Zrozumienie czujników optycznych: typy, zasady i zastosowania
2024-05-24 9206

Czujniki optyczne odgrywają kluczową rolę we współczesnej technologii elektronicznej.Czujniki te wykrywają lokalizację, obecność i charakterystykę obiektów poprzez emitowanie i odbieranie sygnałów świetlnych i są szeroko stosowane w dziedzinach, takich jak automatyzacja przemysłowa, elektronika konsumpcyjna, monitorowanie biomedycyny i środowiska.Ten artykuł zagłębi się w różne typy, zasady pracy i praktyczne zastosowania czujników optycznych, aby pomóc czytelnikom w pełni zrozumieć znaczenie i potencjał zastosowania czujników optycznych w różnych scenariuszach technicznych.Od struktury mostowej czujników optycznych po unikalne cechy różnych rodzajów czujników optycznych, po określone przykłady w rzeczywistym zastosowaniach, ten artykuł ujawni różnorodność i złożoność czujników optycznych.

Katalog

Rysunek 1: Czujnik optyczny

Co to jest czujnik optyczny?

. Czujnik optyczny Projekt oparty jest na obwodzie mostu Wheatstone.W inżynierii elektrycznej most pszenicy wykorzystuje kombinację znanych i nieznanych rezystorów do określenia wartości nieznanego rezystora poprzez porównanie napięcia.Podobnie, czujniki mostu światła używają konstrukcji mostu z czterema fotodetektorami do wykrywania zmian w pozycji wiązki.

Po pierwsze, operator dostosowuje położenie detektorów, aby zapewnić, że wiązka równomiernie uderza wszystkich czterech detektorów.Po odchyleniu wiązki każdy detektor przechwytuje inną intensywność światła.Obwód następnie przetwarza te sygnały w celu ustalenia dokładnej pozycji i przesunięcia wiązki.

Rysunek 2: Czujnik optyczny

Na przykład, jeśli wiązka porusza się w prawo, prawy detektor odbiera więcej światła, a lewy detektor otrzymuje mniej światła.Procesor sygnałowy obwodu szybko rozpoznaje i oblicza tę zmianę, wyświetlając dokładne dane położenia.Proces jest szybki i bardzo dokładny, dzięki czemu czujniki optyczne są ważne w automatycznych urządzeniach i systemach pozycjonowania precyzyjnego.

Zasada pracy czujnika optycznego

Czujniki optyczne wykrywają lokalizację lub obecność obiektów, emitując światło i przechwytując odbicia lub przerwy tych promieni.Czujnik wykorzystuje diody emitujące światło (diody LED) do emitowania wiązki światła.Gdy ta wiązka napotyka obiekt, może być odbijany do czujnika lub zablokowany przez obiekt.

Rysunek 3: Zasada pracy czujnika optycznego

Na zautomatyzowanej linii montażowej operatorzy dostosowują pozycję i czułość czujników w oparciu o charakterystykę obiektu, takie jak materiał, rozmiar i oczekiwana lokalizacja.Zdolność czujnika do wykrywania obiektów jest niezależna od materiału, zarówno drewna, metalu, jak i plastiku, co czyni go idealnym do wielomaterialnych środowisk produkcyjnych.

Na przykład wykrywanie przezroczystej szklanej butelek wymaga regulacji czujnika do rozpoznawania przezroczystych materiałów.Przezroczyste obiekty nie odzwierciedlają efektywnie światła, więc czujnik wymaga wyższej czułości lub specjalnego źródła światła (takiego jak podczerwień).

W ramach jego konstrukcji czujnik ocenia odbite lub przerwane wiązki światła.Gdy obiekt blokuje wiązkę, czujnik natychmiast wysyła sygnał do systemu sterowania wskazującym położenie lub przejście obiektu.Jeśli światło jest odbijane, czujnik wykorzystuje intensywność i kąt odbicia, aby określić charakterystykę obiektu, takie jak rozmiar i materiał powierzchniowy.

Rodzaje czujników optycznych

Istnieje wiele rodzajów czujników optycznych, z których każdy ma określone zasady i zastosowania.Poniżej przedstawiono niektóre typowe typy czujników optycznych stosowane w scenariuszach w świecie rzeczywistym.

Urządzenia fotokondukcyjne zmieniają przewodność materiałów na podstawie intensywności światła.Kiedy światło uderza czujnik, elektrony w materiale pochłaniają energię światła i skaczą do pasma przewodzenia, zwiększając przewodność materiału.Urządzenia fotokondukcyjne są używane w systemach wykrywania intensywności światła, takich jak automatyczne lampy ściemniające.Operatorzy muszą rozważyć warunki światła otoczenia i czasy reakcji, aby zapewnić precyzyjną kontrolę podczas dostosowywania tych urządzeń.

Komórki fotowoltaiczne (ogniwa słoneczne) przekształcają energię światła bezpośrednio w energię elektryczną poprzez efekt fotoelektryczny w materiałach półprzewodnikowych.Fotony wzbudzają elektrony od pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, tworząc pary elektronowe i wytwarzając prąd elektryczny.Akumulatory te są szeroko stosowane do produkcji energii i zasilania zdalnych urządzeń, takich jak satelity i kamery nadzoru na zewnątrz.

Rycina 4: Komórki fotowoltaiczne

Fotodiody wykorzystują efekt fotoelektryczny do przekształcania światła na prąd elektryczny.Gdy światło uderza w obszar aktywacji, ich wewnętrzna struktura może szybko reagować i generować prąd elektryczny.Czujniki te są powszechnie stosowane w sprzęcie do wykrywania impulsu światła i komunikacji, takich jak zdalne sterowanie i systemy światłowodowe.

Rysunek 5: Fotodiody

Fototransystory to zasadniczo fotodiody o wzmocnieniu wewnętrznym.Gdy światło uderza w połączenie kolektora bazowego, generowany jest wewnętrznie wzmocniony prąd, dzięki czemu nadaje się do wykrywania słabych sygnałów światła.Czujniki te są szczególnie przydatne w zastosowaniach wymagających wysokiej czułości, takich jak optyczny sprzęt pomiarowy w laboratoriach.

Rysunek 6: Fototransystory

Czujnik odblaskowy

Czujniki odblaskowe łączą nadajnik i odbiornik w jednym urządzeniu, umożliwiając odbicie emitowanej wiązki do odbiornika przez powierzchnię odblaskową lub powierzchnię obiektu.Gdy obiekt wchodzi na ścieżkę wiązki, przerywa światło, wyzwalając czujnik.

Aby skonfigurować czujnik, należy go poprawnie ustawić i przechylić, aby uzyskać optymalne odbicie.Operator musi dostosować pozycję czujnika, aby zapewnić, że powierzchnia odblaskowa jest wystarczająco duża i odpowiednio wyrównana, aby skutecznie odbijać wiązkę do odbiornika.

Na przykład w zautomatyzowanych liniach opakowania czujniki odblaskowe wykrywają produkty poruszające się po przenośnym pasku.Operator umieszcza czujnik po jednej stronie pasa przenośnika i gładki odblasek po drugiej stronie.Gdy produkt przechodzi i blokuje wiązkę, czujnik wykrywa przerwę i wysyła sygnał, aby wywołać działania, takie jak zatrzymanie przenośnika lub przeniesienie produktu.

Jedną z zalet czujników odblaskowych jest ich zdolność do działania na duże odległości i ich tolerancja na szeroki zakres właściwości powierzchni.Dopóki wystarczająca ilość światła jest odbijana, mogą wykrywać obiekty niezależnie od koloru lub tekstury powierzchni.Ta wszechstronność sprawia, że ​​czujniki odblaskowe są idealne do automatyzacji przemysłowej, nawigacji robota i zadań klasyfikacji przedmiotów.

Czujnik przez wiązkę

Czujnik z wiązką składa się z dwóch głównych elementów: nadajnika i odbiornika, umieszczonego naprzeciwko siebie, zwykle w odległości.Nadajnik w sposób ciągły wysyła wiązkę światła do odbiornika.Gdy obiekt blokuje tę wiązkę, odbiornik wykrywa niedrożność i przekształca go w sygnał elektroniczny, który wyzwala operację przełączania.

Aby skonfigurować czujnik, nadajnik i odbiornik muszą być precyzyjnie wyrównane.Obejmuje to dostosowanie ich położenia i kąta, aby wiązka z nadajnika uderzyła bezpośrednio odbiornik.Operatorzy muszą rozważyć czynniki środowiskowe, takie jak światło w tle i potencjalne źródła zakłóceń, aby uniknąć fałszywego wyzwalania.

Rysunek 7: Czujnik z wiązką

Na przykład przy wejściu do dużego magazynu monitoruje czujniki wiązki pod kątem nieautoryzowanego wpisu.Nadajnik i odbiornik są umieszczane po obu stronach drzwi.Gdy ktoś lub obiekt przechodzi przez drzwi, wiązka jest przerywana, a system wywołuje alarm.

Jedną z wielkich zalet czujników z wiązką jest ich zdolność do działania na duże odległości, co czyni je idealnie do monitorowania dużych obszarów.Wykrywanie opiera się na przerwie wiązki, więc czujnik nie jest wrażliwy na rozmiar, kolor lub strukturę powierzchni obiektu.Jednak obiekt musi być wystarczająco duży, aby całkowicie pokryć ścieżkę optyczną między nadajnikiem a odbiornikiem.

Czujniki z wiązką są szeroko stosowane w systemach automatyzacji przemysłowej i bezpieczeństwa, szczególnie w środowiskach, w których wymagane jest monitorowanie na duże odległości i wysoką niezawodność.Są idealne do wykrywania przedmiotów na liniach produkcyjnych i śledzenia szybkich ruchomych obiektów.Rozumiejąc te szczegóły operacyjne, operatorzy mogą zapewnić wydajne i niezawodne wykorzystanie czujników z wiązką w różnych aplikacjach.

Rozproszony czujnik odbicia

Rozproszone czujniki odbicia łączą nadajnik i odbiornik w jednym urządzeniu.Działa, emitując światło i odbierając światło rozproszone z mierzonego obiektu.Czujnik jest szczególnie przydatny do wykrywania obiektów o złożonych powierzchniach lub kształtach, takich jak materiał, drewno lub nieregularny metal.

Najpierw ustaw wrażliwość czujnika, aby pasowały do ​​właściwości odblaskowych różnych materiałów i kolorów.Operatorzy muszą dostosować sprzęt w oparciu o specyficzny współczynnik odbicia obiektu.Zapewnia to, że światło odbite jest wystarczające, aby odbiornik mógł uchwycić, unikając fałszywych odczytów z powodu zbyt mocnego lub zbyt słabego światła.

Rysunek 8: Rozproszony czujnik odbicia

Na przykład w automatycznych systemach opakowań rozproszone czujniki odbicia wykrywają etykiety na pudełkach opakowaniowych.Operator dostosowuje czujnik, dzięki czemu maszyna dokładnie identyfikowała każde pole, nawet jeśli etykiety mają różne odbicia.Wymaga to precyzyjnej kontroli intensywności emitowanego światła i wrażliwości odbiornika.

Rozproszone czujniki mogą doświadczać problemów z powodu nierównomiernego rozpraszania światła, szczególnie gdy światło odbijane od tyłu obiektu jest bardziej skoncentrowane niż światło odbite od przodu.Aby rozwiązać ten problem, czujnik został zaprojektowany przy użyciu technologii wykrywania wielopunktowego w celu zmniejszenia błędów.Operatorzy muszą wziąć pod uwagę te czynniki i eksperymentalnie określić optymalną czułość i kąt emisji, aby zapewnić dokładne i niezawodne wykrywanie.

Regularna konserwacja i kalibracja zapewniają długoterminowe stabilne działanie.Obejmuje to czyszczenie soczewki czujnika, aby zapobiec zakłóceniu przekładni światła.

Różne źródła światła dla czujników optycznych

Źródło światła jest bardzo ważne dla projektowania i funkcjonalności czujników optycznych.Nowoczesne czujniki optyczne zwykle wykorzystują monochromatyczne źródło światła, które zapewnia stabilne, spójne światło, umożliwiające bardzo precyzyjne pomiary i komunikację optyczną.

Lasery wytwarzają wysoce spójne wiązki światła przez ekscytujące atomy w określonym pożywce, takim jak gaz, kryształ lub specjalne szkło.Belka wytwarzana przez laser jest bardzo skoncentrowana i może być przenoszona na duże odległości bez znacznego rozprzestrzeniania się.To sprawia, że ​​idealnie nadają się do aplikacji wymagających precyzyjnego pozycjonowania i komunikacji na duże odległości, takich jak komunikacja światłowodowa i precyzyjne urządzenia pomiarowe.Podczas działania lasery wymagają precyzyjnego zarządzania energią i kontroli środowiska, aby utrzymać stabilny wynik.Ze względu na potencjalne zagrożenia laserów o wysokiej intensywności operatorzy muszą zapewnić bezpieczne zarządzanie laserem.

LED (diody emitujące światło) są cenione za ich niewielki rozmiar, wysoka wydajność i długi okres życia.Emitują światło przez rekombinację elektronów i otworów w materiale półprzewodnikowym (zwykle domieszkowanym regionom typu N i P).LED mogą obejmować szeroki zakres długości fal od podczerwieni do ultrafioletu.Niepójcze światło diod LED jest odpowiednie do różnych aplikacji oświetleniowych i wskazówek, takich jak światła światła i inteligentne systemy oświetlenia.Wdrażanie diod LED jest stosunkowo proste i nie wymaga złożonych środków bezpieczeństwa, takich jak lasery.Jednak zapewnienie spójności i trwałości źródeł światła LED wymaga precyzyjnej kontroli prądu.

Oba źródła światła mają swoje zalety i wady.Wybór zależy od konkretnych wymagań aplikacji.Lasery są powszechnie stosowane w precyzyjnych eksperymentach optycznych i szybkiej komunikacji optycznej, podczas gdy diody LED są częściej stosowane w elektronice i systemach znakowania użytkownika.

Wskaźnik poziomu cieczy oparty na czujniku optycznym

Wskaźnik poziomu cieczy oparty na czujniku optycznym jest precyzyjnym narzędziem pomiarowym, które wykorzystuje zasady załamania i odbicia światła do wykrywania zmian w poziomie cieczy.Składa się z trzech głównych elementów: LED w podczerwieni, fototransystor i przejrzystej końcówki pryzmatu.

Rysunek 9: Czujnik poziomu optycznego

Gdy końcówka pryzmatu jest narażona na powietrze, światło z diody podczerwieni ulega całkowitemu wewnętrznemu odbiciu w pryzmat, odzwierciedlając większość światła dla fototransystora.W tym stanie tranzystor odbiera więcej światła i wysyła wyższy sygnał.

Gdy końcówka pryzmatu jest zanurzona w cieczy, różnica w współczynniku załamania światła między cieczą a powietrzem powoduje, że niektóre światło ucieka od pryzmatu.Powoduje to, że mniej światła dociera do fototransystora, zmniejszając w ten sposób światło, które odbiera i obniża sygnał wyjściowy.

Kroki instalacji i debugowania:

Upewnij się, że jest czysty: końcówka pryzmatu musi być czysta i wolna od zanieczyszczenia, aby zapobiec niedokładnym odczytom.Każdy brud lub pozostałość wpłynie na odbicie światła.

Ustaw czujnik: poprawnie wyrównaj końcówkę pryzmatu czujnika z oczekiwanym zakresem zmian poziomu płynu.Dostosuj pozycję czujnika, aby dokładnie wykrył wzrost i spadek poziomu cieczy.

Ten wskaźnik poziomu jest skuteczny niezależnie od koloru lub przejrzystości cieczy.Działa niezawodnie w różnych płynnych pożywkach, w tym w cieczy mętnych lub kolorowych.Czujniki optyczne zapewniają niekonaktową metodę pomiaru poziomu cieczy, zmniejszając ryzyko zużycia i zanieczyszczenia czujnika, a tym samym przedłużając żywotność sprzętu.

Zastosowanie czujników optycznych

Czujniki optyczne są stosowane w wielu dziedzinach ze względu na ich wysoką wrażliwość i dokładność.Poniżej znajduje się wprowadzenie do niektórych kluczowych obszarów aplikacji.

Komputery i sprzęt do automatyzacji biur: w komputerach i kopiarach czujniki optyczne kontrolują pozycję papieru i ruch.Czujniki te zapewniają prawidłowy postęp papieru i wyrzucenie podczas drukowania, zmniejszając dżemy i błędy.Są one również używane w automatycznych opraw oświetleniowych, takich jak lampki czujników w korytarzach lub salach konferencyjnych, które wykrywają ludzi i automatycznie włączają i wyłączają światła, oszczędzając energię i zwiększając wygodę.

Systemy bezpieczeństwa i nadzoru: w systemach bezpieczeństwa czujniki optyczne są szeroko stosowane do wykrywania włamań.Wykrywają, gdy okno lub drzwi są otwarte i wywołują alarm.W fotografii czujniki optyczne w synchronizatorach flash zapewniają, że błysk uderzy w optymalnym momencie dla optymalnych efektów oświetlenia.

Zastosowania biomedyczne: w dziedzinie medycyny czujniki optyczne monitorują oddychanie i tętno pacjenta.Analizując zmiany w odbitym świetle, wykrywają małe ruchy klatki piersiowej, aby nieinwazyjnie monitorować szybkość oddechu.Optyczne monitory tętna wykorzystują diody LED do emisji światła przez skórę i wykrywania ilości wchłoniętej i odbijanej przez krew w celu obliczenia tętna.

Czujnik światła otoczenia: w smartfonach i tabletach czujniki światła otoczenia automatycznie dostosowują jasność ekranu, aby zoptymalizować wyświetlacz na podstawie otaczających warunków światła i oszczędzania energii baterii.Czujniki te wymagają precyzyjnej kalibracji i wrażliwych charakterystyk odpowiedzi, aby dostosować się do szybko zmieniających się warunków światła otoczenia i zapewnić użytkownikom wygodne wrażenia wizualne.

Wniosek

Zastosowania czujników optycznych w różnych dziedzinach technologicznych pokazują ich szeroką funkcjonalność i wydajność.Od czujników optycznych po różne czujniki odblaskowe i przesyłane, każdy rodzaj czujnika optyczny ma unikalne zalety i może zaspokoić różne potrzeby inspekcji.W automatyzacji przemysłowej zapewniają one bardzo precyzyjne wykrywanie i kontrolę;W elektronice użytkowej poprawiają inteligencję sprzętu;W monitorowaniu biomedycyny i środowiska zapewniają one dokładność i niezawodność danych.W przyszłości, wraz z ciągłym postępem i innowacjami technologii, czujniki optyczne będą odgrywać ważniejszą rolę w bardziej pojawiających się dziedzinach i promują rozwój różnych branż w kierunku inteligencji i automatyzacji.

Często zadawane pytania [FAQ]

1. Czy analog czujnika optyczny czy cyfrowy?

Czujniki optyczne mogą być analogowe lub cyfrowe, w zależności od ich konstrukcji i rodzaju sygnału wyjściowego.Analogowe czujniki optyczne wydają stale zmienny sygnał napięcia, który jest proporcjonalny do wykrytych intensywności światła.Cyfrowe czujniki optyczne wysyłają sygnały cyfrowe, takie jak kody binarne, które są zwykle konwertowane z sygnałów analogowych przez wbudowany konwerter analogowo-cyfrowy.

2. Jakie są zalety czujnika optycznego?

Główne zalety czujników optycznych obejmują:

Wysoka wrażliwość i dokładność: zdolne do wykrywania słabych sygnałów światła i subtelnych zmian obiektów.

Pomiar bezkontaktowy: pomiar można przeprowadzić bez kontaktu lub zakłóceń z celem, odpowiednim do wykrywania substancji kruchej lub niebezpiecznej.

Szybki czas reakcji: możliwość szybkiego reagowania na zmiany optyczne w środowisku, odpowiednie do pomiarów dynamicznych.

Szeroka zdolność adaptacyjna: może działać w różnych warunkach środowiskowych, w tym w trudnych lub niebezpiecznych środowiskach.

3. Jak przetestować czujnik optyczny?

Testowanie czujników optycznych zwykle obejmuje następujące kroki:

Przygotuj środowisko testowe: upewnij się, że warunki światła otoczenia spełniają specyfikacje operacyjne czujnika.

Podłącz urządzenie: Podłącz czujnik do urządzenia odczytu, takiego jak multimetr lub komputer.

Kalibracja: Kalibruj czujnik zgodnie z instrukcjami producenta w celu zapewnienia dokładności.

Zastosuj źródło światła testowego: Użyj źródła światła o znanej jasności, aby oświetlić czujnik.

Odczyt i rekord wyjścia: Nagraj wyjście czujnika i sprawdź, czy reaguje zgodnie z oczekiwaniami na zmiany w źródle światła.

4. Jaka jest różnica między czujnikiem optycznym a czujnikiem podczerwieni?

Główną różnicą między czujnikami optycznymi i podczerwieni jest zakres wykrytych długości fali światła.Czujniki optyczne ogólnie odnoszą się do czujników zdolnych do wykrywania długości fali w zakresie widzialnym.Czujniki podczerwieni specjalnie wykrywają długości fali światła podczerwieni, które są niewidoczne dla ludzkiego oka.Czujniki podczerwieni są powszechnie stosowane w kamerach obrazowania termicznego, sprzęcie noktowizyjnemu i niektórym rodzajom sprzętu komunikacyjnego.

5. Czy czujniki optyczne są pasywne czy aktywne?

Czujniki optyczne mogą być pasywne lub aktywne, w zależności od tego, czy wymagają zewnętrznego źródła światła.

Pasywne czujniki optyczne: nie jest wymagane dodatkowe źródło światła, działają one, wykrywając światło ze środowiska, takiego jak światło słoneczne lub istniejące oświetlenie.

Aktywne czujniki optyczne: Wymagaj zewnętrznego źródła światła, aby oświetlić cel, a następnie wykryć światło odbite lub przesyłane z celu.