Optinių jutiklių supratimas: tipai, principai ir programos
2024-05-24 9214

Optiniai jutikliai vaidina pagrindinį vaidmenį šiuolaikinėje elektroninėje technologijoje.Šie jutikliai nustato objektų vietą, buvimą ir savybes skleidžiant ir gaunant šviesos signalus ir yra plačiai naudojami tokiose srityse kaip pramoninė automatizavimas, vartojimo elektronika, biomedicina ir aplinkos stebėjimas.Šis straipsnis įsigilins į įvairius optinių jutiklių tipus, darbo principus ir praktinius pritaikymus, kad skaitytojai galėtų visiškai suprasti optinių jutiklių svarbą ir taikymo potencialą įvairiuose techniniuose scenarijuose.Nuo optinių jutiklių tilto struktūros iki unikalių įvairių tipų optinių jutiklių savybių iki konkrečių pavyzdžių realaus pasaulio programose, šis straipsnis atskleis optinių jutiklių įvairovę ir sudėtingumą.

Katalogas

1 paveikslas: optinis jutiklis

Kas yra optinis jutiklis?

Optinis jutiklis Dizainas pagrįstas Wheatstone tilto grandine.Elektros inžinerijoje Wheatstone tiltas naudoja žinomų ir nežinomų rezistorių derinį, kad nustatytų nežinomo rezistoriaus vertę palygindamas įtampą.Panašiai šviesos tilto jutikliai naudoja tilto struktūrą su keturiais fotodetektoriais, kad aptiktų pluošto padėties pokyčius.

Pirmiausia operatorius koreguoja detektorių padėtį, kad užtikrintų, jog pluoštas tolygiai pataiko į visus keturis detektorius.Kai sija nukreipta, kiekvienas detektorius užfiksuoja skirtingą šviesos intensyvumą.Tada grandinė apdoroja šiuos signalus, kad nustatytų tikslią sijos padėtį ir poslinkį.

2 paveikslas: optinis jutiklis

Pvz., Jei sija juda į dešinę, dešinysis detektorius gauna daugiau šviesos, o kairysis detektorius gauna mažiau šviesos.Grandinės signalo procesorius greitai atpažįsta ir apskaičiuoja šį pakeitimą, pateikdamas tikslius padėties duomenis.Procesas yra greitas ir labai tikslus, todėl optiniai jutikliai yra svarbūs automatinėje įrangoje ir didelio tikslumo padėties nustatymo sistemose.

Optinio jutiklio darbo principas

Optiniai jutikliai nustato objektų vietą ar buvimą skleidžiant šviesą ir užfiksuodami šių spindulių atspindžius ar pertraukimus.Jutiklis naudoja šviesos diodus (šviesos diodus), kad skleistų šviesos spindulį.Kai šis pluoštas susiduria su objektu, jis gali atsispindėti jutikliui arba užblokuoti objektą.

3 paveikslas: Optinio jutiklio darbo principas

Automatinėje surinkimo linijoje operatoriai sureguliuoja jutiklių padėtį ir jautrumą pagal objekto charakteristikas, tokias kaip medžiaga, dydis ir numatoma vieta.Jutiklio gebėjimas aptikti objektus nepriklauso nuo medienos, metalo ar plastiko medžiagos, todėl ji yra ideali daugialypė medžiagos gamybos aplinka.

Pvz., Norint aptikti skaidraus stiklo butelius, reikia sureguliuoti jutiklį, kad būtų galima atpažinti skaidrias medžiagas.Skaidrūs objektai efektyviai neatspindi šviesos, todėl jutikliui reikalingas didesnis jautrumas arba specialus šviesos šaltinis (pvz., Infraraudonųjų spindulių).

Kaip savo dizaino dalis, jutiklis įvertina atspindėtas ar pertraukiamas šviesos sijas.Kai objektas blokuoja pluoštą, jutiklis iškart siunčia signalą į valdymo sistemą, nurodančią objekto vietą ar ištrauką.Jei šviesa atsispindi, jutiklis naudoja atspindžio intensyvumą ir kampą, kad nustatytų objekto charakteristikas, tokias kaip dydis ir paviršiaus medžiaga.

Optinių jutiklių tipai

Yra daugybė optinių jutiklių rūšių, kurių kiekvienas turi specifinius veiklos principus ir programas.Toliau pateikiami keli įprasti optinių jutiklių tipai, naudojami realaus pasaulio scenarijuose.

Fotokondukciniai įtaisai keičia medžiagų laidumą, pagrįstą šviesos intensyvumu.Kai šviesa atsitrenkia į jutiklį, medžiagos elektronai sugeria šviesos energiją ir pereina į laidumo juostą, padidindami medžiagos laidumą.Fotodektyvūs įtaisai naudojami šviesos intensyvumo aptikimo sistemose, tokiose kaip automatinės pritemdymo lempos.Operatoriai turi atsižvelgti į aplinkos apšvietimo sąlygas ir reagavimo laiką, kad būtų užtikrintas tikslus valdymas reguliuojant šiuos įrenginius.

Fotoelektrinės ląstelės (saulės elementai) šviesos energiją paverčia tiesiogiai į elektrinę energiją per fotoelektrinį efektą puslaidininkių medžiagose.Fotonai sužadina elektronus iš valentinės juostos į laidumo juostą, sukuriant elektronų skylės poras ir generuodami elektros srovę.Šios baterijos yra plačiai naudojamos energijos gamybai ir nuotoliniams prietaisams, tokiems kaip palydovai ir lauko stebėjimo kameros, maitinimo.

4 paveikslas: fotoelektrinės ląstelės

Fotodiodai naudoja fotoelektrinį efektą, kad paverstų šviesą į elektros srovę.Kai šviesa pasiekia aktyvacijos plotą, jų vidinė struktūra gali greitai reaguoti ir generuoti elektros srovę.Šie jutikliai dažniausiai naudojami šviesos impulsų aptikimo ir ryšių įrangoje, tokioje kaip nuotolinio valdymo pultas ir šviesolaidžio sistemos.

5 paveikslas: Fotodiodai

Fototransistoriai iš esmės yra fotodiodai, turintys vidaus padidėjimą.Kai šviesa smogia į bazinės kolektoriaus sankryžą, sukuriama vidinė padidinta srovė, todėl ji tinka aptikti silpnus šviesos signalus.Šie jutikliai yra ypač naudingi programose, kurioms reikalingas didelis jautrumas, pavyzdžiui, optinio matavimo įranga laboratorijose.

6 paveikslas: Fototransistoriai

Atspindintis jutiklis

Atspindintys jutikliai sujungia siųstuvą ir imtuvą viename įrenginyje, leisdami skleidžiamą pluoštą atspindėti imtuvui per atspindintį paviršių ar objekto paviršių.Kai objektas patenka į sijos kelią, jis nutraukia šviesą, suaktyvindamas jutiklį.

Norint nustatyti jutiklį, jį reikia išdėstyti ir tinkamai pakreipti, kad būtų galima optimaliai atspindėti.Operatorius turi sureguliuoti jutiklio padėtį, kad įsitikintų, jog atspindėtas paviršius yra pakankamai didelis ir tinkamai suderintas, kad efektyviai atspindėtų imtuvo spindulį.

Pavyzdžiui, automatinėse pakavimo linijose atspindintys jutikliai aptinka produktus, judančius ant konvejerio juostos.Operatorius deda jutiklį vienoje konvejerio juostos pusėje ir lygų atšvaitą iš kitos pusės.Kai produktas praeina pro ir blokuoja spindulį, jutiklis nustato pertraukimą ir siunčia signalą, kad suaktyvintų veiksmus, tokius kaip konvejerio sustabdymas ar produkto perkėlimas.

Vienas iš atspindinčių jutiklių pranašumų yra jų gebėjimas veikti dideliais atstumais ir tolerancija plačiam paviršiaus savybėms.Kol atsispindi pakankamai šviesos, jie gali aptikti objektus, nepaisant spalvų ar paviršiaus tekstūros.Šis universalumas daro atspindinčius jutiklius, idealius pramoninei automatizavimui, robotų navigacijai ir elementų klasifikavimo užduotis.

Per spindulio jutiklį

Plokštės jutiklį sudaro du pagrindiniai komponentai: siųstuvas ir imtuvas, pastatytas priešais vienas kitą, paprastai per atstumą.Siųstuvas nuolat siunčia šviesos spindulį imtuvui.Kai objektas blokuoja šį pluoštą, imtuvas nustato okliuziją ir paverčia jį elektroniniu signalu, kuris suaktyvina perjungimo operaciją.

Norėdami nustatyti jutiklį, siųstuvas ir imtuvas turi būti tiksliai suderinti.Tai apima jų padėties ir kampo koregavimą taip, kad sija iš siųstuvo atsitrenktų į imtuvą tiesiogiai.Operatoriai turi apsvarstyti aplinkos veiksnius, tokius kaip foninė šviesa ir galimi trukdžių šaltiniai, kad išvengtų klaidingo suaktyvinimo.

7 paveikslas: per spindulio jutiklis

Pvz., Prie įėjimo į didelį sandėlį, per spindulio jutiklius stebi neteisėtą įėjimą.Siųstuvas ir imtuvas dedami ant abiejų durų pusių.Kai kas nors ar objektas praeina pro duris, sija nutraukiama ir sistema sukelia aliarmą.

Vienas iš didžiausių perpakelių jutiklių pranašumų yra jų sugebėjimas veikti dideliais atstumais, todėl jie yra idealūs stebėti didelius plotus.Aptikimas pagrįstas sijos pertraukimu, todėl jutiklis nėra jautrus objekto dydžiui, spalvai ar paviršiaus struktūrai.Tačiau objektas turi būti pakankamai didelis, kad būtų galima visiškai uždengti optinį kelią tarp siųstuvo ir imtuvo.

Per spindulio jutikliai yra plačiai naudojami pramonės automatizavimo ir apsaugos sistemose, ypač aplinkose, kuriose reikalingas tolimojo nuotolio stebėjimas ir didelis patikimumas.Jie idealiai tinka aptikti daiktus ant gamybos linijų ir stebėti greitaeigius judančius objektus.Supratę šias veiklos detales, operatoriai gali užtikrinti veiksmingą ir patikimą perpakinio jutiklių naudojimą įvairiose programose.

Difuzinis atspindžio jutiklis

Difuziniai atspindžio jutikliai sujungia siųstuvą ir imtuvą viename įrenginyje.Jis veikia skleidžiant šviesą ir gaudamas šviesą, išsibarsčiusi nuo matuojamo objekto.Jutiklis yra ypač naudingas nustatant objektus su sudėtingais paviršiais ar formomis, tokiomis kaip audinys, mediena ar netaisyklingos formos metalas.

Pirmiausia nustatykite jutiklio jautrumą, kad jis atitiktų skirtingų medžiagų ir spalvų atspindinčias savybes.Operatoriai turi koreguoti įrangą pagal konkretų objekto atspindį.Tai užtikrina, kad atspindėta šviesa yra pakankama imtuvui užfiksuoti, išvengiant melagingų rodmenų dėl per stiprios ar per silpnos šviesos.

8 paveikslas: difuzinis atspindžio jutiklis

Pavyzdžiui, automatinėse pakuočių sistemose difuziniai atspindžio jutikliai aptinka etiketes ant pakuočių dėžučių.Operatorius sureguliuoja jutiklį taip, kad mašina tiksliai identifikuotų kiekvieną langelį, net jei etiketės turi skirtingą atspindį.Tam reikia tiksliai valdyti skleidžiamos šviesos intensyvumą ir imtuvo jautrumą.

Difuziniai jutikliai gali patirti problemas dėl netolygaus šviesos išsibarstymo, ypač kai iš objekto užpakalinės šviesos atspindi šviesa yra labiau koncentruota nei šviesa, atspindėta iš priekio.Norint išspręsti šią problemą, jutiklis yra suprojektuotas naudojant kelių taškų aptikimo technologiją, kad būtų sumažintas klaidas.Operatoriai turi atsižvelgti į šiuos veiksnius ir eksperimentiškai nustatyti optimalų jautrumo ir emisijos kampą, kad užtikrintų tikslų ir patikimą aptikimą.

Reguliarus techninė priežiūra ir kalibravimas užtikrina ilgalaikį stabilų veikimą.Tai apima jutiklio objektyvo valymą, kad būtų išvengta dulkių ir priemaišų, nesikiša į šviesos perdavimą.

Skirtingi optinių jutiklių šviesos šaltiniai

Šviesos šaltinis yra labai svarbus optinių jutiklių projektavimui ir funkcionalumui.Šiuolaikiniai optiniai jutikliai paprastai naudoja monochromatinį šviesos šaltinį, kuris suteikia stabilią, pastovią šviesą, įgalinančią didelio tikslumo matavimus ir optinius ryšius.

Lazeriai sukuria labai darnius šviesos pluoštus, susijusius su jaudinančiais atomais konkrečioje terpėje, tokiose kaip dujos, kristalas ar speciali stiklo.Lazerio susidaręs pluoštas yra labai sutelktas ir gali būti perduodamas dideliais atstumais be reikšmingo plitimo.Tai daro juos idealiais programoms, reikalaujančioms tikslios padėties nustatymo ir tolimojo ryšio ryšių, tokių kaip šviesolaidinio ryšio ir tikslios matavimo įranga.Veikiant lazeriams reikia tikslaus energijos valdymo ir aplinkos kontrolės, kad būtų išlaikytas stabilus rezultatas.Dėl galimo didelio intensyvumo lazerių pavojaus operatoriai turi užtikrinti saugų lazerio valdymą.

Šviesos diodai (šviesos diodai) yra vertinami už jų mažą dydį, didelį efektyvumą ir ilgą laiką.Jie skleidžia šviesą, rekombinuodami elektronus ir skylutes puslaidininkinėje medžiagoje (paprastai N- ir P tipo dopedo srityse).Šviesos diodai gali apimti platų bangos ilgio asortimentą nuo infraraudonųjų spindulių iki ultravioletinių spindulių.Nenuoseklus šviesos diodų šviesa yra tinkama įvairiems apšvietimo ir indikacijų programoms, tokioms kaip šviesoforai ir išmaniosios apšvietimo sistemos.LEDS dislokavimas yra gana paprastas ir nereikalauja sudėtingų saugos priemonių, tokių kaip lazeriai.Tačiau norint užtikrinti LED šviesos šaltinių nuoseklumą ir ilgaamžiškumą, reikia tiksliai valdyti dabartinę valdymą.

Abu šviesos šaltiniai turi savo pranašumų ir trūkumų.Pasirinkimas priklauso nuo konkrečių paraiškos reikalavimų.Lazeriai dažniausiai naudojami tikslūs optiniai eksperimentai ir greitaeigiai optiniai ryšiai, o šviesos diodai dažniau naudojami vartojimo elektronikos ir žymėjimo sistemose.

Skysčio lygio indikatorius, pagrįstas optiniu jutikliu

Skysčio lygio indikatorius, pagrįstas optiniu jutikliu, yra tikslus matavimo įrankis, kuris naudoja refrakcijos ir šviesos atspindžio principus, kad aptiktų skysčio lygio pokyčius.Jį sudaro trys pagrindiniai komponentai: infraraudonųjų spindulių šviesos diodas, fototransistorius ir skaidrus prizmės patarimas.

9 paveikslas: optinio lygio jutiklis

Kai prizmės antgalis yra veikiamas oro, infraraudonųjų spindulių šviesos šviesa yra visiškai vidinis prizmės atspindys, atspindėdama didžiąją dalį šviesos fototransistoriui.Šioje būsenoje tranzistorius gauna daugiau šviesos ir išveda aukštesnį signalą.

Kai prizmės antgalis yra panardinamas į skystį, skysčio ir oro lūžio rodiklio skirtumas sukelia tam tikrą šviesą išvengti prizmės.Dėl šios priežasties fototransistorius pasiekia mažiau šviesos, taip sumažinant gaunamą šviesą ir sumažinant išėjimo signalą.

Diegimo ir derinimo veiksmai:

Įsitikinkite, kad jis yra švarus: prizmės patarimas turi būti švarus ir be užteršimo, kad būtų išvengta netikslių rodmenų.Bet koks purvas ar likučiai paveiks šviesos atspindį.

Padėkite jutiklį: teisingai suderinkite jutiklio prizmės galiuką su numatomu skysčio lygio pokyčių diapazonu.Sureguliuokite jutiklio padėtį taip, kad jis tiksliai nustatytų skysčio lygio kilimą ir kritimą.

Šis lygio rodiklis yra efektyvus, neatsižvelgiant į skysčio spalvą ar aiškumą.Jis patikimai veikia įvairiose skystose laikmenose, įskaitant drumstus ar spalvotus skysčius.Optiniai jutikliai pateikia nekontaktinį skysčio lygio matavimo metodą, sumažina jutiklio susidėvėjimo ir užteršimo riziką ir taip pratęsdami įrangos tarnavimo laiką.

Optinių jutiklių taikymas

Dėl didelio jautrumo ir tikslumo daugelyje laukų naudojami optiniai jutikliai.Žemiau yra kai kurių pagrindinių programų sričių įvadas.

Kompiuterių ir biurų automatizavimo įranga: Kompiuteriuose ir kopijuokliuose optiniai jutikliai kontroliuoja popieriaus padėtį ir judėjimą.Šie jutikliai užtikrina teisingą popieriaus pažangą ir išstūmimą spausdinant, mažinant uogienes ir klaidas.Jie taip pat naudojami automatiniuose apšvietimo įrenginiuose, tokiuose kaip jutiklių žibintai prieškambariuose ar konferencijų salėse, kurie nustato žmones ir automatiškai įjungia ir išjungia šviesas, taupydami energiją ir didėjantį patogumą.

Saugumo ir stebėjimo sistemos: Apsaugos sistemose optiniai jutikliai yra plačiai naudojami įsibrovimui aptikti.Jie nustato, kai atidaromi langai ar durys, ir suaktyvina aliarmą.Fotografuojant, „Flash“ sinchronizatorių optiniai jutikliai užtikrina, kad blykstė šauna optimaliu momentu optimaliam apšvietimo efektui.

Biomedicinos pritaikymai: Medicinos srityje optiniai jutikliai stebi paciento kvėpavimą ir širdies ritmą.Išanalizavę atspindėtos šviesos pokyčius, jie nustato mažus krūtinės judesius, kad neinvaziškai stebėtų kvėpavimo dažnį.Optinio širdies ritmo monitoriai naudoja šviesos diodus, kad skleistų šviesą per odą, ir aptinka kraujo absorbuotą ir atspindėtą kiekį, kad būtų galima apskaičiuoti širdies ritmą.

Aplinkos šviesos jutiklis: išmaniuosiuose telefonuose ir planšetiniuose kompiuteriuose aplinkos šviesos jutikliai automatiškai sureguliuoja ekrano ryškumą, kad būtų optimizuotas ekranas, atsižvelgiant į aplinkines šviesos sąlygas ir taupo akumuliatoriaus energiją.Šie jutikliai reikalauja tikslaus kalibravimo ir jautrių atsako charakteristikų, kad būtų galima prisitaikyti prie greitai besikeičiančių aplinkos šviesos sąlygų ir suteikti vartotojams patogią vaizdinę patirtį.

Išvada

Optinių jutiklių pritaikymas įvairiose technologinėse srityse rodo jų plačią funkcionalumą ir efektyvų našumą.Nuo optinių jutiklių iki įvairių atspindinčių ir per spinduliuočių jutiklių kiekvienas optinio jutiklio tipas turi unikalių pranašumų ir gali patenkinti skirtingus tikrinimo poreikius.Pramoninėje automatizavime jie teikia didelio tikslumo aptikimą ir valdymą;Vartojimo elektronikoje jie pagerina įrangos intelektą;Biomedicinos ir aplinkos stebėjimo metu jie užtikrina duomenų tikslumą ir patikimumą.Ateityje, nuolat tobulinant ir inovacijas technologijomis, optiniai jutikliai vaidins svarbesnį vaidmenį labiau kylančiose laukuose ir skatins įvairių pramonės šakų plėtrą intelekto ir automatizavimo kryptimi.

Dažnai užduodami klausimai [DUK]

1. Ar optinio jutiklio analogas ar skaitmeninis?

Optiniai jutikliai gali būti analoginiai arba skaitmeniniai, atsižvelgiant į jų dizainą ir išėjimo signalo tipą.Analoginiai optiniai jutikliai išveda nuolat kintantį įtampos signalą, proporcingą aptiktam šviesos intensyvumui.Skaitmeniniai optiniai jutikliai išveda skaitmeninius signalus, tokius kaip dvejetainiai kodai, kurie paprastai konvertuojami iš analoginių signalų per įmontuotą analoginį-skaitmeninį keitiklį.

2. Kokie yra optinio jutiklio pranašumai?

Pagrindiniai optinių jutiklių pranašumai apima:

Didelis jautrumas ir tikslumas: sugebėjimas aptikti silpnus šviesos signalus ir subtilius objektų pokyčius.

Nekontaktinis matavimas: Matavimą galima atlikti be kontakto ar kišimosi į taikinį, tinkamą aptikti trapias ar pavojingas medžiagas.

Greito reagavimo laikas: sugebėjimas greitai reaguoti į optinius aplinkos pokyčius, tinkamus dinaminiams matavimams.

Platus pritaikomumas: gali veikti įvairiomis aplinkos sąlygomis, įskaitant atšiaurią ar pavojingą aplinką.

3. Kaip išbandyti optinį jutiklį?

Optinių jutiklių bandymas paprastai apima šiuos veiksmus:

Paruoškite bandymo aplinką: Užtikrinkite, kad aplinkos šviesos sąlygos atitiktų jutiklio eksploatavimo specifikacijas.

Prijunkite įrenginį: prijunkite jutiklį prie skaitymo įrenginio, tokio kaip multimetras ar kompiuteris.

Kalibravimas: Kalibruokite jutiklį pagal gamintojo instrukcijas, kad būtų užtikrintas tikslumas.

Taikykite bandomąjį šviesos šaltinį: Norėdami apšviesti jutiklį, naudokite žinomo ryškumo šviesos šaltinį.

Perskaitykite ir įrašykite išvestį: Įrašykite jutiklio išvestį ir patikrinkite, ar jis reaguoja taip, kaip tikimasi, kad pokyčiai būtų pokyčiai šviesos šaltinyje.

4. Kuo skiriasi optinis jutiklis ir infraraudonųjų spindulių jutiklis?

Pagrindinis skirtumas tarp optinių ir infraraudonųjų spindulių jutiklių yra šviesos bangos ilgių diapazonas, kurį jie aptinka.Optiniai jutikliai paprastai nurodo jutiklius, galinčius jausti bangos ilgį matomame diapazone.Infraraudonųjų spindulių jutikliai konkrečiai aptinka infraraudonųjų spindulių bangos ilgį, kurie yra nematomi žmogaus akiai.Infraraudonųjų spindulių jutikliai dažniausiai naudojami šiluminių vaizdo kamerose, naktinio matymo įrangoje ir kai kuriose ryšių įrangos tipuose.

5. Ar optiniai jutikliai yra pasyvūs ar aktyvūs?

Optiniai jutikliai gali būti pasyvūs arba aktyvūs, atsižvelgiant į tai, ar jiems reikia išorinio šviesos šaltinio.

Pasyvūs optiniai jutikliai: nereikia jokio papildomo šviesos šaltinio, jie veikia aptikdami aplinką, pavyzdžiui, saulės šviesą ar esamą apšvietimą.

Aktyvūs optiniai jutikliai: Norėdami apšviesti taikinį, reikalingas išorinis šviesos šaltinis ir aptikti šviesą, atspindėtą arba perduodamą iš taikinio.