Înțelegerea senzorilor optici: tipuri, principii și aplicații
2024-05-24 9205

Senzorii optici joacă un rol cheie în tehnologia electronică modernă.Acești senzori detectează locația, prezența și caracteristicile obiectelor prin emiterea și primirea semnalelor ușoare și sunt utilizate pe scară largă în câmpuri precum automatizarea industrială, electronica de consum, biomedicina și monitorizarea mediului.Acest articol se va aprofunda în diferitele tipuri, principiile de lucru și aplicațiile practice ale senzorilor optici pentru a ajuta cititorii să înțeleagă pe deplin importanța și potențialul de aplicare al senzorilor optici în diverse scenarii tehnice.De la structura de punte a senzorilor optici până la caracteristicile unice ale diferitelor tipuri de senzori optici, la exemple specifice în aplicații din lumea reală, acest articol va dezvălui diversitatea și complexitatea senzorilor optici.

Catalog

Figura 1: Senzor optic

Ce este un senzor optic?

Senzor optic Designul se bazează pe circuitul podului Wheatstone.În inginerie electrică, o punte de piatră de grâu folosește o combinație de rezistențe cunoscute și necunoscute pentru a determina valoarea rezistenței necunoscute prin compararea tensiunii.De asemenea, senzorii de punte ușoare folosesc o structură de punte cu patru fotodetectoare pentru a detecta modificările poziției fasciculului.

În primul rând, operatorul ajustează poziția detectoarelor pentru a se asigura că fasciculul lovește în mod uniform toate cele patru detectoare.Când fasciculul este deviat, fiecare detector surprinde o intensitate diferită de lumină.Circuitul procesează apoi aceste semnale pentru a determina poziția exactă și compensarea fasciculului.

Figura 2: Senzor optic

De exemplu, dacă fasciculul se deplasează spre dreapta, detectorul din dreapta primește mai multă lumină, iar detectorul din stânga primește mai puțină lumină.Procesorul de semnal al circuitului recunoaște rapid și calculează această modificare, ieșind date de poziție exacte.Procesul este rapid și extrem de precis, ceea ce face senzori optici importanți în echipamentele automate și sistemele de poziționare de înaltă precizie.

Principiul de lucru al senzorului optic

Senzorii optici detectează locația sau prezența obiectelor prin emiterea luminii și captarea reflecțiilor sau întreruperilor acestor raze.Senzorul folosește diode (LED-uri) cu emisie de lumină pentru a emite un fascicul de lumină.Când acest fascicul întâlnește un obiect, acesta poate fi reflectat la senzor sau blocat de obiect.

Figura 3: Principiul de lucru al senzorului optic

Pe o linie de asamblare automată, operatorii reglează poziția și sensibilitatea senzorilor pe baza caracteristicilor obiectului, cum ar fi materialul, dimensiunea și locația preconizată.Capacitatea senzorului de a detecta obiecte este independentă de material, fie din lemn, metal sau plastic, ceea ce îl face ideal pentru medii de producție multi-materiale.

De exemplu, detectarea sticlelor clare de sticlă necesită reglarea senzorului pentru a recunoaște materialele transparente.Obiectele transparente nu reflectă lumina eficientă, astfel încât senzorul necesită o sensibilitate mai mare sau o sursă de lumină specială (cum ar fi infraroșu).

Ca parte a proiectării sale, senzorul evaluează grinzi de lumină reflectate sau întrerupte.Când un obiect blochează fasciculul, senzorul trimite imediat un semnal către sistemul de control care indică locația sau pasajul obiectului.Dacă lumina este reflectată, senzorul folosește intensitatea și unghiul reflecției pentru a determina caracteristicile obiectului, cum ar fi dimensiunea și materialul de suprafață.

Tipuri de senzori optici

Există multe tipuri de senzori optici, fiecare cu principii și aplicații de operare specifice.Următoarele sunt câteva tipuri comune de senzori optici utilizate în scenarii din lumea reală.

Dispozitivele fotoconductive schimbă conductivitatea materialelor pe baza intensității luminii.Când lumina lovește senzorul, electronii din material absoarbe energia ușoară și sară la banda de conducere, crescând conductivitatea materialului.Dispozitivele fotoconductive sunt utilizate în sistemele de detectare a intensității ușoare, cum ar fi lămpile de întunecare automată.Operatorii trebuie să ia în considerare condițiile de lumină ambientală și timpii de răspuns pentru a asigura un control precis atunci când reglează aceste dispozitive.

Celulele fotovoltaice (celulele solare) convertesc energia luminii direct în energie electrică prin efectul fotoelectric în materialele semiconductoare.Fotonii excită electronii de la banda de valență la banda de conducere, creând perechi de gauri de electroni și generând curent electric.Aceste baterii sunt utilizate pe scară largă pentru producția de energie și alimentarea dispozitivelor îndepărtate, cum ar fi sateliții și camerele de supraveghere în aer liber.

Figura 4: Celule fotovoltaice

Fotodiodele folosesc efectul fotoelectric pentru a converti lumina în curent electric.Când lumina lovește zona de activare, structura lor internă poate răspunde rapid și poate genera un curent electric.Acești senzori sunt folosiți în mod obișnuit în echipamentele de detectare a pulsului de lumină și comunicare, cum ar fi telecomenzile și sistemele de fibră optică.

Figura 5: Fotodiode

Fototransistorii sunt în esență fotodiode cu câștig intern.Atunci când lumina lovește joncțiunea colectorului de bază, este generat un curent amplificat intern, ceea ce îl face potrivit pentru detectarea semnalelor de lumină slabă.Acești senzori sunt utili în special în aplicațiile care necesită o sensibilitate ridicată, cum ar fi echipamentele de măsurare optică în laboratoare.

Figura 6: Fototransistori

Senzor reflectorizant

Senzorii reflectorizați combină un emițător și un receptor într -un singur dispozitiv, permițând reflectarea fasciculului emis la receptor printr -o suprafață reflectantă sau suprafață obiect.Când un obiect intră pe calea fasciculului, întrerupe lumina, declanșând senzorul.

Pentru a configura senzorul, acesta trebuie poziționat și înclinat corect pentru o reflecție optimă.Operatorul trebuie să ajusteze poziția senzorului pentru a se asigura că suprafața reflectorizantă este suficient de mare și aliniată corespunzător pentru a reflecta eficient fasciculul la receptor.

De exemplu, în liniile de ambalare automate, senzorii reflectorizați detectează produsele care se deplasează pe o bandă transportoare.Operatorul plasează senzorul pe o parte a benzii transportoare și reflectorul neted pe cealaltă parte.Când un produs trece și blochează fasciculul, senzorul detectează întreruperea și trimite un semnal pentru a declanșa acțiuni, cum ar fi oprirea transportorului sau transferul produsului.

Unul dintre avantajele senzorilor reflectanți este capacitatea lor de a opera pe distanțe lungi și toleranța lor la o gamă largă de proprietăți de suprafață.Atâta timp cât se reflectă suficientă lumină, ei pot detecta obiecte indiferent de culoare sau textura suprafeței.Această versatilitate face senzori reflectorizați ideali pentru automatizarea industrială, navigarea robotului și sarcinile de clasificare a elementelor.

Senzor prin fascicul

Un senzor prin fascicul prin două componente principale: un emițător și un receptor, așezat unul lângă celălalt, de obicei la distanță.Transmițătorul trimite continuu un fascicul de lumină către receptor.Când un obiect blochează acest fascicul, un receptor detectează ocluzia și îl transformă într -un semnal electronic, care declanșează o operație de comutare.

Pentru a configura senzorul, emițătorul și receptorul trebuie să fie aliniat cu precizie.Aceasta implică reglarea poziției și unghiului lor, astfel încât fasciculul de la emițător să lovească direct receptorul.Operatorii trebuie să ia în considerare factori de mediu, cum ar fi lumina de fundal și surse potențiale de interferență pentru a evita declanșarea falsă.

Figura 7: senzor prin fascicul

De exemplu, la intrarea într-un depozit mare, monitorul senzorilor cu fascicul prin intrare neautorizată.Transmițătorul și receptorul sunt așezate pe ambele părți ale ușii.Când cineva sau un obiect trece prin ușă, fasciculul este întrerupt și sistemul declanșează o alarmă.

Unul dintre marile avantaje ale senzorilor prin fascicul este capacitatea lor de a opera pe distanțe lungi, ceea ce le face ideale pentru monitorizarea zonelor mari.Detectarea se bazează pe întreruperea fasciculului, astfel încât senzorul nu este sensibil la dimensiunea, culoarea sau structura de suprafață a obiectului.Cu toate acestea, obiectul trebuie să fie suficient de mare pentru a acoperi complet calea optică dintre emițător și receptor.

Senzorii prin fascicul sunt utilizați pe scară largă în sistemele de automatizare industrială și de securitate, în special în mediile în care sunt necesare monitorizare pe distanțe lungi și fiabilitate ridicată.Sunt ideale pentru detectarea articolelor pe liniile de producție și urmărirea obiectelor în mișcare de mare viteză.Înțelegând aceste detalii operaționale, operatorii pot asigura utilizarea eficientă și fiabilă a senzorilor prin fascicul într-o varietate de aplicații.

Senzor de reflecție difuz

Senzorii de reflectanță difuză combină emițătorul și receptorul într -un singur dispozitiv.Funcționează prin emiterea luminii și primind lumină împrăștiată din nou din obiectul măsurat.Senzorul este util în special pentru detectarea obiectelor cu suprafețe sau forme complexe, cum ar fi țesătură, lemn sau metal în formă neregulată.

În primul rând, setați sensibilitatea senzorului pentru a se potrivi cu proprietățile reflectoare ale diferitelor materiale și culori.Operatorii trebuie să ajusteze echipamentul pe baza reflectivității specifice obiectului.Acest lucru asigură că lumina reflectată este suficientă pentru ca receptorul să capteze, evitând lecturi false din cauza luminii prea puternice sau prea slabe.

Figura 8: Senzor de reflecție difuză

De exemplu, în sistemele de ambalare automate, senzorii de reflectanță difuză detectează etichetele pe căsuțele de ambalare.Operatorul ajustează senzorul, astfel încât mașina să identifice cu exactitate fiecare cutie, chiar dacă etichetele au reflectivități diferite.Aceasta necesită un control precis al intensității luminii emise și a sensibilității receptorului.

Senzorii difuzi pot întâmpina probleme din cauza împrăștierii de lumină inegală, mai ales atunci când lumina reflectată din spatele unui obiect este mai concentrată decât lumina reflectată din față.Pentru a rezolva această problemă, senzorul este proiectat folosind tehnologia de detectare a mai multe puncte pentru a reduce erorile.Operatorii trebuie să ia în considerare acești factori și să determine experimental sensibilitatea optimă și unghiul de emisie pentru a asigura o detectare exactă și fiabilă.

Întreținerea și calibrarea regulată asigură funcționarea stabilă pe termen lung.Aceasta include curățarea obiectivului senzorului pentru a împiedica praful și impuritățile să interfereze cu transmisia luminii.

Diferite surse de lumină pentru senzori optici

Sursa de lumină este foarte importantă pentru proiectarea și funcționalitatea senzorilor optici.Senzorii optici moderni folosesc de obicei o sursă de lumină monocromatică, care oferă lumină stabilă, consistentă, care permite măsurători de înaltă precizie și comunicații optice.

Laserele produc fascicule extrem de coerente de lumină prin atomi interesanți într -un mediu specific, cum ar fi un gaz, un cristal sau un pahar special.Fasciculul produs de laser este foarte concentrat și poate fi transmis pe distanțe lungi, fără o răspândire semnificativă.Acest lucru le face ideale pentru aplicații care necesită poziționare precisă și comunicații pe distanțe lungi, cum ar fi comunicații cu fibră optică și echipamente de măsurare a preciziei.În funcțiune, laserele necesită o gestionare precisă a puterii și un control de mediu pentru a menține o ieșire stabilă.Datorită pericolelor potențiale ale laserelor de intensitate ridicată, operatorii trebuie să asigure un gestionare sigură a laserului.

LED -urile (diode care emit ușor) sunt apreciate pentru dimensiunile mici, eficiența ridicată și viața lungă.Ei emit lumină prin recombinarea electronilor și a găurilor într-un material semiconductor (de obicei regiuni dopate de tip N și P).LED -urile pot acoperi o gamă largă de lungimi de undă de la infraroșu la ultraviolete.Lumina incoerentă a LED -urilor este potrivită pentru o varietate de aplicații de iluminat și indicații, cum ar fi semafoare și sisteme de iluminare inteligentă.Implementarea LED -urilor este relativ simplă și nu necesită măsuri complexe de siguranță, cum ar fi lasere.Cu toate acestea, asigurarea consistenței și durabilității surselor de lumină LED necesită un control precis al curentului.

Ambele surse de lumină au avantajele și dezavantajele lor.Alegerea depinde de cerințele specifice ale aplicației.Laserele sunt utilizate în mod obișnuit în experimente optice de precizie și comunicații optice de mare viteză, în timp ce LED-urile sunt mai frecvent utilizate în sistemele de electronice de consum și de marcare.

Indicator de nivel lichid pe baza senzorului optic

Un indicator de nivel lichid bazat pe un senzor optic este un instrument de măsurare a preciziei care folosește principiile de refracție și reflectarea luminii pentru a detecta modificările la nivelul lichidului.Este format din trei componente principale: un LED cu infraroșu, un fototransistor și un vârf de prismă transparent.

Figura 9: Senzor de nivel optic

Când vârful prismei este expus la aer, lumina de la LED -ul infraroșu suferă o reflecție internă totală în cadrul prismei, reflectând cea mai mare parte a luminii la fototransistor.În această stare, tranzistorul primește mai multă lumină și scoate un semnal mai mare.

Când vârful prismei este scufundat într -un lichid, diferența de indicele de refracție între lichid și aer face ca o lumină să scape de prismă.Acest lucru face ca mai puțină lumină să ajungă la fototransistor, reducând astfel lumina pe care o primește și scăzând semnalul de ieșire.

Pași de instalare și depanare:

Asigurați -vă că este curat: vârful prismei trebuie să fie curat și fără contaminare pentru a preveni citirile inexacte.Orice murdărie sau reziduuri va afecta reflectarea luminii.

Poziționați senzorul: Aliniați corect vârful prismei senzorului cu intervalul preconizat de modificări ale nivelului fluidului.Reglați poziția senzorului astfel încât să detecteze cu exactitate creșterea și căderea nivelului lichidului.

Acest indicator de nivel este eficient, indiferent de culoarea sau claritatea lichidului.Funcționează în mod fiabil într -o varietate de medii lichide, inclusiv lichide turbide sau colorate.Senzorii optici oferă o metodă non-contact de măsurare a nivelului lichidului, reducând riscul de uzură și contaminare a senzorilor și, prin urmare, prelungirea duratei de viață a echipamentului.

Aplicarea senzorilor optici

Senzorii optici sunt folosiți în multe câmpuri datorită sensibilității și preciziei lor ridicate.Mai jos este o introducere în unele domenii cheie de aplicare.

Calculatoare și echipamente de automatizare a birourilor: în calculatoare și copiatori, senzorii optici controlează poziția și mișcarea hârtiei.Acești senzori asigură un avans corect și ejecție a hârtiei în timpul imprimării, reducerea blocajelor și a erorilor.De asemenea, sunt utilizate în corpuri de iluminat automate, cum ar fi luminile senzorului pe holuri sau săli de conferințe, care detectează oamenii și aprind automat luminile, economisind energie și creșterea comodității.

Sisteme de securitate și supraveghere: În sistemele de securitate, senzorii optici sunt utilizați pe scară largă pentru detectarea intruziunilor.Ei detectează când o fereastră sau o ușă este deschisă și declanșează o alarmă.În fotografie, senzorii optici din sincronizatorii flash se asigură că Flash se declanșează în momentul optim pentru efecte optime de iluminare.

Aplicații biomedicale: În domeniul medical, senzorii optici monitorizează respirația și ritmul cardiac al pacientului.Analizând modificările luminii reflectate, acestea detectează mișcări ale pieptului minuscule pentru a monitoriza neinvaziv rata respiratorie.Monitoarele de frecvență cardiacă optică folosesc LED -uri pentru a emite lumină prin piele și pentru a detecta cantitatea absorbită și reflectată de sânge pentru a calcula ritmul cardiac.

Senzor de lumină ambientală: în smartphone -uri și tablete, senzorii de lumină ambientală reglează automat luminozitatea ecranului pentru a optimiza afișajul pe baza condițiilor de lumină înconjurătoare și pentru a economisi energia bateriei.Acești senzori necesită o calibrare precisă și caracteristici de răspuns sensibile pentru a se adapta la schimbarea rapidă a condițiilor de lumină ambientală și pentru a oferi utilizatorilor o experiență vizuală confortabilă.

Concluzie

Aplicațiile senzorilor optici în diferite domenii tehnologice demonstrează funcționalitatea lor largă și performanța eficientă.De la senzori optici la diverși senzori reflectorizanți și prin fascicul, fiecare tip de senzor optic are avantaje unice și poate satisface diferite nevoi de inspecție.În automatizarea industrială, acestea asigură detectarea și controlul de înaltă precizie;În electronica de consum, acestea îmbunătățesc inteligența echipamentelor;În biomedicină și monitorizarea mediului, acestea asigură exactitatea și fiabilitatea datelor.În viitor, odată cu avansarea continuă și inovația tehnologiei, senzorii optici vor juca un rol mai important în domenii mai emergente și vor promova dezvoltarea diferitelor industrii în direcția inteligenței și automatizării.

Întrebări frecvente [FAQ]

1. Este un senzor optic analog sau digital?

Senzorii optici pot fi analogici sau digitali, în funcție de designul lor și de tipul de semnal de ieșire.Senzorii optici analogici produc un semnal de tensiune care variază continuu, care este proporțional cu intensitatea luminii detectate.Senzorii optici digitali produc semnale digitale, cum ar fi codurile binare, care sunt de obicei convertite din semnale analogice printr-un convertor analog-digital încorporat.

2. Care sunt avantajele unui senzor optic?

Principalele avantaje ale senzorilor optici includ:

Sensibilitate ridicată și precizie: capabil să detecteze semnale slabe de lumină și modificări subtile ale obiectului.

Măsurarea fără contact: măsurarea poate fi efectuată fără contact sau interferență cu ținta, potrivită pentru detectarea substanțelor fragile sau periculoase.

Timp de răspuns rapid: capabil să răspundă rapid la schimbările optice din mediu, adecvate pentru măsurători dinamice.

ADAPTITATEA LITE: Poate funcționa într -o varietate de condiții de mediu, inclusiv medii dure sau periculoase.

3. Cum să testați un senzor optic?

Testarea senzorilor optici implică de obicei următorii pași:

Pregătiți mediul de testare: asigurați -vă că condițiile de lumină ambientală îndeplinesc specificațiile de funcționare ale senzorului.

Conectați dispozitivul: conectați senzorul la un dispozitiv de citire, cum ar fi un multimetru sau un computer.

Calibrare: calibrați senzorul conform instrucțiunilor producătorului pentru a asigura precizia.

Aplicați o sursă de lumină de testare: utilizați o sursă de lumină de luminozitate cunoscută pentru a ilumina senzorul.

Citiți și înregistrați ieșirea: înregistrați ieșirea senzorului și verificați dacă reacționează așa cum se așteaptă modificări ale sursei de lumină.

4. Care este diferența dintre un senzor optic și un senzor infraroșu?

Principala diferență între senzorii optici și infraroșii este gama de lungimi de undă ușoare pe care le detectează.Senzorii optici se referă, în general, la senzori capabili să detecteze lungimile de undă în intervalul vizibil.Senzorii infraroșii detectează în mod specific lungimile de undă ale luminii infraroșii, care sunt invizibile pentru ochiul uman.Senzorii infraroșii sunt folosiți în mod obișnuit în camerele de imagistică termică, echipamentele de viziune nocturnă și unele tipuri de echipamente de comunicații.

5. Sunt senzori optici pasivi sau activi?

Senzorii optici pot fi fie pasivi, fie activi, în funcție de dacă necesită o sursă de lumină externă.

Senzori optici pasivi: nu este necesară o sursă suplimentară de lumină, funcționează detectând lumina din mediu, cum ar fi lumina soarelui sau iluminarea existentă.

Senzori optici activi: necesită o sursă de lumină externă pentru a ilumina ținta și apoi a detecta lumina reflectată sau transmisă de la țintă.