Comprensió dels sensors òptics: tipus, principis i aplicacions
2024-05-24 9213

Els sensors òptics tenen un paper clau en la tecnologia electrònica moderna.Aquests sensors detecten la ubicació, la presència i les característiques dels objectes emetent i rebent senyals de llum i s’utilitzen àmpliament en camps com l’automatització industrial, l’electrònica de consum, la biomedicina i el control ambiental.Aquest article aprofundirà en els diferents tipus, principis de treball i aplicacions pràctiques de sensors òptics per ajudar els lectors a comprendre plenament la importància i el potencial d'aplicació dels sensors òptics en diversos escenaris tècnics.Des de l’estructura del pont dels sensors òptics fins a les característiques úniques de diferents tipus de sensors òptics, fins a exemples específics en aplicacions del món real, aquest article revelarà la diversitat i la complexitat dels sensors òptics.

Catàleg

Figura 1: Sensor òptic

Què és un sensor òptic?

El Sensor òptic El disseny es basa en el circuit del pont de Wheatstone.En enginyeria elèctrica, un pont de pedra de blat utilitza una combinació de resistències conegudes i desconegudes per determinar el valor de la resistència desconeguda comparant la tensió.Així mateix, els sensors del pont lleuger utilitzen una estructura del pont amb quatre fotodetectors per detectar canvis en la posició del feix.

En primer lloc, l'operador ajusta la posició dels detectors per assegurar -se que el feix arriba als quatre detectors de manera uniforme.Quan el feix es desvia, cada detector capta una intensitat de llum diferent.A continuació, el circuit processa aquests senyals per determinar la posició exacta i la compensació del feix.

Figura 2: Sensor òptic

Per exemple, si el feix es mou a la dreta, el detector dret rep més llum i el detector esquerre rep menys llum.El processador de senyal del circuit reconeix i calcula ràpidament aquest canvi, i produeix dades de posició precises.El procés és ràpid i altament precís, cosa que fa que els sensors òptics siguin importants en equips automatitzats i sistemes de posicionament d’alta precisió.

Principi de treball del sensor òptic

Els sensors òptics detecten la ubicació o la presència d’objectes emetent reflexions o interrupcions de llum i captura d’aquests raigs.El sensor utilitza díodes que emeten llum (LEDs) per emetre un feix de llum.Quan aquest feix es troba amb un objecte, es pot reflectir al sensor o bloquejat per l'objecte.

Figura 3: Principi de funcionament del sensor òptic

En una línia de muntatge automatitzada, els operadors ajusten la posició i la sensibilitat dels sensors en funció de les característiques de l’objecte, com ara material, mida i ubicació esperada.La capacitat del sensor per detectar objectes és independent del material, ja sigui de fusta, metall o plàstic, que la fa ideal per a entorns de producció multimaterials.

Per exemple, detectar ampolles de vidre clar requereix ajustar el sensor per reconèixer materials transparents.Els objectes transparents no reflecteixen la llum de manera eficient, de manera que el sensor requereix una sensibilitat més alta o una font de llum especial (com ara infrarojos).

Com a part del seu disseny, el sensor avalua els feixos de llum reflectits o interromputs.Quan un objecte bloqueja el feix, el sensor envia immediatament un senyal al sistema de control que indica la ubicació o el pas de l'objecte.Si la llum es reflecteix, el sensor utilitza la intensitat i l’angle de la reflexió per determinar les característiques de l’objecte, com ara la mida i el material de superfície.

Tipus de sensors òptics

Hi ha molts tipus de sensors òptics, cadascun amb principis i aplicacions de funcionament específics.A continuació, es mostren alguns tipus de sensors òptics comuns que s’utilitzen en escenaris del món real.

Els dispositius fotoconductors canvien la conductivitat dels materials basat en la intensitat de la llum.Quan la llum colpeja el sensor, els electrons del material absorbeixen l’energia lleugera i salten a la banda de conducció, augmentant la conductivitat del material.Els dispositius fotoconductors s’utilitzen en sistemes de detecció d’intensitat de la llum, com ara làmpades d’aturada automàtica.Els operadors han de considerar les condicions de llum i els temps de resposta ambientals per assegurar un control precís en ajustar aquests dispositius.

Les cèl·lules fotovoltaiques (cèl·lules solars) converteixen l’energia de la llum directament en energia elèctrica mitjançant l’efecte fotoelèctric en materials semiconductors.Els fotons exciten els electrons de la banda de valència a la banda de conducció, creant parells de forats d’electrons i generant corrent elèctric.Aquestes bateries s’utilitzen àmpliament per a la producció d’energia i alimentar dispositius remots com satèl·lits i càmeres de vigilància a l’aire lliure.

Figura 4: cèl·lules fotovoltaiques

Els fotodíodes utilitzen l'efecte fotoelèctric per convertir la llum en corrent elèctric.Quan la llum arriba a la zona d’activació, la seva estructura interna pot respondre ràpidament i generar un corrent elèctric.Aquests sensors s’utilitzen habitualment en equips de detecció de pols de llum i de comunicació com ara controls remots i sistemes de fibra òptica.

Figura 5: Photodiodes

Els fototransistors són essencialment fotodíodes amb guany intern.Quan la llum colpeja la unió del col·lector de bases, es genera un corrent amplificat intern, cosa que el fa adequat per detectar senyals de llum febles.Aquests sensors són especialment útils en aplicacions que requereixen una alta sensibilitat, com ara equips de mesura òptica als laboratoris.

Figura 6: Fototransistors

Sensor reflectant

Els sensors reflectants combinen un transmissor i un receptor en un sol dispositiu, permetent reflectir el feix emès al receptor a través d’una superfície reflectant o superfície d’objecte.Quan un objecte entra al camí del feix, interromp la llum, provocant el sensor.

Per configurar el sensor, cal situar -se i inclinar -se correctament per a un reflex òptim.L’operador ha d’ajustar la posició del sensor per assegurar -se que la superfície reflectant és prou gran i alineada correctament per reflectir eficaçment el feix al receptor.

Per exemple, a les línies d’embalatge automatitzades, els sensors reflectants detecten productes que es mouen en una cinta transportadora.L’operador col·loca el sensor a un costat de la cinta transportadora i el reflector suau a l’altra banda.Quan un producte passa i bloqueja el feix, el sensor detecta la interrupció i envia un senyal per desencadenar accions com aturar el transportador o transferir el producte.

Un dels avantatges dels sensors reflectants és la seva capacitat per operar a llargues distàncies i la seva tolerància a una àmplia gamma de propietats superficials.Sempre que es reflecteixi la llum suficient, poden detectar objectes independentment de la textura del color o de la superfície.Aquesta versatilitat fa que els sensors reflexius siguin ideals per a les tasques de l’automatització industrial, la navegació per robot i la classificació d’elements.

Sensor a través de feixos

Un sensor de feix a través consisteix en dos components principals: un transmissor i un receptor, col·locats enfront de l’altre, normalment a distància.El transmissor envia contínuament un feix de llum al receptor.Quan un objecte bloqueja aquest feix, un receptor detecta l'occlusió i el converteix en un senyal electrònic, que desencadena una operació de commutació.

Per configurar el sensor, el transmissor i el receptor han d’estar alineats amb precisió.Es tracta d’ajustar la seva posició i l’angle de manera que el feix del transmissor arribi directament al receptor.Els operadors han de considerar factors ambientals com la llum de fons i les fonts potencials d’interferència per evitar falsos desencadenants.

Figura 7: Sensor de feix

Per exemple, a l’entrada d’un gran magatzem, els sensors a través de la bossa controlen l’entrada no autoritzada.El transmissor i el receptor es col·loquen a banda i banda de la porta.Quan algú o un objecte passa per la porta, el feix s’interromp i el sistema desencadena una alarma.

Un dels grans avantatges dels sensors a través de feixos és la seva capacitat per operar a llargues distàncies, cosa que els fa ideals per controlar grans àrees.La detecció es basa en la interrupció del feix, de manera que el sensor no és sensible a la mida, el color o l'estructura superficial de l'objecte.Tanmateix, l'objecte ha de ser prou gran per cobrir completament la ruta òptica entre el transmissor i el receptor.

Els sensors de feixos s’utilitzen àmpliament en sistemes d’automatització i seguretat industrials, especialment en entorns on es requereix un control de llarga distància i una alta fiabilitat.Són ideals per detectar articles a les línies de producció i fer el seguiment d’objectes en moviment d’alta velocitat.En comprendre aquests detalls operatius, els operadors poden assegurar un ús eficient i fiable de sensors a través de feixos en diverses aplicacions.

Sensor de reflexió difusa

Els sensors de reflectància difús combinen el transmissor i el receptor en un dispositiu.Funciona emetent llum i rebent llum dispersa de l’objecte que es mesura.El sensor és particularment útil per detectar objectes amb superfícies o formes complexes, com ara teixit, fusta o metall de forma irregular.

Primer, configureu la sensibilitat del sensor per coincidir amb les propietats reflectants de diferents materials i colors.Els operadors han d’ajustar l’equip en funció de la reflectivitat específica de l’objecte.D’aquesta manera es garanteix que la llum reflectida sigui suficient perquè el receptor capturi, evitant falses lectures a causa d’una llum massa forta o massa feble.

Figura 8: Sensor de reflexió difusa

Per exemple, en sistemes d’embalatge automatitzats, els sensors de reflectància difusos detecten etiquetes a les caixes d’envasos.L’operador ajusta el sensor de manera que la màquina identifiqui amb precisió cada caixa, fins i tot si les etiquetes tenen reflectivitats diferents.Això requereix un control precís de la intensitat de la llum emesa i la sensibilitat del receptor.

Els sensors difusos poden experimentar problemes a causa de la dispersió de llum desigual, sobretot quan la llum reflectida des de la part posterior d’un objecte està més concentrada que la llum reflectida des de la part frontal.Per solucionar aquest problema, el sensor està dissenyat mitjançant la tecnologia de detecció de diversos punts per reduir els errors.Els operadors han de considerar aquests factors i experimentalment determinar la sensibilitat òptima i l’angle d’emissió per assegurar una detecció precisa i fiable.

Manteniment i calibració regular asseguren un funcionament estable a llarg termini.Inclou la neteja de la lent del sensor per evitar que la pols i les impureses interfereixin amb la transmissió de la llum.

Diferents fonts de llum per a sensors òptics

La font de llum és molt important per al disseny i la funcionalitat dels sensors òptics.Els sensors òptics moderns utilitzen normalment una font de llum monocromàtica, que proporciona llum estable i consistent, que permet mesures d’alta precisió i comunicacions òptiques.

Els làsers produeixen feixos de llum altament coherents per àtoms emocionants en un medi específic, com ara un gas, un cristall o un got especial.El feix produït pel làser està molt enfocat i es pot transmetre a llargues distàncies sense propagació significativa.Això els fa ideals per a aplicacions que requereixen un posicionament precís i comunicacions de llarga distància, com ara comunicacions de fibra òptica i equips de mesura de precisió.En funcionament, els làsers requereixen una gestió de potència precisa i un control ambiental per mantenir la producció estable.A causa dels possibles perills dels làsers d’alta intensitat, els operadors han d’assegurar una gestió segura de làser.

Els LED (díodes emissors de llum) es valoren per la seva petita mida, alta eficiència i llarga vida.Emeten llum per la recombinació d’electrons i forats en un material semiconductor (normalment regions dopades tipus N i P).Els LED poden cobrir una àmplia gamma de longituds d’ona des d’infrarojos fins a ultraviolats.La llum incoherent dels LED és adequada per a una varietat d’aplicacions d’il·luminació i indicació, com ara semàfors i sistemes d’il·luminació intel·ligent.El desplegament de LED és relativament senzill i no requereix mesures de seguretat complexes com els làsers.No obstant això, assegurar la consistència i la durabilitat de les fonts de llum LED requereix un control de corrent precís.

Les dues fonts de llum tenen els seus avantatges i desavantatges.L’elecció depèn dels requisits específics d’aplicació.Els làsers s’utilitzen habitualment en experiments òptics de precisió i comunicacions òptiques d’alta velocitat, mentre que els LED s’utilitzen amb més freqüència en els sistemes d’electrònica i marcatge de consum.

Indicador de nivell de líquid basat en el sensor òptic

Un indicador de nivell de líquid basat en un sensor òptic és una eina de mesura de precisió que utilitza els principis de refracció i reflex de la llum per detectar canvis en el nivell de líquid.Consta de tres components principals: un LED infraroig, un fototransistor i una punta de prisma transparent.

Figura 9: Sensor de nivell òptic

Quan la punta del prisma s’exposa a l’aire, la llum del LED infraroig experimenta una reflexió interna total dins del prisma, reflectint la major part de la llum al fototransistor.En aquest estat, el transistor rep més llum i produeix un senyal més alt.

Quan la punta del prisma està immersa en un líquid, la diferència en l’índex de refracció entre el líquid i l’aire fa que una mica de llum s’escapi del prisma.Això fa que menys llum arribi al fototransistor, reduint així la llum que rep i disminuint el senyal de sortida.

Passos d’instal·lació i depuració:

Assegureu -vos que estigui net: la punta del prisma ha d’estar neta i lliure de contaminació per evitar lectures inexactes.Qualsevol brutícia o residu afectarà la reflexió de la llum.

Poseu el sensor: alineeu correctament la punta del prisma del sensor amb el rang previst de canvis de nivell de fluid.Ajusteu la posició del sensor de manera que detecti amb precisió l’augment i la caiguda del nivell de líquid.

Aquest indicador de nivell és eficaç independentment del color o la claredat del líquid.Funciona de manera fiable en una varietat de medis líquids, inclosos els líquids turbids o de colors.Els sensors òptics proporcionen un mètode sense contacte de mesura de nivell de líquid, reduint el risc de desgast i contaminació del sensor i, per tant, ampliant la vida dels equips.

Aplicació de sensors òptics

Els sensors òptics s’utilitzen en molts camps a causa de la seva alta sensibilitat i precisió.A continuació, es mostra una introducció a algunes àrees d'aplicació clau.

Informàtica i equips d’automatització d’oficines: En ordinadors i copiadors, els sensors òptics controlen la posició i el moviment del paper.Aquests sensors asseguren l’avançament i l’expulsió del paper correctes durant la impressió, reduint les melmelades i els errors.També s’utilitzen en accessoris d’il·luminació automatitzats, com ara llums de sensor als passadissos o sales de conferències, que detecten persones i s’encenen automàticament les llums, estalviant energia i augmentant la comoditat.

Sistemes de seguretat i vigilància: En sistemes de seguretat, els sensors òptics s’utilitzen àmpliament per a la detecció d’intrusions.Detecten quan s’obre una finestra o una porta i desencadenen una alarma.En la fotografia, els sensors òptics en sincronitzadors de flaix asseguren que el flaix es dispara en el moment òptim per a efectes òptims d’il·luminació.

Aplicacions biomèdiques: En el camp mèdic, els sensors òptics controlen la respiració i la freqüència cardíaca d’un pacient.Analitzant els canvis en la llum reflectida, detecten moviments de tòrax minúsculs per controlar la freqüència respiratòria no invasiva.Els monitors de freqüència cardíaca òptica utilitzen LED per emetre llum a través de la pell i detectar la quantitat absorbida i reflectida per la sang per calcular la freqüència cardíaca.

Sensor de llum ambiental: En telèfons intel·ligents i tauletes, els sensors de llum ambientals ajusten automàticament la brillantor de la pantalla per optimitzar la pantalla en funció de les condicions de llum circumdants i estalviar energia de la bateria.Aquests sensors requereixen una calibració precisa i característiques de resposta sensibles per adaptar -se a les condicions de llum ambientals que canvien ràpidament i proporcionen als usuaris una experiència visual còmoda.

Conclusió

Les aplicacions de sensors òptics en diversos camps tecnològics demostren la seva àmplia funcionalitat i un rendiment eficient.Des de sensors òptics fins a diversos sensors reflectants i de feix, cada tipus de sensor òptic té avantatges únics i pot satisfer les necessitats d’inspecció diferents.En automatització industrial, proporcionen una detecció i control d’alta precisió;En l'electrònica de consum, milloren la intel·ligència dels equips;En el seguiment de biomedicina i ambiental, asseguren la precisió i la fiabilitat de les dades.En el futur, amb l’avançament continu i la innovació de la tecnologia, els sensors òptics tindran un paper més important en els camps més emergents i promouran el desenvolupament de diverses indústries en la direcció de la intel·ligència i l’automatització.

Preguntes més freqüents [FAQ]

1. És un sensor òptic analògic o digital?

Els sensors òptics poden ser analògics o digitals, segons el seu disseny i el tipus de senyal de sortida.Sensors òptics analògics Sorteixen un senyal de tensió que varia contínuament proporcional a la intensitat de llum detectada.Sensors òptics digitals Sortida senyals digitals, com els codis binaris, que normalment es converteixen de senyals analògics mitjançant un convertidor analògic a digital integrat.

2. Quins avantatges té un sensor òptic?

Els principals avantatges dels sensors òptics inclouen:

Alta sensibilitat i precisió: capaç de detectar senyals de llum febles i canvis d’objectes subtils.

Mesura sense contacte: la mesura es pot dur a terme sense contacte ni interferència amb l'objectiu, adequat per a la detecció de substàncies fràgils o perilloses.

Temps de resposta ràpida: capaç de respondre ràpidament als canvis òptics de l’entorn, adequats per a mesures dinàmiques.

Adaptabilitat àmplia: pot funcionar en diverses condicions ambientals, inclosos entorns durs o perillosos.

3. Com provar un sensor òptic?

La prova de sensors òptics normalment implica els passos següents:

Prepareu l’entorn de prova: assegureu -vos que les condicions de llum ambientals compleixin les especificacions de funcionament del sensor.

Connecteu el dispositiu: connecteu el sensor a un dispositiu de lectura, com ara un multímetre o un ordinador.

Calibració: calibra el sensor segons les instruccions del fabricant per assegurar la precisió.

Apliqueu una font de llum de prova: utilitzeu una font de llum de brillantor coneguda per il·luminar el sensor.

Llegiu i enregistreu la sortida: enregistreu la sortida del sensor i comproveu que reacciona tal com s’espera als canvis a la font de llum.

4. Quina diferència hi ha entre un sensor òptic i un sensor d’infrarojos?

La diferència principal entre els sensors òptics i els infrarojos és el rang de longituds d’ona de llum que detecten.Els sensors òptics generalment es refereixen a sensors capaços de detectar longituds d’ona en l’interval visible.Els sensors infrarojos detecten específicament longituds d’ona de llum infrarojos, que són invisibles per a l’ull humà.Els sensors d’infrarojos s’utilitzen habitualment en càmeres d’imatge tèrmica, equips de visió nocturna i alguns tipus d’equips de comunicacions.

5. Els sensors òptics són passius o actius?

Els sensors òptics poden ser passius o actius, segons si necessiten una font de llum externa.

Sensors òptics passius: no es requereix cap font de llum addicional, funcionen detectant la llum del medi ambient, com la llum del sol o la il·luminació existent.

Sensors òptics actius: requereix una font de llum externa per il·luminar la diana i després detectar la llum reflectida o transmesa des de la destinació.