Optisten anturien ymmärtäminen: tyypit, periaatteet ja sovellukset
2024-05-24 9225

Optisella anturilla on avainasemassa nykyaikaisessa elektronisessa tekniikassa.Nämä anturit havaitsevat esineiden sijainnin, läsnäolon ja ominaisuudet säteilemällä ja vastaanottamalla kevyitä signaaleja, ja niitä käytetään laajasti aloilla, kuten teollisuusautomaatio, kulutuselektroniikka, biolääketiede ja ympäristön seuranta.Tässä artikkelissa tutkitaan optisten anturien eri tyyppejä, työperiaatteita ja käytännöllisiä sovelluksia auttaakseen lukijoita ymmärtämään täysin optisten anturien merkityksen ja soveltamispotentiaalin erilaisissa teknisissä skenaarioissa.Optisten anturien siltarakenteesta erityyppisten optisten anturien ainutlaatuisiin ominaisuuksiin tiettyihin esimerkkeihin reaalimaailman sovelluksissa, tämä artikkeli paljastaa optisten anturien monimuotoisuuden ja monimutkaisuuden.

Luettelo

Kuva 1: Optinen anturi

Mikä on optinen anturi?

Se Optinen anturi Suunnittelu perustuu Wheatstone Bridge -piiriin.Sähkötekniikassa Wheatstone -silta käyttää tunnettujen ja tuntemattomien vastusten yhdistelmää tuntemattoman vastuksen arvon määrittämiseksi vertaamalla jännitettä.Samoin kevyiden silta -anturit käyttävät siltarakennetta neljällä valodetektorilla säteen asennon muutosten havaitsemiseksi.

Ensinnäkin operaattori säätää ilmaisimien sijaintia varmistaakseen, että palkki osuu kaikkiin neljään ilmaisimeen tasaisesti.Kun säde taiputetaan, jokainen ilmaisin kaappaa erilaisen valon voimakkuuden.Sitten piiri käsittelee näitä signaaleja säteen tarkan sijainnin ja siirtymän määrittämiseksi.

Kuva 2: Optinen anturi

Esimerkiksi, jos palkki siirtyy oikealle, oikea ilmaisin vastaanottaa enemmän valoa ja vasen ilmaisin saa vähemmän valoa.Piirin signaaliprosessori tunnistaa ja laskee nopeasti tämän muutoksen tuottamalla tarkkoja sijaintitietoja.Prosessi on nopea ja erittäin tarkka, joten optiset anturit ovat tärkeitä automatisoiduissa laitteissa ja korkean tarkkuuden paikannusjärjestelmissä.

Optisen anturin työperiaate

Optiset anturit havaitsevat esineiden sijainnin tai läsnäolon lähettämällä valoa ja sieppaamalla näiden säteiden heijastuksia tai keskeytyksiä.Anturi käyttää valoa säteileviä diodeja (LED) säteilemiseen valonsäteen.Kun tämä säde kohtaa objektin, se voi heijastaa anturille tai esine estää.

Kuva 3: Optisen anturin toimintaperiaate

Automaattisella kokoonpanolinjalla käyttäjät säätävät anturien sijaintia ja herkkyyttä esineen ominaisuuksien, kuten materiaalin, koon ja odotetun sijainnin perusteella.Anturin kyky havaita esineitä on riippumaton materiaalista, olipa se sitten puu, metalli tai muovi, joten se on ihanteellinen monimuotoiseen tuotantoympäristöön.

Esimerkiksi kirkkaiden lasipullojen havaitseminen vaatii anturin säätämistä läpinäkyvien materiaalien tunnistamiseksi.Läpinäkyvät esineet eivät heijasta valoa tehokkaasti, joten anturi vaatii suuremman herkkyyden tai erityisen valonlähteen (kuten infrapuna).

Osana suunnittelua anturi arvioi heijastuneita tai keskeytettyjä valonsäteitä.Kun objekti estää palkin, anturi lähettää välittömästi signaalin ohjausjärjestelmälle, joka osoittaa objektin sijainnin tai kulun.Jos valo heijastuu, anturi käyttää heijastuksen voimakkuutta ja kulmaa esineen ominaisuuksien, kuten koon ja pintamateriaalin, määrittämiseen.

Optisten anturien tyypit

Optisia antureita on monen tyyppisiä, jokaisella on erityiset toimintaperiaatteet ja sovellukset.Seuraavassa on joitain yleisiä optisia anturityyppejä, joita käytetään reaalimaailman skenaarioissa.

Valojohtavat laitteet muuttavat materiaalien johtavuutta valon voimakkuuden perusteella.Kun valo iskee anturia, materiaalin elektronit absorboivat valoenergiaa ja hyppäävät johtamiskaistalle lisäämällä materiaalin johtavuutta.Valokonferenssilaitteita käytetään kevyiden intensiteetin havaitsemisjärjestelmissä, kuten automaattiset himmennyslamput.Operaattoreiden on harkittava ympäristön valonolosuhteita ja vasteaikoja tarkan hallinnan varmistamiseksi näiden laitteiden säätäessä.

Stourankennot (aurinkokennot) muuntaa valoenergiaa suoraan sähköenergiaksi fotoelektrisen vaikutuksen kautta puolijohdemateriaaleissa.Fotonit herättävät elektroneja valenssikaistalta johtamiskaistalle luomalla elektronireiän pareja ja tuottavat sähkövirtaa.Näitä akkuja käytetään laajasti energiantuotannossa ja etälaitteiden, kuten satelliittien ja ulkovalvontakameroiden, virranhoitoon.

Kuva 4: aurinkosähkökennot

Fotodiodit käyttävät valosähköistä vaikutusta valon muuntamiseen sähkövirtaan.Kun valo osuu aktivointialueelle, niiden sisäinen rakenne voi reagoida nopeasti ja tuottaa sähkövirran.Näitä antureita käytetään yleisesti kevyissä pulssin havaitsemisessa ja viestintälaitteissa, kuten kaukosäätimissä ja kuituoptisissa järjestelmissä.

Kuva 5: Fotodiodes

Fototransistorit ovat olennaisesti fotodiodeja, joilla on sisäinen vahvistus.Kun valo iskee pohjakeräimen liitosta, syntyy sisäisesti monistettu virta, joten se sopii heikkojen valon signaalien havaitsemiseen.Nämä anturit ovat erityisen hyödyllisiä sovelluksissa, jotka vaativat suurta herkkyyttä, kuten laboratorioiden optiset mittauslaitteet.

Kuva 6: Fototransistorit

Heijastava anturi

Heijastavat anturit yhdistävät lähettimen ja vastaanottimen yhdessä laitteessa, jolloin emittoitu säde voi heijastaa vastaanottimeen heijastavan pinnan tai esineen pinnan kautta.Kun esine siirtyy palkin polulle, se keskeyttää valon, laukaisee anturin.

Anturin asettamiseksi se on sijoitettava ja kallistettava oikein optimaalisen heijastuksen saavuttamiseksi.Operaattorin on säädettävä anturin sijaintia varmistaaksesi, että heijastava pinta on riittävän suuri ja oikein kohdistettu heijastamaan palkin tehokkaasti vastaanottimeen.

Esimerkiksi automatisoiduissa pakkauslinjoissa heijastavat anturit havaitsevat kuljetinhihnalla liikkuvan tuotteet.Operaattori asettaa anturin kuljetinhihnan toiselle puolelle ja toiselle puolelle sileä heijastin.Kun tuote kulkee ja estää palkin, anturi havaitsee keskeytyksen ja lähettää signaalin käynnistämään toimenpiteet, kuten kuljettimen pysäyttäminen tai tuotteen siirtäminen.

Yksi heijastavien anturien eduista on niiden kyky toimia pitkillä matkoja ja toleranssia moniin pintaominaisuuksiin.Niin kauan kuin tarpeeksi valo heijastuu, ne voivat havaita esineitä väristä tai pintarakenteesta riippumatta.Tämä monipuolisuus tekee heijastavat anturit, jotka ovat ihanteellisia teollisuusautomaatioon, robotin navigointiin ja esineiden luokittelutehtäviin.

Läpikäynnin anturi

Välien läpi anturi koostuu kahdesta pääkomponentista: lähettimestä ja vastaanottimesta, jotka on sijoitettu vastapäätä, yleensä etäisyydellä.Lähetin lähettää jatkuvasti valonsäteen vastaanottimelle.Kun objekti estää tämän säteen, vastaanotin havaitsee tukkeutumisen ja muuntaa sen elektroniseksi signaaliksi, joka laukaisee kytkentäoperaa.

Anturin asettamiseksi lähettimen ja vastaanottimen on oltava tarkasti kohdistettava.Tähän sisältyy niiden sijainnin ja kulman säätäminen siten, että lähettimen säde osuu suoraan vastaanottimeen.Operaattoreiden on harkittava ympäristötekijöitä, kuten taustavaloa ja mahdollisia häiriölähteitä väärän laukaisun välttämiseksi.

Kuva 7: Suorituksen anturi

Esimerkiksi suuren varaston sisäänkäynnillä varustettujen anturit seuraavat luvattomia sisäänpääsyä varten.Lähetin ja vastaanotin asetetaan oven molemmille puolille.Kun joku tai esine kulkee oven läpi, palkki keskeytyy ja järjestelmä laukaisee hälytyksen.

Yksi ylipalkkien anturien suurista eduista on niiden kyky toimia pitkillä matkoja, mikä tekee niistä ihanteellisia suurten alueiden seurantaan.Tunnistus perustuu säteen keskeytykseen, joten anturi ei ole herkkä esineen kokolle, värille tai pintarakenteelle.Kohteen on kuitenkin oltava riittävän suuri kattamaan kokonaan lähettimen ja vastaanottimen välinen optinen polku.

Välien antureita käytetään laajasti teollisuusautomaatio- ja turvajärjestelmissä, etenkin ympäristöissä, joissa tarvitaan pitkän matkan seurantaa ja korkeaa luotettavuutta.Ne ovat ihanteellisia tuotteiden havaitsemiseksi tuotantolinjoilla ja nopeiden liikkuvien esineiden seuraamiseen.Ymmärtämällä nämä operatiiviset yksityiskohdat operaattorit voivat varmistaa, että suoritettavien anturien tehokkaan ja luotettavan käytön useissa sovelluksissa.

Diffuusi heijastusanturi

Hajaettavuusanturit yhdistävät lähettimen ja vastaanottimen yhdessä laitteessa.Se toimii lähettämällä valoa ja vastaanottamalla valon, joka on hajallaan mitattavalta esineeltä.Anturi on erityisen hyödyllinen esineiden havaitsemiseksi monimutkaisten pintojen tai muotojen, kuten kankaan, puun tai epäsäännöllisesti muotoilun metallin havaitsemisessa.

Aseta ensin anturin herkkyys vastaamaan eri materiaalien ja värien heijastavia ominaisuuksia.Operaattoreiden on säädettävä laitteita esineen erityisen heijastavuuden perusteella.Tämä varmistaa, että heijastunut valo riittää vastaanottimen sieppaamiseen, välttäen vääriä lukemia liian voimakkaan tai liian heikon valon vuoksi.

Kuva 8: Diffuusi heijastusanturi

Esimerkiksi automatisoiduissa pakkausjärjestelmissä diffuusi heijastusanturit havaitsevat pakkauslaatikoiden etiketit.Käyttäjä säätää anturia siten, että kone tunnistaa tarkasti jokaisen laatikon, vaikka tarroilla olisi erilaisia ​​heijastumisia.Tämä edellyttää säteilyn valon voimakkuuden ja vastaanottimen herkkyyden tarkkaa hallintaa.

Haja -anturit voivat kokea epätasaisen valonsironnan aiheuttamat ongelmat, etenkin kun esineen takaosasta heijastunut valo on keskittyneempi kuin edestä heijastunut valo.Tämän ongelman ratkaisemiseksi anturi on suunniteltu käyttämällä monipisteen havaitsemistekniikkaa virheiden vähentämiseksi.Operaattoreiden on otettava huomioon nämä tekijät ja kokeellisesti määritettävä optimaalinen herkkyys ja päästökulma tarkan ja luotettavan havaitsemisen varmistamiseksi.

Säännöllinen ylläpito ja kalibrointi Varmistavat pitkäaikaisen vakaan toiminnan.Tähän sisältyy anturilinssin puhdistaminen pölyn ja epäpuhtauksien estämiseksi häiritsemästä valonsiirtoa.

Eri valonlähteet optisille antureille

Valonlähde on erittäin tärkeä optisten anturien suunnittelulle ja toiminnallisuudelle.Nykyaikaiset optiset anturit käyttävät tyypillisesti yksiväristä valonlähdettä, joka tarjoaa stabiilin, yhdenmukaisen valon, mahdollistaa korkean tarkkuuden mittaukset ja optisen viestintä.

Laserit tuottavat erittäin koherentteja valonsäteitä mielenkiintoisilla atomeilla tietyllä väliaineella, kuten kaasulla, kristallilla tai erityisellä lasilla.Laserin tuottama säde on hyvin keskittynyt ja se voidaan välittää pitkillä etäisyyksillä ilman merkittävää leviämistä.Tämä tekee niistä ihanteellisia sovelluksiin, jotka vaativat tarkkaa sijoittamista ja pitkän matkan viestinnän, kuten kuituoptisen viestinnän ja tarkkuuden mittauslaitteet.Toiminnassa laserit vaativat tarkkaa virranhallintaa ja ympäristönhallintaa vakaan tuotoksen ylläpitämiseksi.Korkean intensiteetin laserien mahdollisten vaarojen vuoksi operaattoreiden on varmistettava turvallinen laserhallinta.

LEDit (kevyet diodit) arvostetaan pienestä koosta, korkeasta hyötysuhteesta ja pitkästä käyttöityksestä.He säteilevät valoa elektronien ja reikien rekombointiin puolijohdemateriaalissa (yleensä N- ja P-tyypin seostetut alueet).LEDit voivat kattaa laajan valikoiman aallonpituuksia infrapunasta ultraviolettiin.LEDien epäjohdonmukainen valo sopii moniin valaistus- ja osoitussovelluksiin, kuten liikennevaloihin ja älykkäisiin valaistusjärjestelmiin.LEDien käyttöönotto on suhteellisen yksinkertaista eikä vaadi monimutkaisia ​​turvatoimenpiteitä, kuten lasereita.LED -valonlähteiden johdonmukaisuuden ja kestävyyden varmistaminen vaatii kuitenkin tarkan virranohjauksen.

Molemmilla valonlähteillä on etuja ja haittoja.Valinta riippuu erityisistä sovellusvaatimuksista.Lasereita käytetään yleisesti tarkkuusoptisissa kokeissa ja nopeassa optisessa viestinnässä, kun taas LED-levyjä käytetään yleisemmin kulutuselektroniikassa ja merkintäjärjestelmissä.

Optiseen anturiin perustuva nesteen tason indikaattori

Optiseen anturiin perustuva nestetason indikaattori on tarkkuusmittaustyökalu, joka käyttää taite- ja valon heijastusta nestetason muutosten havaitsemiseksi.Se koostuu kolmesta pääkomponentista: infrapuna LED, fototransistori ja läpinäkyvä prisman kärki.

Kuva 9: ​​Optisen tason anturi

Kun prisman kärki altistetaan ilmalle, infrapuna -LED: n valo läpikäy täydellisen sisäisen heijastuksen prisman sisällä heijastaen suurimman osan valosta fototransistorille.Tässä tilassa transistori vastaanottaa enemmän valoa ja tuottaa suuremman signaalin.

Kun prisman kärki upotetaan nesteeseen, nesteen ja ilman välinen taitekerroin ero aiheuttaa jonkin verran valoa paeta prismaa.Tämä aiheuttaa vähemmän valoa saavuttamaan fototransistorin, vähentäen siten sen vastaanottamansa valon ja vähentäen lähtösignaalia.

Asennus- ja virheenkorjausvaiheet:

Varmista, että se on puhdas: Prisman kärjen on oltava puhdas ja saastuttava epätarkkojen lukemien estämiseksi.Mikä tahansa lika tai jäännös vaikuttaa kevyeen heijastukseen.

Aseta anturi: Kohdista anturin prisman kärki oikein nesteen tason muutosten odotettavissa olevaan alueeseen.Säädä anturin sijainti siten, että se havaitsee tarkasti nestetason nousun ja laskun.

Tämä tason indikaattori on tehokas nesteen väristä tai selkeydestä riippumatta.Se toimii luotettavasti useissa nestemäisissä väliaineissa, mukaan lukien samea tai värilliset nesteet.Optiset anturit tarjoavat koskemattoman nesteen tason mittauksen menetelmän, vähentäen anturin kulumisen ja saastumisen riskiä ja pidentäen siten laitteiden käyttöikää.

Optisten anturien käyttö

Optisia antureita käytetään monilla aloilla niiden korkean herkkyyden ja tarkkuuden vuoksi.Alla on johdanto joihinkin keskeisiin sovellusalueisiin.

Tietokoneet ja toimistoautomaatiolaitteet: Tietokoneissa ja kopiokoneissa optiset anturit hallitsevat paperin sijaintia ja liikettä.Nämä anturit varmistavat oikean paperin etenemisen ja poistumisen tulostamisen aikana, vähentämällä hilloja ja virheitä.Niitä käytetään myös automatisoiduissa valaisimissa, kuten anturivaloissa käytävillä tai kokoushuoneissa, jotka havaitsevat ihmiset ja kytkevät valot automaattisesti päälle ja pois päältä, säästäen energiaa ja lisäävät mukavuutta.

Turva- ja valvontajärjestelmät: Turvajärjestelmissä optisia antureita käytetään laajasti tunkeutumisen havaitsemiseen.Ne havaitsevat, kun ikkuna tai ovi avataan ja laukaisevat hälytyksen.Valokuvassa flash -synkronointien optiset anturit varmistavat, että salama ampuu optimaaliseen valaistusvaikutukseen.

Biolääketieteelliset sovellukset: Lääketieteellisellä kentällä optiset anturit seuraavat potilaan hengitystä ja sykettä.Analysoimalla heijastuneen valon muutoksia, ne havaitsevat pienet rintaliikkeet ei-invasiivisesti hengitysnopeuden seuraamiseksi.Optiset sykemonitorit käyttävät LED -levyjä säteilemään valoa ihon läpi ja havaitsemaan veren absorboituneen ja heijastavan määrän sykkeen laskemiseksi.

Ympäristön valoanturi: Älypuhelimissa ja tabletteissa ympäröivän valon anturit säätävät näytön kirkkautta automaattisesti näytön optimoimiseksi ympäröivien valon olosuhteiden perusteella ja akun energian säästämiseksi.Nämä anturit vaativat tarkkoja kalibrointia ja herkkiä vasteominaisuuksia sopeutuakseen nopeasti muuttuviin ympäristön valoolosuhteisiin ja tarjoamaan käyttäjille mukavan visuaalisen kokemuksen.

Johtopäätös

Optisten anturien sovellukset eri teknologisilla aloilla osoittavat niiden laajan toiminnallisuuden ja tehokkaan suorituskyvyn.Optisista antureista erilaisiin heijastaviin ja läpikäyneisiin antureihin, jokaisella optisen anturin tyypillä on ainutlaatuisia etuja ja se voi vastata erilaisiin tarkastustarpeisiin.Teollisuusautomaatiossa ne tarjoavat tarkkaan havaitsemisen ja hallinnan;Kulutuselektroniikassa ne parantavat laitteiden älykkyyttä;Biolääketieteen ja ympäristön seurannassa ne varmistavat tietojen tarkkuuden ja luotettavuuden.Jatkuvasti tekniikan jatkuvan edistymisen ja innovaatioiden myötä optisilla antureilla on tärkeämpi rooli kehittyvillä aloilla ja edistää eri toimialojen kehitystä älykkyyden ja automaation suuntaan.

Usein kysyttyjä kysymyksiä [UKK]

1. Onko optinen anturi analoginen vai digitaalinen?

Optiset anturit voivat olla analogisia tai digitaalisia, niiden suunnittelusta ja lähtösignaalin tyypistä riippuen.Analogiset optiset anturit tulevat jatkuvasti vaihtelevan jännitesignaalin, joka on verrannollinen havaittuun valon voimakkuuteen.Digitaaliset optiset anturit tuottavat digitaalisia signaaleja, kuten binaarikoodit, jotka yleensä muunnetaan analogisista signaaleista sisäänrakennetun analogisen-digitaalisen muuntimen kautta.

2. Mitkä ovat optisen anturin edut?

Optisten anturien tärkeimpiin etuihin kuuluvat:

Korkea herkkyys ja tarkkuus: kykenevät havaitsemaan heikkojen valonsignaalit ja hienovaraiset esineiden muutokset.

Kontakti-mittaus: Mittaus voidaan suorittaa ilman kosketusta tai häiriöitä kohteen kanssa, joka soveltuu herkkien tai vaarallisten aineiden havaitsemiseen.

Nopea vasteaika: Pystyy reagoimaan nopeasti ympäristön optisiin muutoksiin, jotka sopivat dynaamisiin mittauksiin.

Laaja sopeutumiskyky: voi toimia monissa ympäristöolosuhteissa, mukaan lukien ankarat tai vaaralliset ympäristöt.

3. Kuinka testata optinen anturi?

Optisten anturien testaaminen sisältää tyypillisesti seuraavat vaiheet:

Valmista testiympäristö: Varmista, että ympäristön valoolosuhteet täyttävät anturin toimintavaatimukset.

Kytke laite: Kytke anturi lukulaitteeseen, kuten yleismittari tai tietokone.

Kalibrointi: Kalibroi anturi valmistajan ohjeiden mukaisesti tarkkuuden varmistamiseksi.

Levitä testivalolähde: Käytä tunnettujen kirkkauden kevyen lähteen valaisemiseen anturin valaisemiseen.

LUE ja Tallenna lähtö: Tallenna anturin lähtö ja tarkista, että se reagoi odotetusti valonlähteen muutoksiin.

4. Mitä eroa on optisen anturin ja infrapuna -anturin välillä?

Tärkein ero optisten ja infrapuna -anturien välillä on niiden havaitsemien valon aallonpituuksien alue.Optiset anturit viittaavat yleensä antureihin, jotka kykenevät tunnistamaan aallonpituudet näkyvällä alueella.Infrapuna -anturit havaitsevat erityisesti infrapunavalon aallonpituudet, jotka ovat ihmisen silmän näkymättömiä.Infrapuna -antureita käytetään yleisesti lämpökuvauskameroissa, yövisiolaitteissa ja tietyissä viestintälaitteissa.

5. Ovatko optiset anturit passiivisia vai aktiivisia?

Optiset anturit voivat olla joko passiivisia tai aktiivisia riippuen siitä, vaativatko ne ulkoista valonlähdettä.

Passiiviset optiset anturit: Ylimääräistä valonlähdettä ei vaadita, ne toimivat havaitsemalla ympäristöstä, kuten auringonvalo tai olemassa oleva valaistus.

Aktiiviset optiset anturit: Vaadi ulkoinen valonlähde kohteen valaisemiseksi ja havaitsemaan sitten valon heijastunut tai lähetetty kohteesta.