Kuptimi i sensorëve optikë: Llojet, parimet dhe aplikimet
2024-05-24 9247

Sensorët optikë luajnë një rol kryesor në teknologjinë moderne elektronike.Këta sensorë zbulojnë vendndodhjen, praninë dhe karakteristikat e objekteve duke lëshuar dhe marrë sinjale të lehta dhe përdoren gjerësisht në fusha të tilla si automatizimi industrial, elektronika e konsumit, biomjekësia dhe monitorimi i mjedisit.Ky artikull do të përfshijë në llojet e ndryshme, parimet e punës dhe aplikimet praktike të sensorëve optikë për të ndihmuar lexuesit të kuptojnë plotësisht rëndësinë dhe potencialin e aplikimit të sensorëve optikë në skenarë të ndryshëm teknikë.Nga struktura e urës së sensorëve optikë deri tek karakteristikat unike të llojeve të ndryshme të sensorëve optikë, deri tek shembuj specifikë në aplikimet e botës reale, ky artikull do të zbulojë diversitetin dhe kompleksitetin e sensorëve optikë.

Katalog

Figura 1: Sensori optik

Çfarë është një sensor optik?

Sensor optik Dizajni bazohet në qarkun e urës Wheatstone.Në inxhinierinë elektrike, një urë Wheatstone përdor një kombinim të rezistorëve të njohur dhe të panjohur për të përcaktuar vlerën e rezistencës së panjohur duke krahasuar tensionin.Po kështu, sensorët e urës së lehtë përdorin një strukturë urë me katër fotodetektorë për të zbuluar ndryshimet në pozicionin e rrezes.

Së pari, operatori rregullon pozicionin e detektorëve për të siguruar që rrezja të godasë të katër detektorët në mënyrë të barabartë.Kur rrezja është devijuar, secili detektor kap një intensitet të ndryshëm të dritës.Qarku pastaj përpunon këto sinjale për të përcaktuar pozicionin e saktë dhe kompensimin e rrezes.

Figura 2: Sensori optik

Për shembull, nëse rrezja lëviz në të djathtë, detektori i djathtë merr më shumë dritë dhe detektori i majtë merr më pak dritë.Procesori i sinjalit të qarkut shpejt njeh dhe llogarit këtë ndryshim, duke nxjerrë të dhëna të sakta të pozicionit.Procesi është i shpejtë dhe shumë i saktë, duke i bërë sensorë optikë të rëndësishëm në pajisjet e automatizuara dhe sistemet e pozicionimit me precizion të lartë.

Parimi i punës i sensorit optik

Sensorët optikë zbulojnë vendndodhjen ose praninë e objekteve duke lëshuar dritë dhe duke kapur reflektime ose ndërprerje të këtyre rrezeve.Sensori përdor dioda (LED) që lëshojnë dritë për të lëshuar një rreze drite.Kur kjo rreze takohet me një objekt, ajo mund të reflektohet në sensorin ose të bllokohet nga objekti.

Figura 3: Parimi i punës i sensorit optik

Në një linjë të automatizuar të montimit, operatorët rregullojnë pozicionin dhe ndjeshmërinë e sensorëve bazuar në karakteristikat e objektit, siç janë materiali, madhësia dhe vendndodhja e pritshme.Aftësia e sensorit për të zbuluar objektet është e pavarur nga materiali, qoftë druri, metali ose plastika, duke e bërë atë ideal për mjedise prodhimi shumë-materiale.

Për shembull, zbulimi i shisheve të qelqit të qartë kërkon rregullimin e sensorit për të njohur materialet transparente.Objektet transparente nuk pasqyrojnë dritën në mënyrë efikase, kështu që sensori kërkon ndjeshmëri më të lartë ose një burim të veçantë të dritës (siç është infra të kuqe).

Si pjesë e modelit të tij, sensori vlerëson trarët e dritës të reflektuara ose të ndërprera.Kur një objekt bllokon rrezen, sensori menjëherë dërgon një sinjal në sistemin e kontrollit që tregon vendndodhjen ose kalimin e objektit.Nëse reflektohet drita, sensori përdor intensitetin dhe këndin e reflektimit për të përcaktuar karakteristikat e objektit, siç është madhësia dhe materiali sipërfaqësor.

Llojet e sensorëve optikë

Ekzistojnë shumë lloje të sensorëve optikë, secila me parime specifike operative dhe aplikime.Më poshtë janë disa lloje të zakonshme të sensorit optik të përdorura në skenarët e botës reale.

Pajisjet fotokonduktive ndryshojnë përçueshmërinë e materialeve bazuar në intensitetin e dritës.Kur drita godet sensorin, elektronet në material thithin energjinë e dritës dhe hidhen në brezin e përcjelljes, duke rritur përçueshmërinë e materialit.Pajisjet fotokonduktive përdoren në sistemet e zbulimit me intensitet të dritës, siç janë llambat automatike të zbehjes.Operatorët duhet të marrin në konsideratë kushtet e dritës së ambientit dhe kohën e përgjigjes për të siguruar kontroll të saktë gjatë rregullimit të këtyre pajisjeve.

Qelizat fotovoltaike (qelizat diellore) shndërrojnë energjinë e dritës direkt në energji elektrike përmes efektit fotelektrik në materialet gjysmëpërçuese.Fotonet ngacmojnë elektronet nga brezi i valencës në brezin e përcjelljes, duke krijuar çifte me vrima elektronike dhe duke gjeneruar rrymë elektrike.Këto bateri përdoren gjerësisht për prodhimin e energjisë dhe fuqizimin e pajisjeve të largëta si satelitët dhe kamerat e mbikëqyrjes në natyrë.

Figura 4: Qelizat fotovoltaike

Photodiodes përdorin efektin fotoelektrik për të kthyer dritën në rrymë elektrike.Kur drita godet zonën e aktivizimit, struktura e tyre e brendshme mund të përgjigjet shpejt dhe të gjenerojë një rrymë elektrike.Këta sensorë përdoren zakonisht në pajisjet e zbulimit të pulsit të dritës dhe pajisjeve të komunikimit siç janë telekomandat dhe sistemet e fibrave optike.

Figura 5: Photodiodes

Fototransistorët janë në thelb fotodioda me përfitime të brendshme.Kur drita godet kryqëzimin bazë të kolektorit, gjenerohet një rrymë e amplifikuar nga brenda, duke e bërë atë të përshtatshme për zbulimin e sinjaleve të dobëta të dritës.Këta sensorë janë veçanërisht të dobishëm në aplikacione që kërkojnë ndjeshmëri të lartë, siç janë pajisjet e matjes optike në laboratorë.

Figura 6: Fototransistorët

Sensor reflektues

Sensorët reflektues kombinojnë një transmetues dhe marrës në një pajisje të vetme, duke lejuar që rrezja e emetuar të reflektohet në marrës përmes një sipërfaqe reflektuese ose sipërfaqe të objektit.Kur një objekt hyn në shtegun e rrezes, ai ndërpret dritën, duke shkaktuar sensorin.

Për të vendosur sensorin, ai duhet të pozicionohet dhe të përkulet si duhet për reflektim optimal.Operatori duhet të rregullojë pozicionin e sensorit për të siguruar që sipërfaqja reflektuese është mjaft e madhe dhe e përafruar siç duhet për të pasqyruar në mënyrë efektive rrezen e marrësit.

Për shembull, në linjat e automatizuara të paketimit, sensorët reflektues zbulojnë produktet që lëvizin në një rrip transportues.Operatori vendos sensorin në njërën anë të rripit të transportuesit dhe reflektorin e lëmuar në anën tjetër.Kur një produkt kalon dhe bllokon rrezen, sensori zbulon ndërprerjen dhe dërgon një sinjal për të shkaktuar veprime të tilla si ndalimi i transportuesit ose transferimi i produktit.

Një nga avantazhet e sensorëve reflektues është aftësia e tyre për të operuar në distanca të gjata dhe tolerancën e tyre ndaj një game të gjerë të pronave sipërfaqësore.Për sa kohë që reflektohet drita e mjaftueshme, ato mund të zbulojnë objekte pavarësisht nga ngjyra ose cilësi sipërfaqësore.Kjo shkathtësi i bën sensorët reflektues ideal për automatizimin industrial, navigimin e robotëve dhe detyrat e klasifikimit të artikujve.

Sensor përmes rrezeve

Një sensor përmes rrezeve përbëhet nga dy përbërës kryesorë: një transmetues dhe një marrës, i vendosur përballë njëri-tjetrit, zakonisht në distancë.Transmetuesi vazhdimisht i dërgon një rreze drite marrësit.Kur një objekt bllokon këtë rreze, një marrës zbulon okluzionin dhe e shndërron atë në një sinjal elektronik, i cili shkakton një operacion ndërrimi.

Për të vendosur sensorin, transmetuesi dhe marrësi duhet të përafrohen saktësisht.Kjo përfshin rregullimin e pozicionit dhe këndit të tyre në mënyrë që rrezja nga transmetuesi të godasë drejtpërdrejt marrësin.Operatorët duhet të marrin në konsideratë faktorët mjedisorë siç janë drita e sfondit dhe burimet e mundshme të ndërhyrjes për të shmangur nxitjen e rreme.

Figura 7: Sensori përmes rrezeve

Për shembull, në hyrje të një depoje të madhe, sensorët përmes rrezeve monitorojnë për hyrje të paautorizuar.Transmetuesi dhe marrësi vendosen në të dy anët e derës.Kur dikush ose një objekt kalon nëpër derë, rrezja ndërpritet dhe sistemi shkakton një alarm.

Një nga avantazhet e mëdha të sensorëve përmes rrezeve është aftësia e tyre për të operuar në distanca të gjata, duke i bërë ato ideale për monitorimin e zonave të mëdha.Zbulimi bazohet në ndërprerjen e rrezes, kështu që sensori nuk është i ndjeshëm ndaj madhësisë, ngjyrës ose strukturës sipërfaqësore të objektit.Sidoqoftë, objekti duhet të jetë mjaft i madh për të mbuluar plotësisht rrugën optike midis transmetuesit dhe marrësit.

Sensorët përmes rrezeve përdoren gjerësisht në automatizimin industrial dhe sistemet e sigurisë, veçanërisht në mjediset ku kërkohet monitorim në distanca të gjata dhe besueshmëri e lartë.Ato janë ideale për zbulimin e artikujve në linjat e prodhimit dhe për të ndjekur objektet me shpejtësi të lartë.Duke kuptuar këto detaje operacionale, operatorët mund të sigurojnë përdorim efikas dhe të besueshëm të sensorëve përmes rrezeve në një larmi aplikimesh.

Sensor i reflektimit difuz

Sensorët e reflektimit difuz kombinojnë transmetuesin dhe marrësin në një pajisje.Ajo funksionon duke lëshuar dritë dhe duke marrë dritën e shpërndarë nga objekti që matet.Sensori është veçanërisht i dobishëm për zbulimin e objekteve me sipërfaqe ose forma komplekse, të tilla si pëlhurë, dru ose metal në formë të çrregullt.

Së pari, vendosni ndjeshmërinë e sensorit që të përputhet me vetitë reflektuese të materialeve dhe ngjyrave të ndryshme.Operatorët duhet të rregullojnë pajisjet bazuar në reflektimin specifik të objektit.Kjo siguron që drita e reflektuar të jetë e mjaftueshme që marrësi të kapë, duke shmangur leximet e rreme për shkak të dritës shumë të fortë ose shumë të dobët.

Figura 8: Sensori i reflektimit difuz

Për shembull, në sistemet e automatizuara të paketimit, sensorët e reflektimit të shpërndarjes zbulojnë etiketat në kutitë e paketimit.Operatori rregullon sensorin në mënyrë që makina të identifikojë me saktësi secilën kuti, edhe nëse etiketat kanë reflektim të ndryshëm.Kjo kërkon kontroll të saktë të intensitetit të dritës së emetuar dhe ndjeshmërisë së marrësit.

Sensorët difuze mund të pësojnë probleme për shkak të shpërndarjes së pabarabartë të dritës, veçanërisht kur drita e pasqyruar nga pjesa e pasme e një objekti është më e përqendruar sesa drita e reflektuar nga përpara.Për të zgjidhur këtë problem, sensori është krijuar duke përdorur teknologjinë e zbulimit me shumë pika për të zvogëluar gabimet.Operatorët duhet të marrin në konsideratë këta faktorë dhe të përcaktojnë në mënyrë eksperimentale ndjeshmërinë optimale dhe këndin e emetimit për të siguruar një zbulim të saktë dhe të besueshëm.

Mirëmbajtja dhe kalibrimi i rregullt sigurojnë funksionim të qëndrueshëm afatgjatë.Kjo përfshin pastrimin e lenteve të sensorit për të parandaluar që pluhuri dhe papastërtitë të ndërhyjnë në transmetimin e dritës.

Burime të ndryshme të dritës për sensorë optikë

Burimi i dritës është shumë i rëndësishëm për hartimin dhe funksionalitetin e sensorëve optikë.Sensorët optikë modernë zakonisht përdorin një burim drite monokromatike, i cili siguron dritë të qëndrueshme, të qëndrueshme, duke mundësuar matje me precizion të lartë dhe komunikime optike.

Lasers prodhojnë rreze shumë koherente të dritës nga atome emocionuese në një medium specifik, siç është gazi, një kristal ose një gotë e veçantë.Rrezja e prodhuar nga lazeri është shumë e përqendruar dhe mund të transmetohet në distanca të gjata pa përhapje të konsiderueshme.Kjo i bën ata ideal për aplikime që kërkojnë pozicionim të saktë dhe komunikime në distanca të gjata, siç janë komunikimet me fibra optike dhe pajisjet e matjes së saktësisë.Në funksionim, lazerët kërkojnë menaxhim të saktë të energjisë dhe kontroll mjedisor për të ruajtur prodhimin e qëndrueshëm.Për shkak të rreziqeve të mundshme të lazerëve me intensitet të lartë, operatorët duhet të sigurojnë një menaxhim të sigurt të lazerit.

LED (dioda që lëshojnë dritë) vlerësohen për madhësinë e tyre të vogël, efikasitetin e lartë dhe jetën e gjatë.Ata lëshojnë dritë nga rekombinimi i elektroneve dhe vrimave në një material gjysmëpërçues (zakonisht rajone të dopeduara të tipit N- dhe P).LED mund të mbulojnë një gamë të gjerë të gjatësive të valëve nga infra të kuqe në ultravjollcë.Drita jo -koherente e LED -ve është e përshtatshme për një larmi aplikimesh të ndriçimit dhe indikacionit, të tilla si semaforët dhe sistemet e ndriçimit inteligjent.Vendosja e LED -ve është relativisht e thjeshtë dhe nuk kërkon masa komplekse sigurie siç janë lazerët.Sidoqoftë, sigurimi i qëndrueshmërisë dhe qëndrueshmërisë së burimeve të dritës LED kërkon një kontroll të saktë aktual.

Të dy burimet e dritës kanë avantazhet dhe disavantazhet e tyre.Zgjedhja varet nga kërkesat specifike të aplikimit.Lazerët përdoren zakonisht në eksperimentet optike precize dhe komunikimet optike me shpejtësi të lartë, ndërsa LED-të përdoren më shpesh në elektronikën e konsumit dhe sistemet e shënimit.

Tregues i nivelit të lëngshëm bazuar në sensorin optik

Një tregues i nivelit të lëngshëm bazuar në një sensor optik është një mjet i matjes precize që përdor parimet e refraksionit dhe reflektimit të dritës për të zbuluar ndryshimet në nivelin e lëngshëm.Përbëhet nga tre përbërës kryesorë: një LED infra të kuqe, një fototransistor dhe një majë prizmi transparente.

Figura 9: Sensori i nivelit optik

Kur maja e prizmit është e ekspozuar në ajër, drita nga LED infra të kuqe i nënshtrohet reflektimit total të brendshëm brenda prizmit, duke reflektuar pjesën më të madhe të dritës në fototransistor.Në këtë gjendje, transistori merr më shumë dritë dhe nxjerr një sinjal më të lartë.

Kur maja e prizmit është zhytur në një lëng, ndryshimi në indeksin refraktiv midis lëngut dhe ajrit bën që një dritë të shpëtojë nga prizmi.Kjo bën më pak dritë për të arritur në fototransistorin, duke zvogëluar kështu dritën që merr dhe uljen e sinjalit të daljes.

Hapat e instalimit dhe debugging:

Sigurohuni që është e pastër: maja e prizmit duhet të jetë e pastër dhe pa ndotje për të parandaluar leximet e pasakta.Anydo papastërti ose mbetje do të ndikojë në reflektimin e dritës.

Poziciononi sensorin: Rreshtoni saktë majën e prizmit të sensorit me gamën e pritshme të ndryshimeve të nivelit të lëngjeve.Rregulloni pozicionin e sensorit në mënyrë që të zbulojë me saktësi ngritjen dhe rënien e nivelit të lëngshëm.

Ky tregues i nivelit është efektiv pavarësisht nga ngjyra ose qartësia e lëngut.Ajo funksionon në mënyrë të besueshme në një larmi mediash të lëngshme, duke përfshirë lëngje të turbullta ose me ngjyra.Sensorët optikë ofrojnë një metodë jo-kontakte të matjes së nivelit të lëngshëm, duke zvogëluar rrezikun e veshjes dhe ndotjes së sensorit, dhe në këtë mënyrë zgjat jetën e pajisjeve.

Zbatimi i sensorëve optikë

Sensorët optikë përdoren në shumë fusha për shkak të ndjeshmërisë dhe saktësisë së tyre të lartë.Më poshtë është një hyrje në disa fusha kryesore të aplikimit.

Kompjuterët dhe pajisjet e automatizimit të zyrës: Në kompjuterë dhe kopjues, sensorët optikë kontrollojnë pozicionin dhe lëvizjen e letrës.Këta sensorë sigurojnë përparim të saktë të letrës dhe nxjerrje gjatë shtypjes, zvogëlimit të bllokimeve dhe gabimeve.Ato përdoren gjithashtu në ndeshjet e automatizuara të ndriçimit, siç janë dritat e sensorit në korridore ose dhomat e konferencave, të cilat zbulojnë njerëzit dhe automatikisht ndezin dhe fiken dritat, duke kursyer energji dhe duke rritur komoditetin.

Sistemet e sigurisë dhe mbikëqyrjes: Në sistemet e sigurisë, sensorët optikë përdoren gjerësisht për zbulimin e ndërhyrjes.Ata zbulojnë kur hapet një dritare ose derë dhe shkaktojnë një alarm.Në fotografi, sensorët optikë në sinkronizuesit e flashit sigurojnë që flash zjarret në momentin optimal për efektet optimale të ndriçimit.

Aplikimet biomjekësore: Në fushën mjekësore, sensorët optikë monitorojnë frymëmarrjen dhe rrahjet e zemrës së një pacienti.Duke analizuar ndryshimet në dritën e reflektuar, ato zbulojnë lëvizjet e vogla të gjoksit për të monitoruar jo-invazivisht të normës së frymëmarrjes.Monitoruesit optikë të rrahjeve të zemrës përdorin LED për të lëshuar dritë përmes lëkurës dhe për të zbuluar sasinë e zhytur dhe reflektuar nga gjaku për të llogaritur rrahjet e zemrës.

Sensori i dritës së ambientit: Në telefonat inteligjentë dhe tabletat, sensorët e dritës së ambientit rregullojnë automatikisht shkëlqimin e ekranit për të optimizuar ekranin bazuar në kushtet e dritës përreth dhe kurseni energjinë e baterisë.Këta sensorë kërkojnë karakteristika të sakta të kalibrimit dhe reagimit të ndjeshëm për t'u përshtatur me ndryshimin e shpejtë të kushteve të dritës së ambientit dhe t'u sigurojë përdoruesve një përvojë të rehatshme vizuale.

Përfundim

Aplikimet e sensorëve optikë në fusha të ndryshme teknologjike demonstrojnë funksionalitetin e tyre të gjerë dhe performancën efikase.Nga sensorë optikë deri tek sensorë të ndryshëm reflektues dhe përmes rrezes, secili lloj i sensorit optik ka avantazhe unike dhe mund të përmbushë nevoja të ndryshme inspektimi.Në automatizimin industrial, ato ofrojnë zbulimin dhe kontrollin me precizion të lartë;Në elektronikën e konsumit, ato përmirësojnë inteligjencën e pajisjeve;Në monitorimin e biomjekësisë dhe mjedisit, ato sigurojnë saktësinë dhe besueshmërinë e të dhënave.Në të ardhmen, me përparimin dhe inovacionin e vazhdueshëm të teknologjisë, sensorët optikë do të luajnë një rol më të rëndësishëm në fushat më në zhvillim dhe do të promovojnë zhvillimin e industrive të ndryshme në drejtim të inteligjencës dhe automatizmit.

Pyetjet e bëra më shpesh [FAQ]

1. A është një analog apo dixhital i sensorit optik?

Sensorët optikë mund të jenë analoge ose dixhitale, në varësi të dizajnit të tyre dhe llojit të sinjalit të daljes.Sensorët optikë analogë prodhojnë një sinjal të tensionit të ndryshueshëm vazhdimisht që është në përpjesëtim me intensitetin e dritës së zbuluar.Sensorët optikë dixhitalë prodhojnë sinjale dixhitale, siç janë kodet binare, të cilat zakonisht shndërrohen nga sinjalet analoge përmes një konvertuesi të integruar analog-dixhital.

2 Cilat janë avantazhet e një sensori optik?

Përparësitë kryesore të sensorëve optikë përfshijnë:

Ndjeshmëri e lartë dhe saktësi: në gjendje të zbuloni sinjale të dobëta të dritës dhe ndryshime delikate të objektit.

Matja jo-kontakte: Matja mund të kryhet pa kontakt ose ndërhyrje në objektivin, i përshtatshëm për zbulimin e substancave të brishta ose të rrezikshme.

Koha e shpejtë e përgjigjes: Në gjendje t'i përgjigjeni shpejt ndryshimeve optike në mjedis, të përshtatshme për matjet dinamike.

Përshtatshmëri e gjerë: Mund të funksionojë në një sërë kushtesh mjedisore, përfshirë mjedise të ashpra ose të rrezikshme.

3. Si të testoni një sensor optik?

Testimi i sensorëve optikë zakonisht përfshin hapat e mëposhtëm:

Përgatitni mjedisin e provës: Sigurohuni që kushtet e dritës së ambientit të plotësojnë specifikimet e funksionimit të sensorit.

Lidhni pajisjen: Lidhni sensorin me një pajisje leximi, siç është një multimetër ose kompjuter.

Kalibrimi: Kalibroni sensorin sipas udhëzimeve të prodhuesit për të siguruar saktësinë.

Aplikoni një burim të dritës së provës: Përdorni një burim drite të shkëlqimit të njohur për të ndriçuar sensorin.

Lexoni dhe regjistroni prodhimin: Regjistroni prodhimin e sensorit dhe kontrolloni që ai të reagojë ashtu siç pritet të ndryshojë në burimin e dritës.

4. Cili është ndryshimi midis një sensori optik dhe një sensori infra të kuqe?

Dallimi kryesor midis sensorëve optikë dhe infra të kuqe është varg i gjatësive të valëve të lehta që ata zbulojnë.Sensorët optikë në përgjithësi i referohen sensorëve të aftë për të ndjerë gjatësi vale në intervalin e dukshëm.Sensorët infra të kuqe zbulojnë posaçërisht gjatësi vale të dritës infra të kuqe, të cilat janë të padukshme për syrin e njeriut.Sensorët infra të kuqe përdoren zakonisht në kamerat e imazhit termik, pajisjet e shikimit të natës dhe disa lloje të pajisjeve të komunikimit.

5 A janë sensorë optikë pasivë apo aktivë?

Sensorët optikë mund të jenë ose pasivë ose aktivë, në varësi të faktit nëse ata kërkojnë një burim të jashtëm të dritës.

Sensorë optikë pasivë: Nuk kërkohet burim shtesë i dritës, ata punojnë duke zbuluar dritën nga mjedisi, siç është rrezet e diellit ose ndriçimi ekzistues.

Sensorë optikë aktivë: Kërkoni një burim të dritës së jashtme për të ndriçuar objektivin dhe më pas të zbuloni dritën e reflektuar ose transmetuar nga objektivi.