Memahami Sensor Optik: Jenis, Prinsip, dan Aplikasi
2024-05-24 9219

Sensor optik memainkan peranan penting dalam teknologi elektronik moden.Sensor ini mengesan lokasi, kehadiran, dan ciri -ciri objek dengan memancarkan dan menerima isyarat cahaya dan digunakan secara meluas dalam bidang seperti automasi perindustrian, elektronik pengguna, bioperubatan, dan pemantauan alam sekitar.Artikel ini akan menyelidiki pelbagai jenis, prinsip kerja, dan aplikasi praktikal sensor optik untuk membantu pembaca memahami sepenuhnya kepentingan dan potensi aplikasi sensor optik dalam pelbagai senario teknikal.Dari struktur jambatan sensor optik kepada ciri-ciri unik pelbagai jenis sensor optik, kepada contoh-contoh tertentu dalam aplikasi dunia nyata, artikel ini akan mendedahkan kepelbagaian dan kerumitan sensor optik.

Katalog

Rajah 1: Sensor optik

Apakah sensor optik?

The Sensor optik Reka bentuk adalah berdasarkan litar jambatan Wheatstone.Dalam kejuruteraan elektrik, jambatan wheatstone menggunakan gabungan perintang yang diketahui dan tidak diketahui untuk menentukan nilai perintang yang tidak diketahui dengan membandingkan voltan.Begitu juga, sensor jambatan cahaya menggunakan struktur jambatan dengan empat photodetectors untuk mengesan perubahan dalam kedudukan rasuk.

Pertama, pengendali menyesuaikan kedudukan pengesan untuk memastikan bahawa rasuk mencecah semua empat pengesan secara merata.Apabila rasuk dibelokkan, setiap pengesan menangkap intensiti cahaya yang berbeza.Litar kemudian memproses isyarat ini untuk menentukan kedudukan yang tepat dan mengimbangi rasuk.

Rajah 2: Sensor optik

Sebagai contoh, jika rasuk bergerak ke kanan, pengesan kanan menerima lebih banyak cahaya dan pengesan kiri menerima kurang cahaya.Pemproses isyarat litar dengan cepat mengiktiraf dan mengira perubahan ini, mengeluarkan data kedudukan yang tepat.Proses ini cepat dan sangat tepat, menjadikan sensor optik penting dalam peralatan automatik dan sistem kedudukan ketepatan tinggi.

Prinsip kerja sensor optik

Sensor optik mengesan lokasi atau kehadiran objek dengan memancarkan cahaya dan menangkap refleksi atau gangguan sinar ini.Sensor menggunakan diod pemancar cahaya (LED) untuk memancarkan sinar cahaya.Apabila rasuk ini menemui objek, ia dapat dilihat pada sensor atau disekat oleh objek.

Rajah 3: Prinsip kerja sensor optik

Pada garis pemasangan automatik, pengendali menyesuaikan kedudukan dan kepekaan sensor berdasarkan ciri -ciri objek, seperti bahan, saiz, dan lokasi yang diharapkan.Keupayaan sensor untuk mengesan objek adalah bebas daripada bahan, sama ada kayu, logam, atau plastik, menjadikannya sesuai untuk persekitaran pengeluaran pelbagai bahan.

Sebagai contoh, mengesan botol kaca yang jelas memerlukan menyesuaikan sensor untuk mengenali bahan telus.Objek telus tidak mencerminkan cahaya dengan cekap, jadi sensor memerlukan kepekaan yang lebih tinggi atau sumber cahaya khas (seperti inframerah).

Sebagai sebahagian daripada reka bentuknya, sensor menilai rasuk cahaya yang dicerminkan atau terganggu.Apabila objek menghalang rasuk, sensor segera menghantar isyarat kepada sistem kawalan yang menunjukkan lokasi atau laluan objek.Sekiranya cahaya dicerminkan, sensor menggunakan intensiti dan sudut pantulan untuk menentukan ciri -ciri objek, seperti saiz dan bahan permukaan.

Jenis sensor optik

Terdapat banyak jenis sensor optik, masing -masing dengan prinsip dan aplikasi operasi tertentu.Berikut adalah beberapa jenis sensor optik biasa yang digunakan dalam senario dunia nyata.

Peranti photoconductive mengubah kekonduksian bahan berdasarkan intensiti cahaya.Apabila cahaya menyerang sensor, elektron dalam bahan menyerap tenaga cahaya dan melompat ke jalur konduksi, meningkatkan kekonduksian bahan.Peranti photoconductive digunakan dalam sistem pengesanan intensiti cahaya, seperti lampu dimming automatik.Pengendali perlu mempertimbangkan keadaan cahaya ambien dan masa tindak balas untuk memastikan kawalan yang tepat apabila menyesuaikan peranti ini.

Sel fotovoltaik (sel solar) menukar tenaga cahaya terus ke dalam tenaga elektrik melalui kesan fotoelektrik dalam bahan semikonduktor.Foton menggembirakan elektron dari band valensi ke jalur konduksi, mewujudkan pasangan elektron lubang dan menghasilkan arus elektrik.Bateri ini digunakan secara meluas untuk pengeluaran tenaga dan menggerakkan peranti jauh seperti satelit dan kamera pengawasan luaran.

Rajah 4: Sel fotovoltaik

Photodiodes menggunakan kesan fotoelektrik untuk menukar cahaya ke arus elektrik.Apabila cahaya mencecah kawasan pengaktifan, struktur dalaman mereka dapat bertindak balas dengan cepat dan menghasilkan arus elektrik.Sensor ini biasanya digunakan dalam pengesanan nadi cahaya dan peralatan komunikasi seperti kawalan jauh dan sistem optik gentian.

Rajah 5: Photodiodes

Phototransistors pada dasarnya adalah photodiodes dengan keuntungan dalaman.Apabila cahaya menyerang persimpangan asas pengumpul, arus yang diperkuat secara dalaman dihasilkan, menjadikannya sesuai untuk mengesan isyarat cahaya yang lemah.Sensor ini amat berguna dalam aplikasi yang memerlukan kepekaan yang tinggi, seperti peralatan pengukuran optik di makmal.

Rajah 6: Phototransistors

Sensor reflektif

Sensor reflektif menggabungkan pemancar dan penerima dalam satu peranti, yang membolehkan rasuk yang dipancarkan dapat ditunjukkan kepada penerima melalui permukaan reflektif atau permukaan objek.Apabila objek memasuki jalan rasuk, ia mengganggu cahaya, mencetuskan sensor.

Untuk menubuhkan sensor, ia perlu diposisikan dan dimiringkan dengan betul untuk refleksi optimum.Pengendali mesti menyesuaikan kedudukan sensor untuk memastikan bahawa permukaan reflektif cukup besar dan sejajar dengan betul untuk mencerminkan rasuk dengan berkesan kepada penerima.

Sebagai contoh, dalam talian pembungkusan automatik, sensor reflektif mengesan produk yang bergerak pada tali pinggang penghantar.Pengendali meletakkan sensor di satu sisi tali pinggang penghantar dan reflektor lancar di sisi lain.Apabila produk melewati dan menghalang rasuk, sensor mengesan gangguan dan menghantar isyarat untuk mencetuskan tindakan seperti menghentikan penghantar atau memindahkan produk.

Salah satu kelebihan sensor reflektif adalah keupayaan mereka untuk beroperasi dalam jarak jauh dan toleransi mereka terhadap pelbagai sifat permukaan.Selagi cahaya yang cukup tercermin, mereka dapat mengesan objek tanpa mengira warna atau tekstur permukaan.Fleksibiliti ini menjadikan sensor reflektif sesuai untuk automasi perindustrian, navigasi robot, dan tugas klasifikasi item.

Sensor melalui balok

Sensor melalui rasuk terdiri daripada dua komponen utama: pemancar dan penerima, diletakkan di seberang satu sama lain, biasanya pada jarak jauh.Pemancar terus menghantar sinar cahaya kepada penerima.Apabila objek menghalang rasuk ini, penerima mengesan oklusi dan menukarkannya menjadi isyarat elektronik, yang mencetuskan operasi beralih.

Untuk menubuhkan sensor, pemancar dan penerima perlu diselaraskan dengan tepat.Ini melibatkan menyesuaikan kedudukan dan sudut mereka supaya rasuk dari pemancar memukul penerima secara langsung.Pengendali mesti mempertimbangkan faktor -faktor alam sekitar seperti cahaya latar belakang dan potensi sumber gangguan untuk mengelakkan pencetus palsu.

Rajah 7: Sensor melalui rasuk

Sebagai contoh, di pintu masuk ke gudang besar, sensor melalui rasuk memantau untuk kemasukan yang tidak dibenarkan.Pemancar dan penerima diletakkan di kedua -dua belah pintu.Apabila seseorang atau objek melewati pintu, rasuk terganggu dan sistem mencetuskan penggera.

Salah satu kelebihan sensor melalui rasuk adalah keupayaan mereka untuk beroperasi dalam jarak jauh, menjadikannya sesuai untuk memantau kawasan yang besar.Pengesanan adalah berdasarkan gangguan rasuk, jadi sensor tidak sensitif terhadap saiz, warna, atau struktur permukaan objek.Walau bagaimanapun, objek mesti cukup besar untuk menutupi laluan optik sepenuhnya antara pemancar dan penerima.

Sensor melalui balok digunakan secara meluas dalam sistem automasi dan keselamatan perindustrian, terutamanya dalam persekitaran di mana pemantauan jarak jauh dan kebolehpercayaan yang tinggi diperlukan.Mereka sesuai untuk mengesan item pada talian pengeluaran dan menjejaki objek bergerak berkelajuan tinggi.Dengan memahami butir-butir operasi ini, pengendali dapat memastikan penggunaan sensor melalui rasuk yang cekap dan boleh dipercayai dalam pelbagai aplikasi.

Sensor refleksi meresap

Sensor pemantulan meresap menggabungkan pemancar dan penerima dalam satu peranti.Ia berfungsi dengan memancarkan cahaya dan menerima cahaya yang bertaburan dari objek yang diukur.Sensor ini amat berguna untuk mengesan objek dengan permukaan atau bentuk kompleks, seperti kain, kayu, atau logam berbentuk tidak teratur.

Pertama, tetapkan kepekaan sensor untuk memadankan sifat reflektif bahan dan warna yang berbeza.Pengendali perlu menyesuaikan peralatan berdasarkan pemantulan khusus objek.Ini memastikan bahawa cahaya yang dicerminkan cukup untuk penerima untuk menangkap, mengelakkan pembacaan palsu kerana cahaya yang terlalu kuat atau terlalu lemah.

Rajah 8: Sensor refleksi meresap

Sebagai contoh, dalam sistem pembungkusan automatik, sensor pemantulan meresap mengesan label pada kotak pembungkusan.Operator menyesuaikan sensor supaya mesin itu mengenal pasti setiap kotak, walaupun label mempunyai reflektif yang berbeza.Ini memerlukan kawalan yang tepat terhadap intensiti cahaya yang dipancarkan dan kepekaan penerima.

Sensor yang meresap dapat mengalami masalah disebabkan oleh penyebaran cahaya yang tidak sekata, terutama apabila cahaya yang dicerminkan dari belakang objek lebih tertumpu daripada cahaya yang dicerminkan dari depan.Untuk menyelesaikan masalah ini, sensor direka menggunakan teknologi pengesanan multi-titik untuk mengurangkan kesilapan.Pengendali mesti mempertimbangkan faktor -faktor ini dan secara eksperimen menentukan kepekaan dan sudut pelepasan yang optimum untuk memastikan pengesanan yang tepat dan boleh dipercayai.

Penyelenggaraan dan penentukuran yang kerap memastikan operasi stabil jangka panjang.Ini termasuk membersihkan lensa sensor untuk mengelakkan habuk dan kekotoran daripada mengganggu penghantaran cahaya.

Sumber cahaya yang berbeza untuk sensor optik

Sumber cahaya sangat penting untuk reka bentuk dan fungsi sensor optik.Sensor optik moden biasanya menggunakan sumber cahaya monokromatik, yang memberikan cahaya yang stabil, konsisten, membolehkan pengukuran ketepatan tinggi dan komunikasi optik.

Laser menghasilkan rasuk cahaya yang sangat koheren oleh atom -atom yang menarik dalam medium tertentu, seperti gas, kristal, atau kaca khas.Rasuk yang dihasilkan oleh laser sangat fokus dan boleh dihantar ke jarak jauh tanpa penyebaran yang ketara.Ini menjadikan mereka sesuai untuk aplikasi yang memerlukan kedudukan yang tepat dan komunikasi jarak jauh, seperti komunikasi serat optik dan peralatan pengukuran ketepatan.Dalam operasi, laser memerlukan pengurusan kuasa yang tepat dan kawalan alam sekitar untuk mengekalkan output yang stabil.Oleh kerana potensi bahaya laser intensiti tinggi, pengendali mesti memastikan pengurusan laser yang selamat.

LED (diod pemancar cahaya) dinilai untuk saiz kecil, kecekapan tinggi, dan kehidupan yang panjang.Mereka memancarkan cahaya dengan penggabungan elektron dan lubang dalam bahan semikonduktor (biasanya kawasan doped N- dan p-jenis).LED boleh meliputi pelbagai panjang gelombang dari inframerah ke ultraviolet.Cahaya LED yang tidak sepatutnya sesuai untuk pelbagai aplikasi pencahayaan dan petunjuk, seperti lampu isyarat dan sistem pencahayaan pintar.Menggunakan LED adalah agak mudah dan tidak memerlukan langkah -langkah keselamatan yang kompleks seperti laser.Walau bagaimanapun, memastikan konsistensi dan ketahanan sumber cahaya LED memerlukan kawalan semasa yang tepat.

Kedua -dua sumber cahaya mempunyai kelebihan dan kekurangan mereka.Pilihan bergantung kepada keperluan aplikasi tertentu.Laser biasanya digunakan dalam eksperimen optik ketepatan dan komunikasi optik berkelajuan tinggi, manakala LED lebih biasa digunakan dalam elektronik pengguna dan sistem penandaan.

Penunjuk Tahap Cecair Berdasarkan Sensor Optik

Penunjuk tahap cecair berdasarkan sensor optik adalah alat pengukuran ketepatan yang menggunakan prinsip pembiasan dan refleksi cahaya untuk mengesan perubahan dalam tahap cecair.Ia terdiri daripada tiga komponen utama: LED inframerah, phototransistor, dan hujung prisma telus.

Rajah 9: Sensor tahap optik

Apabila hujung prisma terdedah kepada udara, cahaya dari LED inframerah mengalami refleksi dalaman dalam prisma, mencerminkan kebanyakan cahaya kepada phototransistor.Dalam keadaan ini, transistor menerima lebih banyak cahaya dan mengeluarkan isyarat yang lebih tinggi.

Apabila hujung prisma direndam dalam cecair, perbezaan indeks biasan antara cecair dan udara menyebabkan cahaya melepaskan prisma.Ini menyebabkan kurang cahaya untuk mencapai phototransistor, dengan itu mengurangkan cahaya yang ia terima dan menurunkan isyarat output.

Langkah pemasangan dan debug:

Pastikan ia bersih: hujung prisma mestilah bersih dan bebas daripada pencemaran untuk mencegah pembacaan yang tidak tepat.Sebarang kotoran atau sisa akan menjejaskan refleksi cahaya.

Posisi Sensor: Sejajar dengan betul tip prisma sensor dengan pelbagai perubahan tahap cecair yang diharapkan.Laraskan kedudukan sensor supaya ia mengesan kenaikan dan kejatuhan tahap cecair dengan tepat.

Penunjuk tahap ini berkesan tanpa mengira warna atau kejelasan cecair.Ia berfungsi dengan pasti dalam pelbagai media cecair, termasuk cecair keruh atau berwarna.Sensor optik menyediakan kaedah bukan hubungan pengukuran tahap cecair, mengurangkan risiko memakai sensor dan pencemaran, dan dengan itu memanjangkan hayat peralatan.

Penggunaan sensor optik

Sensor optik digunakan dalam banyak bidang kerana kepekaan dan ketepatannya yang tinggi.Berikut adalah pengenalan kepada beberapa bidang aplikasi utama.

Komputer dan Peralatan Automasi Pejabat: Dalam komputer dan mesin fotokopi, sensor optik mengawal kedudukan kertas dan pergerakan.Sensor ini memastikan pendahuluan dan lekukan kertas yang betul semasa percetakan, mengurangkan kesesakan dan kesilapan.Mereka juga digunakan dalam lekapan pencahayaan automatik, seperti lampu sensor di lorong atau bilik persidangan, yang mengesan orang dan secara automatik menghidupkan dan mematikan, menjimatkan tenaga dan meningkatkan kemudahan.

Sistem keselamatan dan pengawasan: Dalam sistem keselamatan, sensor optik digunakan secara meluas untuk pengesanan pencerobohan.Mereka mengesan apabila tingkap atau pintu dibuka dan mencetuskan penggera.Dalam fotografi, sensor optik dalam penyegerakan kilat memastikan kebakaran kilat pada saat yang optimum untuk kesan pencahayaan yang optimum.

Aplikasi Bioperubatan: Dalam bidang perubatan, sensor optik memantau pernafasan dan kadar denyutan jantung pesakit.Dengan menganalisis perubahan dalam cahaya yang tercermin, mereka mengesan pergerakan dada kecil untuk memantau kadar pernafasan yang tidak invasif.Pemantau kadar jantung optik menggunakan LED untuk memancarkan cahaya melalui kulit dan mengesan jumlah yang diserap dan dicerminkan oleh darah untuk mengira kadar jantung.

Sensor cahaya ambien: Dalam telefon pintar dan tablet, sensor cahaya ambien secara automatik menyesuaikan kecerahan skrin untuk mengoptimumkan paparan berdasarkan keadaan cahaya sekitar dan menjimatkan tenaga bateri.Sensor ini memerlukan penentukuran yang tepat dan ciri -ciri tindak balas sensitif untuk menyesuaikan diri dengan keadaan cahaya ambien yang cepat berubah dan memberikan pengguna pengalaman visual yang selesa.

Kesimpulan

Aplikasi sensor optik dalam pelbagai bidang teknologi menunjukkan fungsi luas dan prestasi yang cekap.Dari sensor optik ke pelbagai sensor reflektif dan melalui beam, setiap jenis sensor optik mempunyai kelebihan yang unik dan dapat memenuhi keperluan pemeriksaan yang berbeza.Dalam automasi perindustrian, mereka menyediakan pengesanan dan kawalan ketepatan tinggi;Dalam elektronik pengguna, mereka meningkatkan kecerdasan peralatan;Dalam bioperubatan dan pemantauan alam sekitar, mereka memastikan ketepatan dan kebolehpercayaan data.Pada masa akan datang, dengan kemajuan berterusan dan inovasi teknologi, sensor optik akan memainkan peranan yang lebih penting dalam bidang yang lebih banyak muncul dan menggalakkan pembangunan pelbagai industri ke arah kecerdasan dan automasi.

Soalan Lazim [Soalan Lazim]

1. Adakah analog atau digital sensor optik?

Sensor optik boleh menjadi analog atau digital, bergantung kepada reka bentuk mereka dan jenis isyarat output.Sensor optik analog mengeluarkan isyarat voltan yang berbeza -beza yang berkadar dengan intensiti cahaya yang dikesan.Sensor optik digital output isyarat digital, seperti kod binari, yang biasanya ditukar daripada isyarat analog melalui penukar analog-ke-digital terbina dalam.

2. Apakah kelebihan sensor optik?

Kelebihan utama sensor optik termasuk:

Kepekaan dan ketepatan yang tinggi: dapat mengesan isyarat cahaya yang lemah dan perubahan objek halus.

Pengukuran bukan hubungan: Pengukuran boleh dijalankan tanpa hubungan atau gangguan dengan sasaran, sesuai untuk mengesan bahan rapuh atau berbahaya.

Waktu Respon Cepat: Dapat dengan cepat bertindak balas terhadap perubahan optik dalam persekitaran, sesuai untuk pengukuran dinamik.

Kesesuaian yang luas: Boleh bekerja dalam pelbagai keadaan persekitaran, termasuk persekitaran yang keras atau berbahaya.

3. Bagaimana untuk menguji sensor optik?

Menguji sensor optik biasanya melibatkan langkah -langkah berikut:

Sediakan persekitaran ujian: Pastikan keadaan cahaya ambien memenuhi spesifikasi operasi sensor.

Sambungkan peranti: Sambungkan sensor ke peranti bacaan, seperti multimeter atau komputer.

Penentukuran: Kalibrasi sensor mengikut arahan pengilang untuk memastikan ketepatan.

Sapukan Sumber Cahaya Ujian: Gunakan sumber cahaya kecerahan yang diketahui untuk menerangi sensor.

Baca dan Rakam Output: Catat output sensor dan periksa bahawa ia bertindak balas seperti yang dijangkakan perubahan dalam sumber cahaya.

4. Apakah perbezaan antara sensor optik dan sensor inframerah?

Perbezaan utama antara sensor optik dan inframerah adalah pelbagai panjang gelombang cahaya yang mereka dapati.Sensor optik umumnya merujuk kepada sensor yang mampu merasakan panjang gelombang dalam julat yang kelihatan.Sensor inframerah secara khusus mengesan panjang gelombang cahaya inframerah, yang tidak dapat dilihat oleh mata manusia.Sensor inframerah biasanya digunakan dalam kamera pengimejan haba, peralatan penglihatan malam, dan beberapa jenis peralatan komunikasi.

5. Adakah sensor optik pasif atau aktif?

Sensor optik boleh sama ada pasif atau aktif, bergantung kepada sama ada mereka memerlukan sumber cahaya luaran.

Sensor Optik Pasif: Tiada sumber cahaya tambahan diperlukan, mereka bekerja dengan mengesan cahaya dari alam sekitar, seperti cahaya matahari atau pencahayaan yang sedia ada.

Sensor optik aktif: Memerlukan sumber cahaya luaran untuk menerangi sasaran dan kemudian mengesan cahaya yang dicerminkan atau dihantar dari sasaran.