Az optikai érzékelők megértése: típusok, alapelvek és alkalmazások
2024-05-24 9262

Az optikai érzékelők kulcsszerepet játszanak a modern elektronikus technológiában.Ezek az érzékelők észlelik az objektumok helyét, jelenlétét és jellemzőit a fényjelek kibocsátásával és fogadásával, és széles körben használják azokat olyan területeken, mint az ipari automatizálás, a fogyasztói elektronika, az orvosbiológiai orvosok és a környezeti megfigyelés.Ez a cikk belemerül az optikai érzékelők különféle típusaiba, működő alapelveibe és gyakorlati alkalmazásaiba, hogy segítse az olvasókat az optikai érzékelők fontosságának és alkalmazási potenciáljának teljes megértésében a különféle műszaki forgatókönyvekben.Az optikai érzékelők hídszerkezetétől kezdve a különféle típusú optikai érzékelők egyedi jellemzőiig, a valós alkalmazásokban szereplő konkrét példákig ez a cikk feltárja az optikai érzékelők sokféleségét és összetettségét.

Katalógus

1. ábra: Optikai érzékelő

Mi az optikai érzékelő?

A Optikai érzékelő A tervezés a Wheatstone híd áramkörén alapul.Az elektrotechnika területén a Wheatstone -híd ismert és ismeretlen ellenállások kombinációját használja az ismeretlen ellenállás értékének meghatározására a feszültség összehasonlításával.Hasonlóképpen, a könnyű hídérzékelők egy hídszerkezetet használnak négy fotodetektorral a sugár helyzetének változásainak észlelésére.

Először, a kezelő beállítja az érzékelők helyzetét annak biztosítása érdekében, hogy a sugár mind a négy detektor egyenletesen elérje.Amikor a gerendát elhajolják, minden detektor eltérő fény intenzitását rögzíti.Az áramkör ezután feldolgozza ezeket a jeleket a gerenda pontos helyzetének és eltolásának meghatározására.

2. ábra: Optikai érzékelő

Például, ha a sugár jobbra mozog, a jobb detektor több fényt kap, és a bal oldali detektor kevesebb fényt kap.Az áramkör jel processzora gyorsan felismeri és kiszámítja ezt a változást, a pontos pozíciós adatokat kimutatva.A folyamat gyors és nagyon pontos, így az optikai érzékelők fontos az automatizált berendezésekben és a nagy pontosságú pozicionáló rendszerekben.

Az optikai érzékelő működési elve

Az optikai érzékelők észlelik az objektumok helyét vagy jelenlétét a fény kibocsátásával, valamint ezen sugarak reflexióinak vagy megszakításának rögzítésével.Az érzékelő fénykibocsátó diódákat (LED-eket) használ a fénysugarak kibocsátására.Amikor ez a sugár egy objektummal találkozik, akkor az érzékelőnek tükröződik, vagy az objektum blokkolhatja.

3. ábra: Az optikai érzékelő működési elve

Az automatizált összeszerelő vonalon a kezelők az érzékelők helyzetét és érzékenységét az objektum jellemzői, például az anyag, a méret és a várható hely alapján állítják be.Az érzékelő képessége a tárgyak észlelésére független az anyagtól, legyen az fa, fém vagy műanyag, így ideális a multi-anyagi termelési környezethez.

Például az átlátszó üveg palackok észlelése megköveteli az érzékelő beállítását az átlátszó anyagok felismerése érdekében.Az átlátszó tárgyak nem tükrözik hatékonyan a fényt, tehát az érzékelő nagyobb érzékenységet vagy speciális fényforrást igényel (például infravörös).

A kialakítás részeként az érzékelő értékeli a tükröződött vagy megszakított fénysugárokat.Amikor egy objektum blokkolja a gerendát, az érzékelő azonnal jelet küld a vezérlő rendszernek, amely jelzi az objektum helyét vagy átjárását.Ha a fény tükröződik, az érzékelő a reflexió intenzitását és szögét használja az objektum, például a méret és a felületi anyag jellemzőinek meghatározására.

Az optikai érzékelők típusai

Számos típusú optikai érzékelő létezik, mindegyik speciális működési alapelvekkel és alkalmazásokkal rendelkezik.Az alábbiakban bemutatjuk néhány általános optikai érzékelőtípust, amelyet a valós forgatókönyvekben használnak.

A fotokondtív eszközök megváltoztatják az anyagok vezetőképességét a fényintenzitás alapján.Amikor a fény ütközik az érzékelőre, az anyagban lévő elektronok elnyelik a fényenergiát, és ugrik a vezetőképes sávba, növelve az anyag vezetőképességét.A fényintenzív detektáló rendszerekben, például az automatikus tompító lámpákban használják a fotokondtív eszközöket.Az operátoroknak figyelembe kell venniük a környezeti fényviszonyokat és a válaszidőket, hogy biztosítsák a pontos ellenőrzést ezen eszközök beállításakor.

A fotovoltaikus sejtek (napelemek) a fényenergiát közvetlenül elektromos energiává alakítják a félvezető anyagok fotoelektromos hatása révén.A fotonok izgatják az elektronokat a valencia sávból a vezető sávig, elektron-lyuk párokat hozva létre és elektromos áramot generálnak.Ezeket az akkumulátorokat széles körben használják az energiatermeléshez és a távoli eszközök, például műholdak és kültéri megfigyelő kamerák táplálásához.

4. ábra: fotovoltaikus sejtek

A fotodiódok a fotoelektromos hatást használják a fény elektromos áramsá történő átalakításához.Amikor a fény eléri az aktiválási területet, belső szerkezetük gyorsan reagálhat és elektromos áramot generálhat.Ezeket az érzékelőket gyakran használják a könnyű impulzus észlelési és kommunikációs berendezésekben, például a távvezérlőkben és a száloptikai rendszerekben.

5. ábra: Photodiodes

A fototranzisztorok alapvetően belső nyereséggel rendelkező fotodiódok.Amikor a fény ütközik az alapgyűjtő csomópontra, belsőleg erősített áramot generálnak, így alkalmas a gyenge fényjelek észlelésére.Ezek az érzékelők különösen hasznosak azokban az alkalmazásokban, amelyek nagy érzékenységet igényelnek, például optikai mérőberendezéseket a laboratóriumokban.

6. ábra: Phototransistors

Fényvisszaverő érzékelő

A fényvisszaverő érzékelők egyetlen eszközben egyesítik az adót és a vevőt, lehetővé téve a kibocsátott gerenda tükröződését a vevőhöz egy fényvisszaverő felületen vagy tárgyfelületen keresztül.Amikor egy objektum belép a gerenda útjába, megszakítja a fényt, és kiváltja az érzékelőt.

Az érzékelő beállításához azt az optimális reflexió érdekében helyesen kell elhelyezni és helyesen meg kell dönteni.Az operátornak be kell állítania az érzékelő helyzetét, hogy a fényvisszaverő felület elég nagy és megfelelően igazodjon ahhoz, hogy a gerendát hatékonyan tükrözze a vevőhöz.

Például az automatizált csomagolási vonalakban a reflektív érzékelők észlelik a szállítószalagon mozgó termékeket.A kezelő az érzékelőt a szállítószalag egyik oldalára, a másik oldalon a sima reflektorot helyezi.Amikor egy termék áthalad és blokkolja a gerendát, az érzékelő felismeri a megszakítást, és jelet küld, hogy olyan műveleteket indítson, mint például a szállítószalag leállítása vagy a termék továbbítása.

A reflektív érzékelők egyik előnye, hogy képesek működni nagy távolságra és a felületi tulajdonságok széles skálájára való toleranciájuk.Mindaddig, amíg elegendő fény tükröződik, a színektől vagy a felületi textúrától függetlenül felismerhetik a tárgyakat.Ez a sokoldalúság a fényvisszaverő érzékelőket ideálissá teszi az ipari automatizáláshoz, a robot navigációhoz és az elemek osztályozási feladataihoz.

Átfogó érzékelő

Az átmenő gerendaérzékelő két fő alkatrészből áll: egy adó és egy vevő, egymással szemben helyezve, általában távolról.Az adó folyamatosan fénysugarat küld a vevőnek.Amikor egy objektum blokkolja ezt a gerendát, egy vevő észleli az elzáródást, és átalakítja azt elektronikus jelzé, amely váltási műveletet vált ki.

Az érzékelő beállításához az adót és a vevőt pontosan be kell igazítani.Ez magában foglalja a helyzet és a szög beállítását úgy, hogy az adóból származó gerenda közvetlenül elérje a vevőt.Az operátoroknak, mint például a háttér fényét és az interferencia potenciális forrásait, a hamis kiváltás elkerülése érdekében figyelembe kell venniük.

7. ábra: Átmeneti érzékelő

Például egy nagy raktár bejáratánál, az átmenő érzékelők monitorja az illetéktelen bejegyzéshez.Az adót és a vevőt az ajtó mindkét oldalára helyezik.Amikor valaki vagy egy tárgy áthalad az ajtón, a gerenda megszakad, és a rendszer riasztást vált ki.

Az átmeneti érzékelők egyik legnagyobb előnye, hogy képesek nagy távolságra működni, így ideálissá teszik őket a nagy területek megfigyelésére.A detektálás a sugár megszakításán alapul, tehát az érzékelő nem érzékeny a tárgy méretére, színére vagy felületi szerkezetére.Az objektumnak azonban elég nagynak kell lennie ahhoz, hogy teljesen lefedje az adó és a vevő közötti optikai útvonalat.

Az átmeneti érzékelőket széles körben használják az ipari automatizálási és biztonsági rendszerekben, különösen olyan környezetekben, ahol távolsági megfigyelésre és nagy megbízhatóságra van szükség.Ideálisak a gyártási vonalakon lévő elemek észlelésére és a nagysebességű mozgó objektumok nyomon követésére.Ezen operatív részletek megértésével az operátorok biztosíthatják az átmeneti érzékelők hatékony és megbízható használatát különféle alkalmazásokban.

Diffúz reflexiós érzékelő

A diffúz reflexiós érzékelők egy eszközben egyesítik az adót és a vevőt.Úgy működik, hogy fényt bocsát ki, és a mért tárgyból szétszórt fényt fogad.Az érzékelő különösen hasznos a komplex felületekkel vagy formákkal rendelkező tárgyak, például szövet, fa vagy szabálytalan alakú fém detektálására.

Először állítsa be az érzékelő érzékenységét, hogy megfeleljen a különféle anyagok és színek reflektív tulajdonságainak.Az operátoroknak az objektum specifikus reflexiója alapján kell beállítaniuk a berendezést.Ez biztosítja, hogy a visszavert fény elegendő legyen a vevő elfogásához, elkerülve a hamis leolvasásokat a túl erős vagy túl gyenge fény miatt.

8. ábra: Diffúz reflexiós érzékelő

Például az automatizált csomagolási rendszerekben a diffúz reflexiós érzékelők felismerik a címkéket a csomagoló dobozokban.A kezelő úgy állítja be az érzékelőt, hogy a gép pontosan azonosítsa az egyes dobozokat, még akkor is, ha a címkék eltérő reflektivitásokkal rendelkeznek.Ez megköveteli a kibocsátott fény intenzitásának pontos ellenőrzését és a vevő érzékenységét.

A diffúz érzékelők az egyenetlen fényszórás miatt problémákat okozhatnak, különösen akkor, ha az objektum hátuljáról visszatükröződő fény koncentráltabb, mint az elülső fényt tükrözi.A probléma megoldására az érzékelőt többpontos észlelési technológiával tervezték a hibák csökkentésére.Az operátoroknak figyelembe kell venniük ezeket a tényezőket, és kísérletileg meg kell határozniuk az optimális érzékenységet és a kibocsátási szöget a pontos és megbízható kimutatás biztosítása érdekében.

Rendszeres karbantartás és kalibrálás biztosítja a hosszú távú stabil működést.Ez magában foglalja az érzékelő lencséjének tisztítását, hogy megakadályozzák a por és a szennyeződések zavarását a fényátvitelbe.

Különböző fényforrások az optikai érzékelők számára

A fényforrás nagyon fontos az optikai érzékelők tervezéséhez és funkcionalitásához.A modern optikai érzékelők általában monokróm fényforrást használnak, amely stabil, következetes fényt biztosít, lehetővé téve a nagy pontosságú méréseket és az optikai kommunikációt.

A lézerek nagyon koherens fénysugarakat termelnek izgalmas atomokkal egy adott közegben, például gáz, kristály vagy speciális üvegben.A lézer által előállított sugár nagyon fókuszált, és nagy távolságokon keresztül továbbítható jelentős terjedés nélkül.Ez ideálissá teszi őket a pontos pozicionálást és a távolsági kommunikációhoz, például a száloptikai kommunikációhoz és a precíziós mérőberendezésekhez.Működés közben a lézereknek pontos energiagazdálkodást és környezetvédelmi irányítást igényelnek a stabil kimenet fenntartása érdekében.A nagy intenzitású lézerek potenciális veszélyei miatt az operátoroknak biztosítaniuk kell a biztonságos lézerkezelést.

A LED -eket (fénykibocsátó diódákat) kis méretük, nagy hatékonyságuk és hosszú élettartamuk szempontjából értékelik.Fényt bocsátanak ki az elektronok és lyukak rekombinációjával egy félvezető anyagban (általában N- és P-típusú dopped régiók).A LED -ek a hullámhosszok széles skáláját lefedhetik az infravöröstől az ultraibolyaig.A LED -ek inkoherens fénye alkalmas különféle világítási és indikációs alkalmazásokra, például a közlekedési lámpákra és az intelligens világítási rendszerekre.A LED -ek telepítése viszonylag egyszerű, és nem igényel összetett biztonsági intézkedéseket, például lézereket.A LED -es fényforrások konzisztenciájának és tartósságának biztosításához azonban pontos áramkontroll szükséges.

Mindkét fényforrásnak vannak előnyei és hátrányai.A választás a konkrét alkalmazási követelményektől függ.A lézereket általában a precíziós optikai kísérletekben és a nagysebességű optikai kommunikációban használják, míg a LED-eket gyakrabban használják a fogyasztói elektronikában és a jelölő rendszerekben.

Folyadékszint -jelző optikai érzékelő alapján

Az optikai érzékelőn alapuló folyadékszint -mutató egy precíziós mérőeszköz, amely a refrakció alapelveit és a fény tükrözését használja a folyadék szintjének változásainak észlelésére.Három fő alkotóelemből áll: egy infravörös LED, egy fototranzisztor és egy átlátszó prizma tipp.

9. ábra: Optikai szintérzékelő

Amikor a prizma hegyét levegőnek teszik ki, az infravörös LED -es fény teljes belső tükröződést végez a prizmában, tükrözve a fény nagy részét a fototranzisztor felé.Ebben az állapotban a tranzisztor több fényt kap és magasabb jelet ad ki.

Amikor a prizma hegyét folyadékba merítik, a folyadék és a levegő közötti törésmutató különbsége némi fényt okoz a prizmából.Ez kevesebb fényt okoz a fototranzisztor eléréséhez, ezáltal csökkentve a kapott fényt és csökkentve a kimeneti jelet.

Telepítési és hibakeresési lépések:

Győződjön meg arról, hogy tiszta -e: a prizma tippének tisztanak és szennyeződéstől mentesnek kell lennie a pontatlan leolvasások megelőzése érdekében.Bármely szennyeződés vagy maradék befolyásolja a fény visszaverését.

Helyezze az érzékelőt: Helyesen igazítsa az érzékelő prizma csúcsát a várható folyadékszint -változásokhoz.Állítsa be az érzékelő helyzetét úgy, hogy pontosan felismerje a folyadékszint emelkedését és esését.

Ez a szintű jelző a folyadék színétől vagy tisztaságától függetlenül hatékony.Megbízhatóan működik különféle folyékony közegekben, beleértve a zavaros vagy színes folyadékokat.Az optikai érzékelők nem érintkezési módszert biztosítanak a folyadékszint mérésére, csökkentve az érzékelő kopásának és szennyeződésének kockázatát, és ezáltal meghosszabbítva a berendezések élettartamát.

Optikai érzékelők alkalmazása

Az optikai érzékelőket sok területen használják nagy érzékenységük és pontosságuk miatt.Az alábbiakban bemutatjuk néhány kulcsfontosságú alkalmazási területet.

Számítógépek és irodai automatizálási berendezések: A számítógépekben és a fénymásolókban az optikai érzékelők vezérlik a papír helyzetét és mozgását.Ezek az érzékelők biztosítják a papír előrehaladását és kilökését a nyomtatás során, csökkentve az elakadásokat és a hibákat.Ezeket automatizált világítótestekben is használják, például a folyosón vagy a konferenciatermekben található érzékelő lámpákban, amelyek észlelik az embereket, és automatikusan bekapcsolják a lámpákat, és energiát takarítanak meg és növelik a kényelmet.

Biztonsági és megfigyelő rendszerek: A biztonsági rendszerekben az optikai érzékelőket széles körben használják a behatolás észlelésére.Felismerik, mikor nyílik meg egy ablak vagy ajtó, és riasztást váltson ki.A fotózásban az optikai érzékelők a Flash szinkronizátorokban biztosítják, hogy a flash az optimális pillanatban az optimális világítási hatásokhoz tüzeljen.

Biomedicalis alkalmazások: Az orvosi területen az optikai érzékelők figyelemmel kísérik a beteg légzését és pulzusát.A visszavert fény változásainak elemzésével az apró mellkas mozgását észlelik a nem invazív módon figyelő légzési sebességre.Az optikai pulzusszám -monitorok LED -eket használnak, hogy fényt bocsátanak ki a bőrön keresztül, és felismerjék az abszorbeált és a vér által visszavert mennyiséget a pulzusszám kiszámításához.

Környezeti fényérzékelő: Okostelefonokban és táblagépekben a környezeti fényérzékelők automatikusan beállítják a képernyő fényerejét, hogy a kijelzőt a környező fényviszonyok alapján optimalizálják és az akkumulátor energiáját megtakarítsák.Ezek az érzékelők pontos kalibrációs és érzékeny válaszjellemzőket igényelnek, hogy alkalmazkodjanak a gyorsan változó környezeti fényviszonyokhoz, és biztosítsák a felhasználók számára a kényelmes vizuális élményt.

Következtetés

Az optikai érzékelők alkalmazása a különféle technológiai területeken bemutatja széles funkcionalitását és hatékony teljesítményét.Az optikai érzékelőktől a különféle fényvisszaverő és átmenő érzékelőkig az optikai érzékelő minden típusának egyedi előnyei vannak, és kielégíthetik a különböző ellenőrzési igényeket.Az ipari automatizálás során nagy pontosságú észlelést és ellenőrzést biztosítanak;A fogyasztói elektronikában javítják a berendezések intelligenciáját;Az orvosbiológiai és a környezeti megfigyelés során biztosítják az adatok pontosságát és megbízhatóságát.A jövőben a technológia folyamatos fejlődésével és innovációjával az optikai érzékelők fontosabb szerepet játszanak a kialakulóban lévő területeken, és elősegítik a különféle iparágak fejlődését az intelligencia és az automatizálás irányában.

Gyakran feltett kérdések [GYIK]

1. Az optikai érzékelő analóg vagy digitális?

Az optikai érzékelők lehetnek analóg vagy digitális, a kialakításuktól és a kimeneti jel típusától függően.Az analóg optikai érzékelők folyamatosan változó feszültségjelet mutatnak be, amely arányos az észlelt fényintenzitással.A digitális optikai érzékelők digitális jeleket adnak ki, például bináris kódok, amelyeket általában analóg jelekből konvertálnak egy beépített analóg-digitális konverterrel.

2. Melyek az optikai érzékelő előnyei?

Az optikai érzékelők fő előnyei a következők:

Nagy érzékenység és pontosság: Képes észlelni a gyenge fényjeleket és a finom objektumváltozásokat.

Nem érintkezési mérés: A mérést érintkezés vagy a céllal való interferencia nélkül lehet elvégezni, amely törékeny vagy veszélyes anyagok kimutatására alkalmas.

Gyors válaszidő: Képes gyorsan reagálni a környezet optikai változásaira, amely alkalmas a dinamikus mérésekhez.

Széles körű alkalmazkodóképesség: különféle környezeti körülmények között működhet, beleértve a durva vagy veszélyes környezetet is.

3. Hogyan lehet tesztelni egy optikai érzékelőt?

Az optikai érzékelők tesztelése általában a következő lépéseket foglalja magában:

Készítse elő a tesztkörnyezetet: Gondoskodjon arról, hogy a környezeti fényviszonyok megfeleljenek az érzékelő működési előírásainak.

Csatlakoztassa az eszközt: Csatlakoztassa az érzékelőt egy olvasóeszközhez, például multiméter vagy számítógéphez.

Kalibrálás: A pontosság biztosítása érdekében a gyártó utasításainak megfelelően kalibrálja az érzékelőt.

Vizsgálati fényforrás alkalmazása: Használjon egy ismert fényerő fényforrását az érzékelő megvilágításához.

Olvassa el és rögzítse a kimenetet: Rögzítse az érzékelő kimenetét, és ellenőrizze, hogy reagál -e a várhatóan a fényforrás változásaira.

4. Mi a különbség az optikai érzékelő és az infravörös érzékelő között?

Az optikai és az infravörös érzékelők közötti fő különbség az általuk észlelt fényhullámhossz -tartomány.Az optikai érzékelők általában olyan érzékelőkre vonatkoznak, amelyek képesek a hullámhosszok érzékelhető tartományban.Az infravörös érzékelők kifejezetten detektálják az infravörös fényhullámhosszokat, amelyek láthatatlanok az emberi szem számára.Az infravörös érzékelőket általában használják a termikus képalkotó kamerákban, az éjszakai látóberendezésekben és néhány típusú kommunikációs berendezésben.

5. Passzív vagy aktív az optikai érzékelők?

Az optikai érzékelők passzívak vagy aktívak lehetnek, attól függően, hogy szükségük van -e külső fényforrásra.

Passzív optikai érzékelők: Nincs szükség további fényforrásra, úgy működnek, hogy a környezetet, például a napfényt vagy a meglévő megvilágítást észlelik.

Aktív optikai érzékelők: Szüksége van egy külső fényforrásra, hogy megvilágítsa a célt, majd észlelje a tükrözött vagy a célból továbbított fényt.