Optische sensoren begrijpen: typen, principes en toepassingen
2024-05-24 9191

Optische sensoren spelen een sleutelrol in moderne elektronische technologie.Deze sensoren detecteren de locatie, aanwezigheid en kenmerken van objecten door lichtsignalen uit te zenden en te ontvangen en worden veel gebruikt in velden zoals industriële automatisering, consumentenelektronica, biomedicine en omgevingsmonitoring.Dit artikel zal ingaan op de verschillende typen, werkprincipes en praktische toepassingen van optische sensoren om lezers te helpen het belang en het toepassingspotentieel van optische sensoren in verschillende technische scenario's volledig te begrijpen.Van de brugstructuur van optische sensoren tot de unieke kenmerken van verschillende soorten optische sensoren, tot specifieke voorbeelden in real-world toepassingen, dit artikel zal de diversiteit en complexiteit van optische sensoren onthullen.

Catalogus

Figuur 1: Optische sensor

Wat is een optische sensor?

De Optische sensor Ontwerp is gebaseerd op het Wheatstone -brugcircuit.In elektrotechniek gebruikt een Wheatstone -brug een combinatie van bekende en onbekende weerstanden om de waarde van de onbekende weerstand te bepalen door de spanning te vergelijken.Evenzo gebruiken lichte brugsensoren een brugstructuur met vier fotodetectoren om veranderingen in bundelpositie te detecteren.

Eerst past de operator de positie van de detectoren aan om ervoor te zorgen dat de balk alle vier de detectoren gelijkmatig raakt.Wanneer de balk wordt afgebogen, legt elke detector een andere lichtintensiteit vast.Het circuit verwerkt vervolgens deze signalen om de exacte positie en offset van de balk te bepalen.

Figuur 2: Optische sensor

Als de straal bijvoorbeeld naar rechts beweegt, ontvangt de rechter detector meer licht en ontvangt de linker detector minder licht.De signaalprocessor van het circuit herkent en berekent deze wijziging snel en berekent het uitvoeren van nauwkeurige positiegegevens.Het proces is snel en zeer nauwkeurig, waardoor optische sensoren belangrijk zijn in geautomatiseerde apparatuur en hoogcisiesystemen.

Werkprincipe van optische sensor

Optische sensoren detecteren de locatie of aanwezigheid van objecten door licht uit te zenden en reflecties of onderbrekingen van deze stralen vast te leggen.De sensor gebruikt licht-emitterende diodes (LED's) om een ​​lichtstraal uit te stoten.Wanneer deze straal een object tegenkomt, kan dit worden gereflecteerd in de sensor of worden geblokkeerd door het object.

Figuur 3: Werkprincipe van optische sensor

Op een geautomatiseerde assemblagelijn passen operators de positie en gevoeligheid van sensoren aan op basis van de kenmerken van het object, zoals materiaal, grootte en verwachte locatie.Het vermogen van de sensor om objecten te detecteren, is onafhankelijk van het materiaal, of het nu hout, metaal of plastic is, waardoor het ideaal is voor productieomgevingen met meerdere materiële.

Het detecteren van heldere glazen flessen vereist bijvoorbeeld het aanpassen van de sensor om transparante materialen te herkennen.Transparante objecten reflecteren niet efficiënt, dus de sensor vereist een hogere gevoeligheid of een speciale lichtbron (zoals infrarood).

Als onderdeel van zijn ontwerp evalueert de sensor gereflecteerde of onderbroken lichtstralen.Wanneer een object de balk blokkeert, stuurt de sensor onmiddellijk een signaal naar het besturingssysteem dat de locatie of doorgang van het object aangeeft.Als het licht wordt gereflecteerd, gebruikt de sensor de intensiteit en hoek van de reflectie om kenmerken van het object te bepalen, zoals grootte en oppervlaktemateriaal.

Soorten optische sensoren

Er zijn veel soorten optische sensoren, elk met specifieke bedrijfsprincipes en toepassingen.Hierna volgen enkele veel voorkomende optische sensortypen die worden gebruikt in real-world scenario's.

Fotoconductieve apparaten veranderen de geleidbaarheid van materialen op basis van lichtintensiteit.Wanneer licht de sensor raakt, absorberen elektronen in het materiaal de lichte energie en springen ze naar de geleidingsband, waardoor de geleidbaarheid van het materiaal wordt vergroot.Fotoconductieve apparaten worden gebruikt in lichtintensiteitsdetectiesystemen, zoals automatische dimlampen.Operators moeten rekening houden met omgevingscondities en reactietijden om een ​​precieze controle te garanderen bij het aanpassen van deze apparaten.

Fotovoltaïsche cellen (zonnecellen) zetten lichte energie rechtstreeks om in elektrische energie door het foto -elektrische effect in halfgeleidermaterialen.Fotonen opwinden elektronen van de valentieband naar de geleidingsband, waardoor elektronengatparen ontstaan ​​en elektrische stroom genereren.Deze batterijen worden veel gebruikt voor energieproductie en het aandrijven van externe apparaten zoals satellieten en buitenbewakingscamera's.

Figuur 4: fotovoltaïsche cellen

Fotodiodes gebruiken het foto -elektrische effect om licht om te zetten in elektrische stroom.Wanneer licht het activeringsgebied raakt, kan hun interne structuur snel reageren en een elektrische stroom genereren.Deze sensoren worden vaak gebruikt in lichtpulsdetectie- en communicatieapparatuur zoals afstandsbedieningen en glasvezelsystemen.

Figuur 5: fotodiodes

Fototransistors zijn in wezen fotodioden met interne versterking.Wanneer licht de knooppunt van de basiscollector raakt, wordt een intern versterkte stroom gegenereerd, waardoor deze geschikt is voor het detecteren van zwakke lichtsignalen.Deze sensoren zijn met name nuttig in toepassingen die een hoge gevoeligheid vereisen, zoals optische meetapparatuur in laboratoria.

Figuur 6: Fototransistors

Reflecterende sensor

Reflecterende sensoren combineren een zender en ontvanger in een enkel apparaat, waardoor de uitgezonden straal door een reflecterend oppervlak of objectoppervlak naar de ontvanger kan worden gereflecteerd.Wanneer een object het pad van de balk binnenkomt, onderbreekt het het licht en wordt de sensor geactiveerd.

Om de sensor in te stellen, moet deze worden geplaatst en correct worden gekanteld voor optimale reflectie.De operator moet de positie van de sensor aanpassen om ervoor te zorgen dat het reflecterende oppervlak groot genoeg is en goed uitgelijnd is om de balk effectief naar de ontvanger te weerspiegelen.

In geautomatiseerde verpakkingslijnen detecteren reflecterende sensoren bijvoorbeeld producten die op een transportband bewegen.De operator plaatst de sensor aan de ene kant van de transportband en de gladde reflector aan de andere kant.Wanneer een product doorgaat en de balk blokkeert, detecteert de sensor de onderbreking en stuurt een signaal om acties te activeren, zoals het stoppen van de transportband of het overbrengen van het product.

Een van de voordelen van reflecterende sensoren is hun vermogen om over lange afstanden te werken en hun tolerantie voor een breed scala aan oppervlakte -eigenschappen.Zolang er voldoende licht wordt gereflecteerd, kunnen ze objecten detecteren, ongeacht kleur of oppervlaktextuur.Deze veelzijdigheid maakt reflecterende sensoren ideaal voor industriële automatisering, robotnavigatie en itemclassificatietaken.

Door de balk sensor

Een doorlopende sensor bestaat uit twee hoofdcomponenten: een zender en een ontvanger, tegenover elkaar geplaatst, meestal op een afstand.De zender stuurt continu een lichtstraal naar de ontvanger.Wanneer een object deze balk blokkeert, detecteert een ontvanger de occlusie en converteert deze in een elektronisch signaal, dat een schakelbewerking activeert.

Om de sensor in te stellen, moeten de zender en ontvanger precies worden uitgelijnd.Dit omvat het aanpassen van hun positie en hoek zodat de balk van de zender de ontvanger rechtstreeks raakt.Operators moeten rekening houden met omgevingsfactoren zoals achtergrondlicht en mogelijke bronnen van interferentie om valse triggering te voorkomen.

Figuur 7: door de bundelsensor

Bijvoorbeeld bij de ingang van een groot magazijn monitor door bundelsensoren voor ongeoorloofde toegang.De zender en ontvanger worden aan beide zijden van de deur geplaatst.Wanneer iemand of een object door de deur gaat, wordt de balk onderbroken en activeert het systeem een ​​alarm.

Een van de grote voordelen van doorlopende sensoren is hun vermogen om over lange afstanden te werken, waardoor ze ideaal zijn voor het monitoren van grote gebieden.Detectie is gebaseerd op bundelonderbreking, dus de sensor is niet gevoelig voor de grootte, kleur of oppervlaktestructuur van het object.Het object moet echter groot genoeg zijn om het optische pad tussen de zender en ontvanger volledig te bedekken.

Door bundelsensoren worden veel gebruikt in industriële automatisering en beveiligingssystemen, vooral in omgevingen waar monitoring op lange afstand en hoge betrouwbaarheid vereist zijn.Ze zijn ideaal voor het detecteren van items op productielijnen en het volgen van high-speed bewegende objecten.Door deze operationele details te begrijpen, kunnen operators zorgen voor een efficiënt en betrouwbaar gebruik van doorlopende sensoren in verschillende toepassingen.

Diffuse reflectiesensor

Diffuse reflectiesensoren combineren zender en ontvanger in één apparaat.Het werkt door licht uit te zenden en licht te ontvangen dat wordt verspreid van het object dat wordt gemeten.De sensor is met name nuttig voor het detecteren van objecten met complexe oppervlakken of vormen, zoals stof, hout of onregelmatig gevormd metaal.

Stel eerst de gevoeligheid van de sensor in om overeen te komen met de reflecterende eigenschappen van verschillende materialen en kleuren.Operators moeten de apparatuur aanpassen op basis van de specifieke reflectiviteit van het object.Dit zorgt ervoor dat het gereflecteerde licht voldoende is voor de ontvanger om te vangen, waardoor valse metingen worden vermeden vanwege te sterk of te zwak licht.

Figuur 8: Diffuse reflectiesensor

In geautomatiseerde verpakkingssystemen detecteren diffuse reflectiesensoren bijvoorbeeld labels op verpakkingsdozen.De operator past de sensor aan zodat de machine elke doos nauwkeurig identificeert, zelfs als de labels verschillende reflectiviteiten hebben.Dit vereist een precieze regeling van de intensiteit van het uitgezonden licht en de gevoeligheid van de ontvanger.

Diffuse sensoren kunnen problemen ondervinden als gevolg van ongelijke lichtverstrooiing, vooral wanneer het licht dat vanaf de achterkant van een object wordt gereflecteerd, meer geconcentreerd is dan het licht dat aan de voorkant wordt gereflecteerd.Om dit probleem op te lossen, is de sensor ontworpen met behulp van multi-point detectietechnologie om fouten te verminderen.Operators moeten deze factoren overwegen en experimenteel de optimale gevoeligheid en emissiehoek bepalen om een ​​nauwkeurige en betrouwbare detectie te garanderen.

Regelmatig onderhoud en kalibratie zorgen voor een langdurige stabiele werking.Dit omvat het reinigen van de sensorlens om te voorkomen dat stof en onzuiverheden de lichttransmissie verstoren.

Verschillende lichtbronnen voor optische sensoren

De lichtbron is erg belangrijk voor het ontwerp en de functionaliteit van optische sensoren.Moderne optische sensoren gebruiken meestal een monochromatische lichtbron, die stabiele, consistent licht biedt, waardoor zeer nauwkeurige metingen en optische communicatie mogelijk zijn.

Lasers produceren zeer coherente lichtstralen door spannende atomen in een specifiek medium, zoals een gas, een kristal of een speciaal glas.De bundel geproduceerd door de laser is zeer gefocust en kan over lange afstanden worden overgedragen zonder significante verspreiding.Dit maakt hen ideaal voor toepassingen die nauwkeurige positionering en langdurige communicatie vereisen, zoals glasvezelcommunicatie en precisie-meetapparatuur.In werking vereisen lasers nauwkeurig energiebeheer en omgevingscontrole om de stabiele output te behouden.Vanwege de potentiële gevaren van lasers met hoge intensiteit moeten operators zorgen voor veilig laserbeheer.

LED's (lichte emitterende diodes) worden gewaardeerd voor hun kleine formaat, hoog rendement en lange levensduur.Ze stoten licht uit door de recombinatie van elektronen en gaten in een halfgeleidermateriaal (meestal met n- en p-type gedoteerde gebieden).LED's kunnen een breed scala aan golflengten bedekken van infrarood tot ultraviolet.Het onsamenhangende licht van LED's is geschikt voor verschillende verlichting- en indicatietoepassingen, zoals verkeerslichten en slimme verlichtingssystemen.Het inzetten van LED's is relatief eenvoudig en vereist geen complexe veiligheidsmaatregelen zoals lasers.Het verzekeren van de consistentie en duurzaamheid van LED -lichtbronnen vereist echter een precieze stroomregeling.

Beide lichtbronnen hebben hun voor- en nadelen.De keuze hangt af van specifieke toepassingsvereisten.Lasers worden vaak gebruikt in precisie-optische experimenten en high-speed optische communicatie, terwijl LED's vaker worden gebruikt in consumentenelektronica en markeersystemen.

Vloeistofniveau -indicator op basis van optische sensor

Een indicator op vloeistofniveau op basis van een optische sensor is een precisiemeetinstrument dat de principes van breking en reflectie van licht gebruikt om veranderingen in het vloeistofniveau te detecteren.Het bestaat uit drie hoofdcomponenten: een infrarood LED, een fototransistor en een transparante prismentip.

Figuur 9: Optisch niveau sensor

Wanneer de prisma -tip wordt blootgesteld aan lucht, ondergaat het licht van de infrarood LED totale interne reflectie binnen het prisma en weerspiegelt het grootste deel van het licht aan de fototransistor.In deze toestand ontvangt de transistor meer licht en voert een hoger signaal uit.

Wanneer de prisma -punt in een vloeistof wordt ondergedompeld, zorgt het verschil in brekingsindex tussen de vloeistof en lucht ervoor dat enig licht aan het prisma ontsnapt.Dit zorgt ervoor dat minder licht de fototransistor bereikt, waardoor het licht dat het ontvangt, wordt verminderd en het uitgangssignaal wordt verlaagd.

Installatie- en foutopsporingsstappen:

Zorg ervoor dat het schoon is: de prisma -tip moet schoon zijn en vrij van besmetting om onnauwkeurige metingen te voorkomen.Alle vuil of residu heeft invloed op lichtreflectie.

Plaats de sensor: lijn de prisma -tip van de sensor correct uit met het verwachte bereik van veranderingen op vloeistofniveau.Pas de positie van de sensor aan zodat deze de stijging en daling van het vloeistofniveau nauwkeurig detecteert.

Deze niveau -indicator is effectief, ongeacht de kleur of duidelijkheid van de vloeistof.Het werkt betrouwbaar in verschillende vloeibare media, waaronder troebel of gekleurde vloeistoffen.Optische sensoren bieden een contactloze methode voor het meten van vloeistofniveau, waardoor het risico op sensorslijtage en besmetting wordt verminderd en daarmee de levensduur van apparatuur verlengt.

Toepassing van optische sensoren

Optische sensoren worden op veel gebieden gebruikt vanwege hun hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid.Hieronder is een inleiding tot enkele belangrijke applicatiegebieden.

Computers en kantoorautomatiseringsapparatuur: in computers en kopieerapparaten, optische sensoren controlepapier positie en beweging.Deze sensoren zorgen voor de juiste papieren vooruitgang en uitwerpen tijdens het afdrukken, het verminderen van jam en fouten.Ze worden ook gebruikt in geautomatiseerde verlichtingsarmaturen, zoals sensorlichten in gangen of vergaderzalen, die mensen detecteren en automatisch lichten aan en uit zetten, waardoor energie wordt bespaard en het gemak toeneemt.

Beveiligings- en bewakingssystemen: in beveiligingssystemen worden optische sensoren veel gebruikt voor inbraakdetectie.Ze detecteren wanneer een raam of deur wordt geopend en activeren een alarm.In fotografie zorgen optische sensoren in flash -synchronisaties ervoor dat de flits op het optimale moment vuurt voor optimale verlichtingseffecten.

Biomedische toepassingen: op medisch gebied bewaken optische sensoren de ademhaling en hartslag van een patiënt.Door veranderingen in gereflecteerd licht te analyseren, detecteren ze kleine borstbewegingen om niet-invasief de luchtwegen te controleren.Optische hartslagmonitoren gebruiken LED's om licht door de huid uit te zenden en de geabsorbeerde hoeveelheid te detecteren en gereflecteerd door het bloed om de hartslag te berekenen.

Omgevingslichtsensor: in smartphones en tablets passen sensoren voor omgevingslicht automatisch de helderheid van het scherm aan om het display te optimaliseren op basis van omliggende lichtomstandigheden en batterij -energie te bewaren.Deze sensoren vereisen precieze kalibratie en gevoelige responskarakteristieken om zich aan te passen aan snel veranderende omstandigheden voor omgevingslicht en gebruikers een comfortabele visuele ervaring te bieden.

Conclusie

Toepassingen van optische sensoren in verschillende technologische gebieden tonen hun brede functionaliteit en efficiënte prestaties.Van optische sensoren tot verschillende reflecterende en doorlopende sensoren, elk type optische sensor heeft unieke voordelen en kan aan verschillende inspectiebehoeften voldoen.In industriële automatisering bieden ze zeer nauwkeurige detectie en controle;In consumentenelektronica verbeteren ze de intelligentie van apparatuur;Bij biomedicine en omgevingsmonitoring zorgen ze voor de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van gegevens.In de toekomst zullen optische sensoren met de voortdurende vooruitgang en innovatie van technologie een belangrijkere rol spelen in meer opkomende gebieden en de ontwikkeling van verschillende industrieën bevorderen in de richting van intelligentie en automatisering.

Veelgestelde vragen [FAQ]

1. Is een optische sensor analoog of digitaal?

Optische sensoren kunnen analoog of digitaal zijn, afhankelijk van hun ontwerp en het type uitgangssignaal.Analoge optische sensoren voert een continu variërend spanningssignaal uit dat evenredig is met de gedetecteerde lichtintensiteit.Digitale optische sensoren voeren digitale signalen uit, zoals binaire codes, die meestal worden omgezet uit analoge signalen via een ingebouwde analoog-naar-digitale converter.

2. Wat zijn de voordelen van een optische sensor?

De belangrijkste voordelen van optische sensoren zijn:

Hoge gevoeligheid en nauwkeurigheid: in staat om zwakke lichtsignalen en subtiele objectveranderingen te detecteren.

Niet-contactmeting: meting kan worden uitgevoerd zonder contact of interferentie met het doel, geschikt voor de detectie van fragiele of gevaarlijke stoffen.

Snelle responstijd: in staat om snel te reageren op optische veranderingen in de omgeving, geschikt voor dynamische metingen.

Breed aanpassingsvermogen: kan werken in verschillende omgevingscondities, waaronder harde of gevaarlijke omgevingen.

3. Hoe een optische sensor testen?

Optische sensoren testen omvat meestal de volgende stappen:

Bereid de testomgeving voor: zorg ervoor dat de omstandigheden van de omgevingslicht voldoen aan de operationele specificaties van de sensor.

Sluit het apparaat aan: Sluit de sensor aan op een leesapparaat, zoals een multimeter of computer.

Kalibratie: kalibreer de sensor volgens de instructies van de fabrikant om de nauwkeurigheid te garanderen.

Breng een testlichtbron aan: gebruik een lichtbron van bekende helderheid om de sensor te verlichten.

LEZEN EN OPPORT OPTREKEN: Noteer de uitvoer van de sensor en controleer of deze reageert zoals verwacht verandert in de lichtbron.

4. Wat is het verschil tussen een optische sensor en een infraroodsensor?

Het belangrijkste verschil tussen optische en infraroodsensoren is het bereik van lichtgolflengten dat ze detecteren.Optische sensoren verwijzen over het algemeen naar sensoren die golflengten in het zichtbare bereik kunnen detecteren.Infraroodsensoren detecteren specifiek infraroodlichtgolflengten, die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog.Infraroodsensoren worden vaak gebruikt in thermische beeldvormingscamera's, nachtzichtapparatuur en sommige soorten communicatieapparatuur.

5. Zijn optische sensoren passief of actief?

Optische sensoren kunnen passief of actief zijn, afhankelijk van of ze een externe lichtbron nodig hebben.

Passieve optische sensoren: er is geen extra lichtbron vereist, ze werken door licht te detecteren uit de omgeving, zoals zonlicht of bestaande verlichting.

Actieve optische sensoren: vereisen een externe lichtbron om het doel te verlichten en vervolgens het licht te detecteren dat wordt gereflecteerd of verzonden vanuit het doel.