Разбиране на оптичните сензори: Видове, принципи и приложения
2024-05-24 9148

Оптичните сензори играят ключова роля в съвременните електронни технологии.Тези сензори откриват местоположението, присъствието и характеристиките на обектите чрез излъчване и получаване на светлинни сигнали и се използват широко в области като индустриална автоматизация, потребителска електроника, биомедицина и мониторинг на околната среда.Тази статия ще се задълбочи в различните видове, принципите на работа и практическите приложения на оптичните сензори, за да помогне на читателите да разберат напълно важността и потенциала на приложението на оптичните сензори в различни технически сценарии.От мостовата структура на оптичните сензори до уникалните характеристики на различни видове оптични сензори, до специфични примери в реални приложения, тази статия ще разкрие разнообразието и сложността на оптичните сензори.

Каталог

Фигура 1: Оптичен сензор

Какво е оптичен сензор?

The Оптичен сензор Дизайнът се основава на веригата на моста Wheatstone.В електротехниката мостът на пшеничния камък използва комбинация от известни и неизвестни резистори, за да определи стойността на неизвестния резистор, като сравнява напрежението.По същия начин, сензорите на светлинния мост използват мостова конструкция с четири фотодетектора, за да открият промени в положението на лъча.

Първо, операторът настройва позицията на детекторите, за да гарантира, че лъчът удари равномерно и четирите детектора.Когато лъчът е отклонен, всеки детектор улавя различна интензивност на светлината.След това схемата обработва тези сигнали, за да определи точното положение и компенсиране на лъча.

Фигура 2: Оптичен сензор

Например, ако лъчът се движи надясно, десният детектор получава повече светлина, а левият детектор получава по -малко светлина.Сигналният процесор на веригата бързо разпознава и изчислява тази промяна, като извежда точни данни за позицията.Процесът е бърз и много точен, което прави оптичните сензори важни в автоматизираното оборудване и системите за позициониране с висока точност.

Принцип на работа на оптичния сензор

Оптичните сензори откриват местоположението или наличието на обекти чрез излъчване на светлина и улавяне на отражения или прекъсвания на тези лъчи.Сензорът използва диоди, излъчващи светлини (светодиоди), за да излъчва лъч светлина.Когато този лъч срещне обект, той може да бъде отразен към сензора или блокиран от обекта.

Фигура 3: Принцип на работа на оптичния сензор

На автоматизирана монтажна линия операторите регулират позицията и чувствителността на сензорите въз основа на характеристиките на обекта, като материал, размер и очаквано местоположение.Способността на сензора да открива обекти не зависи от материала, независимо дали дърво, метал или пластмаса, което го прави идеален за многоматериални производствени среди.

Например, откриването на прозрачни стъклени бутилки изисква регулиране на сензора за разпознаване на прозрачни материали.Прозрачните обекти не отразяват светлината ефективно, така че сензорът изисква по -висока чувствителност или специален източник на светлина (като инфрачервен).

Като част от своя дизайн, сензорът оценява отразени или прекъснати светлинни греди.Когато обект блокира лъча, сензорът незабавно изпраща сигнал към системата за управление, показващ местоположението или прохода на обекта.Ако светлината е отразена, сензорът използва интензивността и ъгъла на отражението, за да определи характеристиките на обекта, като размер и повърхностен материал.

Видове оптични сензори

Има много видове оптични сензори, всеки със специфични принципи и приложения за експлоатация.По-долу са някои общи типове оптични сензори, използвани в сценарии в реалния свят.

Фотопроводимите устройства променят проводимостта на материалите въз основа на интензивността на светлината.Когато светлината удари сензора, електроните в материала абсорбират светлинната енергия и скачат към лентата на проводимост, увеличавайки проводимостта на материала.Фотопроводимите устройства се използват в системи за откриване на светлинна интензивност, като автоматични лампи за затъмняване.Операторите трябва да вземат предвид условията на околната светлина и времето за реакция, за да осигурят прецизен контрол при коригиране на тези устройства.

Фотоволтаичните клетки (слънчеви клетки) превръщат светлинната енергия директно в електрическа енергия чрез фотоелектрическия ефект в полупроводникови материали.Фотоните възбуждат електрони от валентната лента към лентата на проводимостта, създавайки двойки електронни дупки и генерират електрически ток.Тези батерии се използват широко за производство на енергия и захранване на отдалечени устройства като спътници и камери за наблюдение на открито.

Фигура 4: Фотоволтаични клетки

Фотодиодите използват фотоелектрическия ефект, за да преобразуват светлината в електрически ток.Когато светлината удари областта на активиране, тяхната вътрешна структура може да реагира бързо и да генерира електрически ток.Тези сензори обикновено се използват при откриване на светлинни импулси и комуникационно оборудване, като дистанционно управление и оптични системи.

Фигура 5: Фотодиоди

Фототранзисторите по същество са фотодиоди с вътрешна печалба.Когато светлината удари основния колектор, се генерира вътрешно усилен ток, което го прави подходящ за откриване на слаби светлинни сигнали.Тези сензори са особено полезни в приложения, които изискват висока чувствителност, като оптично оборудване за измерване в лаборатории.

Фигура 6: Фототранзистори

Отразяващ сензор

Отразяващите сензори комбинират предавател и приемник в едно устройство, което позволява на излъчвания лъч да се отразява към приемника чрез отразяваща повърхност или повърхност на обекта.Когато обект влезе в пътя на лъча, той прекъсва светлината, задействайки сензора.

За да настроите сензора, той трябва да бъде разположен и наклонен правилно за оптимално отражение.Операторът трябва да регулира позицията на сензора, за да гарантира, че отразяващата повърхност е достатъчно голяма и правилно подравнена, за да отразява ефективно лъча към приемника.

Например, в автоматизирани опаковъчни линии, отразяващите сензори откриват продукти, движещи се на конвейер.Операторът поставя сензора от едната страна на конвейерната лента и гладкия отражател от другата страна.Когато даден продукт преминава и блокира лъча, сензорът открива прекъсването и изпраща сигнал за задействане на действия като спиране на конвейера или прехвърляне на продукта.

Едно от предимствата на отразяващите сензори е способността им да работят на дълги разстояния и толерантността им към широк спектър от повърхностни свойства.Докато достатъчно светлина се отразява, те могат да открият обекти, независимо от цвета или текстурата на повърхността.Тази гъвкавост прави отразяващите сензори идеални за индустриална автоматизация, навигация за роботи и класификация на артикулите.

Сензор за греда

Сензор за греда се състои от два основни компонента: предавател и приемник, поставени един срещу друг, обикновено на разстояние.Предавателят непрекъснато изпраща лъч светлина на приемника.Когато обект блокира този лъч, приемник открива оклузията и го превръща в електронен сигнал, който задейства операция за превключване.

За да настроите сензора, предавателят и приемникът трябва да бъдат точно подравнени.Това включва регулиране на позицията и ъгъла им, така че лъчът от предавателя да удари директно приемника.Операторите трябва да вземат предвид факторите на околната среда, като фоновата светлина и потенциалните източници на смущения, за да избегнат фалшиво задействане.

Фигура 7: сензор за греда

Например, на входа на голям склад, сензори за греда с мониторинг на неправомерно влизане.Предавателят и приемникът са поставени от двете страни на вратата.Когато някой или обект преминат през вратата, лъчът се прекъсва и системата задейства аларма.

Едно от големите предимства на сензорите за греда е способността им да работят на дълги разстояния, което ги прави идеални за наблюдение на големи площи.Откриването се основава на прекъсване на лъча, така че сензорът не е чувствителен към размера, цвета или повърхностната структура на обекта.Обектът обаче трябва да е достатъчно голям, за да покрие напълно оптичния път между предавателя и приемника.

Сензорите за греда се използват широко в системите за индустриална автоматизация и сигурност, особено в среди, където са необходими мониторинг на дълги разстояния и висока надеждност.Те са идеални за откриване на елементи на производствени линии и проследяване на високоскоростни движещи се обекти.Разбирайки тези оперативни детайли, операторите могат да осигурят ефективно и надеждно използване на сензори за греда в различни приложения.

Дифузен сензор за отражение

Дифузните сензори за отражение комбинират предавателя и приемника в едно устройство.Той работи, като излъчва светлина и получава светлина, разпръсната обратно от измерената обект.Сензорът е особено полезен за откриване на предмети със сложни повърхности или форми, като плат, дърво, дърво или метален метал.

Първо, задайте чувствителността на сензора да съответства на отразяващите свойства на различни материали и цветове.Операторите трябва да регулират оборудването въз основа на специфичната отразяваща способност на обекта.Това гарантира, че отразената светлина е достатъчна за улавянето на приемника, като избягва фалшиви показания поради твърде силна или твърде слаба светлина.

Фигура 8: Дифузен сензор за отражение

Например, в автоматизирани опаковъчни системи, дифузните сензори за отражение откриват етикети на опаковъчни кутии.Операторът регулира сензора, така че машината точно идентифицира всяко поле, дори ако етикетите имат различни отразяващи линии.Това изисква прецизен контрол на интензивността на излъчената светлина и чувствителността на приемника.

Дифузните сензори могат да изпитат проблеми поради неравномерното разсейване на светлината, особено когато светлината, отразена от задната част на обекта, е по -концентрирана от светлината, отразена отпред.За да се реши този проблем, сензорът е проектиран с помощта на многоточкова технология за откриване за намаляване на грешките.Операторите трябва да вземат предвид тези фактори и експериментално да определят оптималната чувствителност и ъгъл на емисиите, за да осигурят точно и надеждно откриване.

Редовната поддръжка и калибриране осигуряват дългосрочна стабилна работа.Това включва почистване на сензорния обектив, за да се предотврати намесата на прах и примеси при предаване на светлина.

Различни източници на светлина за оптични сензори

Източникът на светлина е много важен за дизайна и функционалността на оптичните сензори.Съвременните оптични сензори обикновено използват монохроматичен източник на светлина, който осигурява стабилна, последователна светлина, което позволява измервания с висока точност и оптични комуникации.

Лазерите произвеждат силно кохерентни лъчи светлина от вълнуващи атоми в специфична среда, като газ, кристал или специално стъкло.Лъчът, произведен от лазера, е много фокусиран и може да се предава на дълги разстояния без значително разпространение.Това ги прави идеални за приложения, изискващи прецизно позициониране и комуникации на дълги разстояния, като оптични комуникации и оборудване за прецизно измерване.В експлоатация лазерите изискват прецизно управление на мощността и контрол на околната среда, за да поддържат стабилна продукция.Поради потенциалните опасности от лазери с висока интензивност, операторите трябва да осигурят безопасно управление на лазера.

Светодиодите (леки излъчващи диоди) се оценяват за техния малък размер, висока ефективност и дълъг живот.Те излъчват светлина чрез рекомбинацията на електрони и дупки в полупроводников материал (обикновено N- и P-тип легирани региони).Светодиодите могат да покрият широк диапазон от дължини на вълните от инфрачервен до ултравиолетово.Несъгласината светлина на светодиодите е подходяща за различни приложения за осветление и индикации, като светофари и интелигентни системи за осветление.Разгръщането на светодиоди е сравнително просто и не изисква сложни мерки за безопасност като лазери.Осигуряването на консистенцията и издръжливостта на източниците на LED светлина изисква прецизно управление на тока.

И двата източника на светлина имат своите предимства и недостатъци.Изборът зависи от конкретни изисквания за приложение.Лазерите обикновено се използват в прецизни оптични експерименти и високоскоростни оптични комуникации, докато светодиодите се използват по-често в потребителската електроника и маркиращи системи.

Индикатор на нивото на течност въз основа на оптичния сензор

Индикаторът за течно ниво, базиран на оптичен сензор, е инструмент за прецизно измерване, който използва принципите на пречупване и отражение на светлината, за да открие промените в нивото на течността.Състои се от три основни компонента: инфрачервен светодиод, фототранзистор и прозрачен съвет за призма.

Фигура 9: Сензор за оптично ниво

Когато върхът на призма е изложен на въздух, светлината от инфрачервения светодиод претърпява общо вътрешно отражение в призмата, отразявайки по -голямата част от светлината на фототранзистора.В това състояние транзисторът получава повече светлина и извежда по -висок сигнал.

Когато върхът на призма е потопен в течност, разликата в показателя на пречупване между течността и въздуха причинява някаква светлина да избяга от призмата.Това води до по -малко светлина да достигне до фототранзистора, като по този начин намалява светлината, която получава, и намалява изходния сигнал.

Стъпки за инсталиране и отстраняване на грешки:

Уверете се, че е чист: върхът на призмата трябва да е чист и без замърсяване, за да се предотврати неточни показания.Всяка мръсотия или остатък ще повлияе на отражението на светлината.

Поставете сензора: Правилно подравнете върха на призмата на сензора с очаквания диапазон на промените на нивото на течността.Регулирайте позицията на сензора, така че той точно да открие повишаването и падането на нивото на течността.

Този индикатор за ниво е ефективен, независимо от цвета или яснотата на течността.Той работи надеждно в различни течни среди, включително мътни или цветни течности.Оптичните сензори осигуряват безконтактен метод за измерване на нивото на течността, намалявайки риска от износване и замърсяване на сензора и по този начин удължаване на живота на оборудването.

Прилагане на оптични сензори

Оптичните сензори се използват в много полета поради тяхната висока чувствителност и точност.По -долу е въведение в някои ключови области на приложение.

Компютри и оборудване за автоматизация на офиса: В компютри и копирни машини оптичните сензори контролират позицията и движението на хартията.Тези сензори осигуряват правилен напредък на хартия и изхвърляне по време на печат, намалявайки конфитюри и грешки.Те се използват и в автоматизирани осветителни тела, като сензорни светлини в коридорите или конферентните зали, които откриват хора и автоматично включват и изключват светлините, спестявайки енергия и увеличаване на удобството.

Системи за сигурност и наблюдение: В системите за сигурност оптичните сензори се използват широко за откриване на проникване.Те откриват, когато се отвори прозорец или врата и задействат аларма.Във фотографията оптичните сензори във флаш синхронизаторите гарантират, че светкавицата стреля в оптималния момент за оптимални ефекти на осветлението.

Биомедицински приложения: В медицинската област оптичните сензори наблюдават дишането на пациента и сърдечната честота.Анализирайки промените в отразената светлина, те откриват малки движения на гърдите за неинвазивно наблюдение на дихателната честота.Оптичните монитори на сърдечната честота използват светодиоди, за да излъчват светлина през кожата и да открият абсорбираното и отразено от кръвта за изчисляване на сърдечната честота.

Сензор за атмосферна светлина: В смартфони и таблети сензорите за околна светлина автоматично регулират яркостта на екрана, за да оптимизират дисплея въз основа на заобикалящите условия на светлината и да спестят енергията на батерията.Тези сензори изискват прецизно калибриране и чувствителни характеристики на реакция, за да се адаптират към бързо променящите се условия на околната светлина и да осигурят на потребителите удобно визуално изживяване.

Заключение

Приложенията на оптичните сензори в различни технологични области демонстрират тяхната широка функционалност и ефективна ефективност.От оптични сензори до различни отразяващи сензори и сензори за греда, всеки тип оптичен сензор има уникални предимства и може да отговори на различни нужди от проверка.В индустриалната автоматизация те осигуряват високо прецизно откриване и контрол;В потребителската електроника те подобряват интелигентността на оборудването;В биомедицината и мониторинга на околната среда те гарантират точността и надеждността на данните.В бъдеще, с непрекъснатото развитие и иновациите на технологиите, оптичните сензори ще играят по -важна роля в по -нововъзникващите области и ще насърчат развитието на различни индустрии в посока на разузнаването и автоматизацията.

Често задавани въпроси [FAQ]

1. Аналог или цифров ли е оптически сензор?

Оптичните сензори могат да бъдат аналогови или цифрови, в зависимост от техния дизайн и вида на изходния сигнал.Аналоговите оптични сензори извеждат непрекъснато променящ се сигнал за напрежение, който е пропорционален на откритата интензивност на светлината.Цифровите оптични сензори изхождат цифрови сигнали, като бинарни кодове, които обикновено се преобразуват от аналогови сигнали чрез вграден аналогово-цифров преобразувател.

2. Какви са предимствата на оптичния сензор?

Основните предимства на оптичните сензори включват:

Висока чувствителност и точност: Способен за откриване на слаби светлинни сигнали и фини промени в обекта.

Измерване на безконтакт: Измерването може да се извърши без контакт или смущения с целта, подходящо за откриване на крехки или опасни вещества.

Бързо време за реакция: Способност бързо да реагирате на оптични промени в околната среда, подходящи за динамични измервания.

Широка адаптивност: Може да работи при различни условия на околната среда, включително сурова или опасна среда.

3. Как да тествам оптичния сензор?

Тестването на оптичните сензори обикновено включва следните стъпки:

Подгответе тестовата среда: Уверете се, че условията на околната светлина отговарят на работните спецификации на сензора.

Свържете устройството: Свържете сензора към устройство за четене, като мултицет или компютър.

Калибриране: Калибрирайте сензора според инструкциите на производителя, за да осигурите точност.

Приложете източник на тестова светлина: Използвайте източник на светлина с известна яркост, за да осветявате сензора.

Прочетете и запишете изход: Запишете изхода на сензора и проверете дали той реагира, както се очаква да се променя в източника на светлина.

4. Каква е разликата между оптичния сензор и инфрачервения сензор?

Основната разлика между оптичните и инфрачервените сензори е обхвата на светлинните дължини на вълната, която откриват.Оптичните сензори обикновено се отнасят до сензори, способни да усещат дължини на вълните във видимия диапазон.Инфрачервените сензори специално откриват инфрачервените дължини на вълната на светлината, които са невидими за човешкото око.Инфрачервените сензори обикновено се използват в термични камери за изображения, оборудване за нощно виждане и някои видове комуникационно оборудване.

5. Оптичните сензори пасивни или активни ли са?

Оптичните сензори могат да бъдат пасивни или активни, в зависимост от това дали се нуждаят от външен източник на светлина.

Пасивни оптични сензори: Не се изисква допълнителен източник на светлина, те работят чрез откриване на светлина от околната среда, като слънчева светлина или съществуващо осветление.

Активни оптични сензори: Изисквайте външен източник на светлина, за да осветява целта и след това да открие светлината, отразена или предадена от целта.