrného rozptylu světla, zejména když je světlo odrážené ze zadní části objektu koncentrovanější než světlo odrážené zepředu.K vyřešení tohoto problému je senzor navržen pomocí technologie detekce více bodů ke snížení chyb.Provozovatelé musí tyto faktory zvážit a experimentálně určit optimální citlivost a úhel emise, aby byla zajištěna přesná a spolehlivá detekce.

Pravidelná údržba a kalibrace zajišťují dlouhodobý stabilní provoz.To zahrnuje čištění čočky senzoru, aby se zabránilo prachu a nečistotám narušování přenosu světla.

Různé zdroje světla pro optické senzory

Zdroj světla je velmi důležitý pro návrh a funkčnost optických senzorů.Moderní optické senzory obvykle používají monochromatický zdroj světla, který poskytuje stabilní, konzistentní světlo, což umožňuje vysoce přesné měření a optickou komunikaci.

Lasery produkují vysoce koherentní paprsky světla vzrušujícími atomy v konkrétním médiu, jako je plyn, krystal nebo speciální sklo.Paprsek produkovaný laserem je velmi zaměřen a může být přenášen na velké vzdálenosti bez významného šíření.Díky tomu jsou ideální pro aplikace vyžadující přesné umístění a komunikaci na dlouhé vzdálenosti, jako je vlákninová optická komunikace a přesná měření.V provozu lasery vyžadují přesné řízení energie a kontrolu životního prostředí, aby udržely stabilní výstup.Vzhledem k potenciálním rizikům laserů s vysokou intenzitou musí operátoři zajistit bezpečné řízení laseru.

LED diody (diody emitující světlo) jsou oceněny pro jejich malou velikost, vysokou účinnost a dlouhou životnost.Emitují světlo rekombinací elektronů a děr v polovodičovém materiálu (obvykle dopované oblasti typu N- a P).LED diody mohou pokrýt širokou škálu vlnových délek od infračerveného po ultrafialové.Nekoherentní světlo LED je vhodné pro různé aplikace osvětlení a indikací, jako jsou semafory a inteligentní osvětlení.Nasazení LED je relativně jednoduché a nevyžaduje složitá bezpečnostní opatření, jako jsou lasery.Zajištění konzistence a trvanlivosti zdrojů LED světla však vyžaduje přesnou kontrolu proudu.

Oba světelné zdroje mají své výhody a nevýhody.Volba závisí na specifických požadavcích na aplikaci.Lasery se běžně používají v přesných optických experimentech a vysokorychlostní optické komunikaci, zatímco LED jsou běžně používány v spotřební elektronice a značkovacích systémech.

Indikátor hladiny kapaliny založený na optickém senzoru

Indikátor hladiny kapaliny založený na optickém senzoru je nástroj přesného měření, který používá principy lomu a odrazu světla k detekci změn hladiny kapaliny.Skládá se ze tří hlavních složek: infračervené LED, fototransistor a průhledné hranolové tip.

Obrázek 9: Senzor optické úrovně

Když je špička hranolu vystavena vzduchu, světlo z infračervené LED podléhá celkovému vnitřnímu odrazu v hranolu, což odráží většinu světla na fototransistor.V tomto stavu tranzistor dostává více světla a vydává vyšší signál.

Když je špička hranolu ponořena do kapaliny, rozdíl v indexu lomu mezi kapalinou a vzduchem způsobí, že určité světlo unikne hranolu.To způsobí méně světla k dosažení fototransistoru, čímž se snižuje světlo, které přijímá, a snižuje výstupní signál.

Kroky instalace a ladění:

Ujistěte se, že je čistý: Tip hranolu musí být čistý a bez kontaminace, aby se zabránilo nepřesným hodnotám.Jakákoli nečistota nebo zbytek ovlivní odraz světla.

Umístěte senzor: Správně zarovnejte špičku hranolu senzoru s očekávaným rozsahem změn hladiny tekutin.Upravte polohu senzoru tak, aby přesně detekoval vzestup a pokles hladiny kapaliny.

Tento indikátor úrovně je účinný bez ohledu na barvu nebo čistotu kapaliny.Spolehlivě funguje v různých kapalných médiích, včetně zakalených nebo barevných kapalin.Optické senzory poskytují nekontaktní metodu měření hladiny kapaliny, což snižuje riziko opotřebení senzoru a kontaminace, a tím prodlouží životnost zařízení.

Aplikace optických senzorů

Optické senzory se používají v mnoha oblastech kvůli jejich vysoké citlivosti a přesnosti.Níže je uvedeno úvod do některých klíčových oblastí aplikace.

Počítače a zařízení pro automatizaci kanceláří: V počítačích a kopírech, optické senzory ovládací polohu a pohyb.Tyto senzory zajišťují správný postup a vyhazování papíru během tisku, snižují džemy a chyby.Používají se také v automatizovaných svítidlech, jako jsou senzorová světla v chodbách nebo konferenčních místnostech, které detekují lidi a automaticky zapínají světla, šetří energii a zvyšují pohodlí.

Zabezpečovací a sledovací systémy: V bezpečnostních systémech se pro detekci narušení široce používají optické senzory.Detekují, když se otevře okno nebo dveře a spustí poplach.Ve fotografii optické senzory v synchronizátorech Flash zajišťují, že bleskové vystřelení v optimálním okamžiku pro optimální osvětlení.

Biomedicínské aplikace: V lékařské oblasti monitorují optické senzory dýchání a srdeční frekvenci pacienta.Analýzou změn odrazeného světla detekují drobné pohyby hrudníku na neinvazivně monitorování respirační frekvence.Optické monitory srdeční frekvence používají LED k emitování světla skrz kůži a detekování množství absorbovaného a odrazující krví pro výpočet srdeční frekvence.

Senzor okolního světla: V chytrých telefonech a tabletech senzory okolního světla automaticky upravují jas obrazovky tak, aby optimalizovaly displej na základě okolních světelných podmínek a ušetřily energii baterie.Tyto senzory vyžadují přesné kalibrační a citlivé charakteristiky odezvy, aby se přizpůsobily rychle se měnícím okolním světelným podmínkám a poskytly uživatelům pohodlný vizuální zážitek.

Závěr

Aplikace optických senzorů v různých technologických oblastech ukazují jejich širokou funkčnost a efektivní výkon.Od optických senzorů až po různé reflexní a průběžné senzory má každý typ optického senzoru jedinečné výhody a může uspokojit různé potřeby inspekce.Při průmyslové automatizaci poskytují vysokou přesnost detekce a kontroly;Ve spotřební elektronice zlepšují inteligenci vybavení;Při monitorování biomedicíny a životního prostředí zajišťují přesnost a spolehlivost dat.V budoucnu budou s nepřetržitým rozvojem a inovací technologie hrát optické senzory důležitější roli v rozvíjejících se oborech a podpořit rozvoj různých průmyslových odvětví směrem k inteligenci a automatizaci.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Je analog nebo digitální optický senzor?

Optické senzory mohou být analogové nebo digitální, v závislosti na jejich návrhu a typu výstupního signálu.Analogové optické senzory vydávají nepřetržitě měnící se signál napětí, který je úměrný detekované intenzitě světla.Digitální optické senzory vystupují digitální signály, jako jsou binární kódy, které jsou obvykle převedeny z analogových signálů prostřednictvím vestavěného analogového k digitálního převodníku.

2. jaké jsou výhody optického senzoru?

Mezi hlavní výhody optických senzorů patří:

Vysoká citlivost a přesnost: Schopnost detekovat slabé signály světla a jemné změny objektů.

Měření bez kontaktu: Měření lze provádět bez kontaktu nebo rušení cíle, vhodné pro detekci křehkých nebo nebezpečných látek.

Rychlá doba odezvy: Schopnost rychle reagovat na optické změny v prostředí, vhodné pro dynamická měření.

Široká přizpůsobivost: Může fungovat v různých podmínkách prostředí, včetně drsného nebo nebezpečného prostředí.

3. Jak otestovat optický senzor?

Testování optických senzorů obvykle zahrnuje následující kroky:

Připravte zkušební prostředí: Zajistěte, aby podmínky okolního světla splňovaly provozní specifikace senzoru.

Připojte zařízení: Připojte senzor k čtecímu zařízení, jako je multimetr nebo počítač.

Kalibrace: Kalibrujte senzor podle pokynů výrobce, abyste zajistili přesnost.

Použijte zdroj testovacího světla: Pro osvětlení senzoru použijte světelný zdroj známého jasu.

Přečtěte si a zaznamenejte výstup: Zaznamenejte výstup senzoru a zkontrolujte, zda reaguje podle očekávání změn ve zdroji světla.

4. Jaký je rozdíl mezi optickým senzorem a infračerveným senzorem?

Hlavním rozdílem mezi optickými a infračervenými senzory je rozsah světelných vlnových délek, které detekují.Optické senzory obecně odkazují na senzory schopné snímat vlnové délky ve viditelném rozsahu.Infračervené senzory konkrétně detekují vlnové délky infračerveného světla, které jsou pro lidské oko neviditelné.Infračervené senzory se běžně používají v tepelných zobrazovacích kamerech, vybavení pro noční vidění a některých typech komunikačního vybavení.

5. Jsou optické senzory pasivní nebo aktivní?

Optické senzory mohou být buď pasivní nebo aktivní, v závislosti na tom, zda vyžadují externí zdroj světla.

Pasivní optické senzory: Není nutný žádný další zdroj světla, pracují detekováním světla z prostředí, jako je sluneční světlo nebo stávající osvětlení.

Aktivní optické senzory: Vyžadujte vnější zdroj světla pro osvětlení cíle a poté detekujte světlo odražené nebo přenášené z cíle.