Оптикалық сенсорларды түсіну: түрлері, принциптері және қосымшалары
2024-05-24 9200

Оптикалық сенсорлар заманауи электронды технологияда негізгі рөл атқарады.Бұл датчиктер жеңіл сигналдарды шығару және алу арқылы объектілердің орналасуын, болуын және сипаттамаларын анықтайды және өнеркәсіптік автоматтандыру, тұтынушылық электроника, биомедицина және қоршаған ортаны бақылау сияқты өрістерде кеңінен қолданылады.Бұл мақалада оқырмандарға әртүрлі техникалық сценарийлердегі оптикалық сенсорлардың маңыздылығы мен қолданылу потенциалды толық түсінуге көмектесетін оптикалық сенсорлардың әр түрлі түрлері, жұмыс принциптері, жұмыс принциптеріне және практикалық қосымшаларға енеді.Оптикалық сенсорлардың көпір құрылымынан әр түрлі оптикалық датчиктердің ерекше сипаттамаларына, нақты мысалдарға нақты мысалдарға, осы мақалада оптикалық сенсорлардың әртүрлілігі мен күрделілігі анықталады.

Каталог

1-сурет: Оптикалық сенсор

Оптикалық сенсор дегеніміз не?

Та Оптикалық сенсор Дизайн бидай тасты көпір тізбегіне негізделген.Электрлік техникада, бидай тасты көпірі кернеуді салыстыру арқылы белгісіз резистордың құнын анықтау үшін белгілі және белгісіз резисторлардың тіркесімін қолданады.Сол сияқты, Жеңіл көпір сенсорлары төрт фотодетектормен көпір құрылымын, сәулелік позициядағы өзгерістерді анықтау үшін қолданады.

Біріншіден, оператор детекторлардың орнын реттейді, себебі барлық төрт детекторларды біркелкі ұстауға мүмкіндік береді.Сәуле қашан жойылған кезде, әр детектор жарықтың басқа қарқындылығын түсіреді.Содан кейін схема осы сигналдарды сәуленің нақты орналасуы мен орнын толтыру үшін өңдейді.

2-сурет: Оптикалық сенсор

Мысалы, егер сәуле оңға жылжи болса, дұрыс детектор одан да көп жарық алады және сол жақ детектор аз жарық алады.Схеманың сигналдық процессоры дәл позиция деректерін шығаруды тез танады және есептейді және есептейді.Процесс тез және өте дәл, оптикалық сенсорларды автоматтандырылған жабдықтарда және жоғары дәлдікті орналастыру жүйелерінде маңызды етеді.

Оптикалық сенсордың жұмыс принципі

Оптикалық сенсорлар жарық пен түсірілген шағылыстыру немесе осы сәулелердің үзілістерін шығарып, объектілердің орналасуын немесе болуын немесе олардың болуын анықтайды.Сенсор жарық сәулесін шығару үшін жарық шығаратын диодтарды (жарықдиодты) қолданады.Бұл сәуле объектіні кездестірген кезде, оны сенсорға немесе нысанға бұғаттауға болады.

3-сурет: Оптикалық сенсордың жұмыс принципі

Автоматтандырылған құрастыру сызығында операторлар материал, өлшем және күтілетін орын сияқты объектінің сипаттамаларына сүйене отырып, сенсорлардың орналасуы мен сезімталдығын реттейді.Сенсордың нысандарды анықтау қабілеті ағаш, металл немесе пластиктен тәуелсіз, оны көп материалдық өндіріс орталарына мінсіз етеді.

Мысалы, шыны бөтелкелерді анықтау сенсорды мөлдір материалдарды тану үшін реттеуді қажет етеді.Мөлдір заттар жеңіл нәтиже бермейді, сондықтан сенсор сезімталдықты немесе арнайы жарық көзін қажет етеді (мысалы, инфрақызыл).

Дизайн аясында сенсор шағылыстырылған немесе үзілген жеңіл сәулелер бағалайды.Нысан сәуледен өткен кезде, сенсор дереу нысанның орналасқан жері немесе өтуі көрсететін басқару жүйесіне сигнал жібереді.Егер жарық шағылыстырылса, сенсор өлшемнің қарқындылығы мен шағылу бұрышын, мысалы, мөлшері мен беттік материал сияқты объектінің сипаттамаларын анықтайды.

Оптикалық сенсорлардың түрлері

Әрқайсысының нақты жұмыс принциптері мен қолданбалары бар оптикалық сенсорлардың көптеген түрлері бар.Төменде нақты әлемдік сценарийлерде қолданылатын кейбір жалпы оптикалық сенсор түрлері берілген.

Фотококонденгіш құрылғылар жарық қарқындылығына негізделген материалдардың өткізгіштігін өзгертеді.Жеңіл сенсорды еріп кетсе, материалдағы электрондар жеңіл энергияны сіңіріп, өткізгіштікке секіріп, материалдың өткізгіштігін жоғарылатады.Фотококонденгіш құрылғылар автоматты қарқынды интенсивті анықтау жүйелерінде қолданылады, мысалы, автоматты күңгірт лампалар.Операторлар осы құрылғыларды реттеу кезінде нақты бақылауды қамтамасыз ету үшін қоршаған орта мен жауап уақыттарын қарастыруы керек.

Фотоэлектрлік ұяшықтар (күн ұяшықтары) Жеңіл энергияны жартылай өткізгіш материалдардағы фотоэлектрлік эффект арқылы тікелей электр энергиясына айналдырыңыз.Фотондар валенттілік диапазонынан өткізгіштік диапазонға электрондар, электронды тесік жұптарын жасайды және электр тогын құрыңыз.Бұл батареялар энергия өндірісі және жерсеріктер мен ашық бақылау камералары сияқты қашықтағы құрылғыларды қуат алу үшін кеңінен қолданылады.

4-сурет: фотоэлектрлік ұяшықтар

Фотодиодтар Фотоэлектрлік әсерді электр тогына айналдыру үшін пайдаланыңыз.Ашық активтендіру аймағында болған кезде, олардың ішкі құрылымы тез жауап бере алады және электр тогын тудыруы мүмкін.Бұл сенсорлар әдетте жеңіл импульсті анықтау және қашықтан басқару және талшықты-оптикалық жүйелер сияқты байланыс жабдықтарында қолданылады.

5-сурет: Фотодиодтар

Фототрансисторлар негізінен ішкі пайда бар фотодиодтар.Базалық коллекторлық түйіскен кезде, ішкі күшейтілген ток пайда болады, бұл әлсіз жарық сигналдарын анықтауға жарамды.Бұл сенсорлар әсіресе зертханалардағы оптикалық өлшеу жабдықтары сияқты жоғары сезімталдық қажет болатын қосымшаларда пайдалы.

Сурет 6: фототрансисторлар

Рефлексиялық сенсор

Рефлекстік датчиктер таратқышты және қабылдағышты бір құрылғыға біріктіреді, себебі шығарылған сәуленің рефлексиялық бет немесе зат беті арқылы ресиверге шағылысады.Нысан сәуленің жолына енгенде, ол сенсорды іске қосып, жарыққа кедергі келтіреді.

Сенсорды орнату үшін оны оңтайлы рефлексия үшін орналастыру және дұрыс қисайту қажет.Оператор рефлексивті беттің пайда болуын және диспансердің арқасын алуишеге тиімді түрде тегістеу үшін сәйкес келетіндігін реттеуі керек.

Мысалы, Автоматтандырылған қаптама желілерінде рефлексиялық сенсорлар конвейер белдеуінде қозғалатын өнімдерді анықтайды.Оператор сенсорды конвейер белдеуінің бір жағына және екінші жағындағы тегіс шағылыстырғыштарды орналастырады.Өнім сәуледен өтіп, бұғаттаған кезде, сенсор тоқтап қалады және конвейерді тоқтату немесе өнімді беру сияқты әрекеттерге сигнал жібереді.

Рефлексивті сенсорлардың артықшылықтарының бірі - олардың ұзақ қашықтықта жұмыс істеу және олардың толеранттылығы беттік қасиеттерге толеранттылық.Жеңіл жарық пайда болғанша, олар түрлі-түсті немесе беткі құрылымға қарамастан нысандарды анықтай алады.Бұл әмбебаптылық рефлексиялық датчиктерді өнеркәсіптік автоматтандыруға, робот навигациясына және заттарды жіктеуге өте ыңғайлы деп сенсорлар жасайды.

Сәулелік сенсор

A сәулетімен сенсор екі негізгі компоненттен тұрады: таратқыш және қабылдағыш, әдетте, бір-біріне қарама-қарсы, әдетте қашықтықта орналасқан.Таратқыш ресиверге жарық сәулесін үнемі жібереді.Нысан осы сәулені бұғаттаған кезде, ресивер окклюзияны анықтайды және оны электрондық сигналды анықтайды, бұл коммутациялық жұмысты жүзеге асырады.

Сенсорды орнату үшін таратқыш пен қабылдағыш дәл тураланған болуы керек.Бұл олардың позициясы мен бұрышын реттеуді қамтиды, осылайша таратқыштың сәулесі ресиверге тікелей тиеді.Операторлар жалған триггершілікке жол бермеу үшін фондық жарық және ықтимал кедергілер сияқты қоршаған ортаға әсер етуі керек.

7-сурет: арқалық сенсор

Мысалы, үлкен қоймаға кіре берісте, себебі сәулелік датчиктер рұқсатсыз кіру үшін монитор.Таратқыш пен қабылдағыш есіктің екі жағына да орналастырылған.Біреу немесе зат есік арқылы өткен кезде, сәуле үзіліп, жүйе дабылды іске қосады.

Аралас сенсорлардың үлкен артықшылықтарының бірі - олардың ұзақ қашықтықта жұмыс істеу қабілеті, оларды үлкен аудандарды бақылау үшін өте ыңғайлы етеді.Анықтау сәуленің үзілістеріне негізделген, сондықтан сенсор объектінің өлшеміне, түсіне немесе беттік құрылымына сезімтал емес.Дегенмен, нысан таратқыш пен қабылдағыш арасындағы оптикалық жолды толығымен жабу үшін жеткілікті үлкен болуы керек.

Арқалық сенсорлар өндірістік автоматтандыру және қауіпсіздік жүйелерінде, әсіресе алыс қашықтықтағы бақылау және жоғары сенімділік қажет жерлерде кеңінен қолданылады.Олар өндірістік желілердегі заттарды анықтап, жоғары жылдамдықты қозғалатын нысандарды бақылау үшін өте ыңғайлы.Осы операциялық мәліметтерді түсіну арқылы операторлар әр түрлі қосымшаларда арзан сенсорлардың тиімді және сенімді пайдаланылуын қамтамасыз ете алады.

Диффузды шағылысу сенсоры

Диффузды шағылысу сенсорлары таратқыш пен қабылдағышты бір құрылғыға біріктіреді.Ол шамды шығарып, жеңілдетілген затты өлшенетін заттың артынан шығарады.Датчик әсіресе мата, ағаш немесе тұрақты емес металл сияқты күрделі беттері немесе пішіндері бар заттарды анықтау үшін пайдалы.

Алдымен сенсордың сезімталдығын әртүрлі материалдар мен түстердің шағылыстырғыш қасиеттеріне сәйкестендіру үшін орнатыңыз.Операторлар жабдықты объектінің нақты шағылысуына қарай реттеуі керек.Бұл шағылысқан жарықтың қабылдағышқа жеткілікті немесе әлсіз жарыққа байланысты жалған оқылудан аулақ болуын қамтамасыз етеді.

8-сурет: Диффузды шағылысу сенсоры

Мысалы, Автоматтандырылған қаптама жүйелерінде диффузды шағылысу датчиктері орауыштардағы жапсырмаларды анықтайды.Оператор сенсорды құрылғы әр өрісті дәл анықтайтындай етіп, әр жолақты дәл анықтайды, тіпті егер жапсырмалар әртүрлі болса да.Бұл шығарылған жарықтың қарқындылығын және қабылдағыштың сезімталдығын нақты бақылауды қажет етеді.

Диффузды сенсорлар біркелкі емес шашырауларға байланысты проблемалар туындауы мүмкін, әсіресе заттың артқы жағынан пайда болған жарық майдандан көрінгеннен гөрі шоғырланған.Бұл мәселені шешу үшін сенсор қателерді азайту үшін көп нүктелік анықтау технологиясын қолдану арқылы жасалған.Операторлар бұл факторларды ескеріп, дәл және сенімді анықтауды қамтамасыз ету үшін оңтайлы сезімталдық пен шығарындыларды анықтаңыз.

Тұрақты техникалық қызмет көрсету және калибрлеу ұзақ мерзімді тұрақты жұмыс істеуді қамтамасыз етеді.Бұл шаң мен қоспалардың жарық берілуіне кедергі келтірмеу үшін сенсор объективін тазалауды қамтиды.

Оптикалық сенсорлар үшін әртүрлі жарық көздері

Жарық көзі оптикалық сенсорлардың дизайны мен функционалдығы үшін өте маңызды.Қазіргі заманғы оптикалық сенсорлар әдетте тұрақты, дәйекті жарық, жоғары дәлдікті өлшеу және оптикалық байланыстарды қамтамасыз ететін монохроматикалық жарық көзін пайдаланады.

Лазерлер жарықтың дәйекті сәулелерін белгілі бір ортада, мысалы газ, кристалл немесе арнайы әйнек сияқты қызықты атомдармен шығарады.Лазер шығаратын сәуле өте назар аударады және мүмкіндігінше ұзақ қашықтықта берілуі мүмкін.Бұл оларды ұқыпты орналастыруды қажет ететін және талшықты-оптикалық байланыс және дәл өлшеу жабдықтары сияқты ұзақ қашықтықтағы байланыстарды қажет ететін қолданбаларға өте ыңғайлы етеді.Пайдалану кезінде лазерлер тұрақты қуат алуды және қоршаған ортаны бақылауды қажет етеді.Жоғары қарқынды лазерлердің ықтимал қауіптеріне байланысты операторлар қауіпсіз лазерлік басқаруды қамтамасыз етуі керек.

Жарық диодтары (жарық шығаратын диодтар) олардың аз мөлшері, жоғары тиімділігі және ұзақ өмір сүруі үшін бағаланады.Олар жартылай өткізгіш материалдағы электрондар мен тесіктердің репомбинациясымен жарық шығарады (әдетте N- және P-TIT допедиялары).Жарық диодтары инфрақызылдан ультрафиолеттерге дейін толқын ұзындығының кең спектрін жаба алады.Жарық диодтарының сәйкессіз шамы бағдаршамдар мен ақылды жарықтандыру жүйелері сияқты түрлі жарықтандыру және көрсетілімдерге жарамды.Жарық диодтарын қолдану салыстырмалы түрде қарапайым және лазерлер сияқты күрделі қауіпсіздік шараларын қажет етпейді.Алайда, жарықдиодты жарық көздерінің консистенциясы мен беріктігін қамтамасыз ету нақты ағымдық бақылауды қажет етеді.

Жарық көздері де олардың артықшылықтары мен кемшіліктері бар.Таңдау белгілі бір өтінімнің талаптарына байланысты.Лазерлер қарапайым оптикалық эксперименттерде және жоғары жылдамдықты оптикалық байланыстарда қолданылады, ал жарық диодтары тұтынушы электроника және таңбалау жүйелерінде жиі қолданылады.

Оптикалық сенсор негізінде сұйық деңгей индикаторы

Оптикалық сенсор негізінде сұйықтық деңгейі индикаторы - бұл сұйық деңгейдегі өзгерістерді анықтау үшін сыну және жарықтың шағылысу принциптерін қолданатын дәл өлшеу құралы.Ол үш негізгі компоненттен тұрады: инфрақызыл жарық диоды, фототрансистік және мөлдір призша ұшы.

9-сурет: Оптикалық деңгей сенсоры

Призша ұшы ауаға ұшыраған кезде, инфрақызыл жарық диоды жарық сәуле түсіреді, жарықтың көп бөлігін фототрансисторға көрсетеді.Бұл жағдайда транзистор шамды көбірек алады және сигналды шығарады.

Призша ұшы сұйықтыққа батырылған кезде, сұйық пен ауа арасындағы сыну индексінің айырмашылығы кейбір жарықтың призмадан құтылуына әкеледі.Бұл аздап аздап фототрансисторға жетуге себеп болады, осылайша шығыс сигналын түсіреді және төмендетеді.

Орнату және күйін келтіру қадамдары:

Оның таза екеніне көз жеткізіңіз: призманың ұшы таза және дұрыс емес көрсеткіштердің алдын алу үшін ластанудан босатылуы керек.Кез-келген кір немесе қалдық жарық шағылысуға әсер етеді.

Датчикті орналастырыңыз: сенсордың призманың ұшын сұйықтықтың күтілетін түрлерімен дұрыс туралаңыз.Сұйық деңгейінің өсуі мен құлауын дәл анықтайтын сенсордың орнын реттеңіз.

Бұл деңгей индикаторы сұйықтықтың түсіне немесе айқындылығына қарамастан тиімді.Ол әр түрлі сұйық бұқаралық ақпарат құралдарында, соның ішінде турбид немесе түрлі-түсті сұйықтықтарда сенімді жұмыс істейді.Оптикалық сенсорлар сұйық деңгейінің жанама әдісін ұсынады, сенсордың тозуы мен ластану қаупін азайтады, осылайша жабдық өмірін ұзарту.

Оптикалық сенсорларды қолдану

Оптикалық сенсорлар жоғары сезімталдық пен дәлдікке байланысты көптеген өрістерде қолданылады.Төменде кейбір негізгі қолданбалы бағыттарға кіріспе бар.

Компьютерлер және кеңсе автоматикасы жабдықтары: компьютерлерде және көшіргіштерде оптикалық датчиктерде қағаздың орналасуы және қозғалысы.Бұл датчиктер басып шығару кезінде қағаздың дұрыс алдын-алу және шығарылуы, кептелістер мен қателерді азайтуды қамтамасыз етеді.Олар сондай-ақ, олар адамдарды немесе конференц-залдардағы сенсорлық шамдарда, мысалы, адамдарды анықтайды және автоматты түрде жанып, сөніп, энергияны үнемдейді және ыңғайлылықты арттырады.

Қауіпсіздік және қадағалау жүйелері: Қауіпсіздік жүйелерінде оптикалық сенсорлар кіруді анықтау үшін кеңінен қолданылады.Олар терезе немесе есік ашылып, дабылды іске қосқан кезде анықтайды.Флотографияда флэш синхрондау құралдарындағы оптикалық сенсорлар Flash Flack-тің оңтайлы сәттен бастап оңтайлы сәтке өртелгеніне көз жеткізіңіз.

Биомедициналық қосымшалар: Медициналық салада оптикалық сенсорлар науқастың тыныс алуы мен жүрек соғу жиілігін бақылайды.Көрсетілген жарықтағы өзгерістерді талдау арқылы олар тыныс алу жиілігін тексеруге кедергісіз кеуде қуысын анықтайды.Жүрек соғу жиілігінің оптикалық мониторлары жарық диодтарын теріні шығарып, сіңіргішті шығару және сіңірілген соманы анықтаңыз және жүрек соғу жиілігін есептеу үшін қанға шағылыстырады.

Қоршаған орта жарық сенсоры: Смартфондар мен планшеттерде қоршаған жарық сенсорлары экран жарықтығын автоматты түрде қоршаған жарық жағдайларына негізделген және батарея қуатын үнемдеу үшін экран жарықтығын автоматты түрде реттейді.Бұл сенсорлар тез өзгеруіне бейімделу және сезімтал жауап сипаттамаларын қажет етеді, бұл қоршаған орта жарықтандыру жағдайына бейімделу және пайдаланушыларға ыңғайлы визуалды тәжірибесі бар пайдаланушыларды қажет етеді.

Қорытынды

Түрлі технологиялық салалардағы оптикалық сенсорлардың өтінімдері олардың кең функционалдығын және тиімді жұмысын көрсетеді.Оптикалық датчиктерден әртүрлі шағылыстыратын және сәулелік датчиктерге, оптикалық сенсордың әр түрі ерекше артықшылықтарға ие және әр түрлі тексеру қажеттіліктеріне сәйкес келеді.Өнеркәсіптік автоматтандыру кезінде олар жоғары дәлдікті анықтау және бақылауды қамтамасыз етеді;Тұтынушы электроникада олар жабдықтың интеллектуалды жақсартады;Биомедицина және экологиялық мониторингте олар деректердің дұрыстығы мен дұрыстығын қамтамасыз етеді.Болашақта технологияның үздіксіз алға жылжуы мен жаңалықтары, оптикалық сенсорлар пайда болған салаларда маңызды рөл атқарады және интеллектуалдық және автоматтандыру бағытында түрлі салалардың дамуына ықпал етеді.

Жиі қойылатын сұрақтар [FAQ]

1. Оптикалық сенсордың аналогы немесе сандық па?

Оптикалық сенсорлар аналогтық немесе сандық, олардың дизайнына және шығыс сигналының түріне байланысты болуы мүмкін.Аналогтық оптикалық сенсорлар анықталған жарықтың қарқындылығына пропорционалды түрде әр түрлі кернеу сигналын шығарады.Сандық оптикалық датчиктер, мысалы, цифрлық сигналдар, мысалы, екілік кодтар, мысалы, аналогтық сигналдардан аналогтық аналогтық конвертер арқылы түрлендіріледі.

2. Оптикалық сенсордың артықшылықтары қандай?

Оптикалық сенсорлардың негізгі артықшылықтары:

Жоғары сезімталдық және дәлдік: әлсіз жарық сигналдары мен нәзік нысанның өзгеруіне қабілетті.

Байланыссыз өлшеу: өлшеу нәзік немесе қауіпті заттарды анықтауға жарамсыз нысанамен байланыста немесе кедергісіз жүзеге асырылуы мүмкін.

Тез жауап беру уақыты: динамикалық өлшеуге жарамды қоршаған ортадағы оптикалық өзгерістерге тез жауап бере алады.

Кең бейімделу: әр түрлі экологиялық жағдайларда, соның ішінде қатал немесе қауіпті ортада жұмыс істей алады.

3. Оптикалық сенсорды қалай сынауға болады?

Оптикалық сенсорлар, әдетте, келесі қадамдарды қамтиды:

Сынақ ортасын дайындаңыз: Қоршаған орта жарықтандыру шарттары сенсордың жұмыс ерекшеліктеріне сәйкес келетініне көз жеткізіңіз.

Құрылғыны қосу: сенсорды мультиметр немесе компьютер сияқты оқу құрылғысына қосыңыз.

Калибрлеу: сенсорды дәлдікті қамтамасыз ету үшін өндірушінің нұсқауларына сәйкес тексеріңіз.

Сынақ жарығы көзін жағыңыз: сенсорды жарықтандыру үшін белгілі жарықтықтың жарық көзін пайдаланыңыз.

Шығуды оқып, жазу: сенсордың шығуын жазып, оның жарық көзіндегі өзгерістерге күткендей әрекет ететінін тексеріңіз.

4. Оптикалық сенсор мен инфрақызыл сенсордың айырмашылығы неде?

Оптикалық және инфрақызыл датчиктер арасындағы басты айырмашылық - олар анықтаған жарық толқындарының ауқымы.Оптикалық сенсорлар, әдетте, көрінетін диапазонда толқын ұзындығын сезінуге қабілетті сенсорларға қатысты.Инфрақызыл датчиктер белгілі бір инфрақызылдар толқындарының ұзындығын анықтайды, олар адамның көзіне көрінбейді.Инфрақызыл датчиктер көбінесе термиялық бейнелеу камераларында, түнгі көру жабдықтарында және байланыс құралдарының кейбір түрлерінде қолданылады.

5. Оптикалық сенсорлар пассивті немесе белсенді ме?

Оптикалық сенсорлар сыртқы жарық көзін қажет етпейтініне байланысты пассивті немесе белсенді болуы мүмкін.

Пассивті оптикалық сенсорлар: Қосымша жарық көзі қажет емес, олар күн сәулесінен немесе бар жарықтандыру сияқты қоршаған ортадан жарық табу арқылы жұмыс істейді.

Белсенді оптикалық сенсорлар: Нысанды жарықтандыру үшін сыртқы жарық көзін қажет етеді, содан кейін көрсетілген немесе нысанадан берілетін шамды анықтаңыз.