Optiliste andurite mõistmine: tüübid, põhimõtted ja rakendused
2024-05-24 9202

Optilised andurid mängivad võtmerolli kaasaegses elektroonilises tehnoloogias.Need andurid tuvastavad objektide asukoha, olemasolu ja omadused, kiirgades ja võttes valguse signaale ning neid kasutatakse laialdaselt sellistes valdkondades nagu tööstusautomaatika, tarbeelektroonika, biomeditsiin ja keskkonnaseire.See artikkel uurib optiliste andurite eri tüüpi, tööpõhimõtteid ja praktilisi rakendusi, et aidata lugejatel täielikult mõista optiliste andurite olulisust ja rakenduspotentsiaali erinevatel tehnilistel stsenaariumidel.Alates optiliste andurite sillastruktuurist kuni eri tüüpi optiliste andurite ainulaadsete omadusteni, kuni konkreetsete näideteni reaalmaailmades, näitab see artikkel optiliste andurite mitmekesisust ja keerukust.

Kataloog

Joonis 1: optiline andur

Mis on optiline andur?

Selle Optiline andur Kujundus põhineb Wheatstone Bridge'i vooluringil.Elektrotehnoloogias kasutab Wheatstone'i sild tundmatu takisti väärtuse määramiseks teadaolevate ja tundmatute takistite kombinatsiooni, võrdledes pinget.Samuti kasutavad kergete sillaandurid nelja fotodetektoritega sillakonstruktsiooni, et tuvastada tala asendi muutusi.

Esiteks kohandab operaator detektorite asukohta tagamaks, et tala tabab kõiki nelja detektorit ühtlaselt.Kui tala on suunatud, haarab iga detektor valguse erineva intensiivsuse.Seejärel töötleb vooluring neid signaale, et määrata tala täpne asukoht ja nihke.

Joonis 2: optiline andur

Näiteks kui tala liigub paremale, võtab parem detektor rohkem valgust ja vasak detektor saab vähem valgust.Ahela signaaliprotsessor tunneb ja arvutab selle muudatuse kiiresti, väljastades täpsed positsiooni andmed.Protsess on kiire ja väga täpne, muutes optilised andurid oluliseks automatiseeritud seadmetes ja ülitäpsetes positsioneerimissüsteemides.

Optilise anduri tööpõhimõte

Optilised andurid tuvastavad objektide asukoha või olemasolu, kiirgades valgust ja jäädvustades nende kiirte peegeldusi või katkestusi.Andur kasutab valguse kiirguse eraldamiseks valgust kiirgavaid dioode (LED).Kui see tala kohtub objektiga, võib see kajastada anduri suhtes või objekti poolt blokeerida.

Joonis 3: optilise anduri tööpõhimõte

Automatiseeritud monteerimisliinil kohandavad operaatorid andurite asukohta ja tundlikkust objekti omaduste, nagu materjal, suurus ja eeldatav asukoht.Anduri võime tuvastada objekte ei sõltu materjalist, olgu see siis puit, metall või plast, muutes selle ideaalseks mitme materiaalse tootmiskeskkonna jaoks.

Näiteks tuleb läbipaistvate materjalide äratundmiseks anduri reguleerida anduri reguleerida.Läbipaistvad objektid ei kajasta valgust tõhusalt, seetõttu nõuab andur suuremat tundlikkust või spetsiaalset valgusallikat (näiteks infrapuna).

Osana oma kujunduse osana hindab andur peegeldunud või katkestatud valguskiire.Kui objekt blokeerib tala, saadab andur kohe signaali juhtimissüsteemile, mis näitab objekti asukohta või lõiku.Kui valgus peegeldub, kasutab andur objekti omaduste, näiteks suuruse ja pinnamaterjali määramiseks peegelduse intensiivsust ja nurka.

Optiliste andurite tüübid

Optilisi andureid on mitut tüüpi, millest igaühel on konkreetsed tööpõhimõtted ja rakendused.Järgnevalt on toodud mõned tavalised optilised anduritüübid, mida kasutatakse reaalainete stsenaariumide korral.

Fotokonduktiivsed seadmed muudavad materjalide juhtivust valguse intensiivsuse põhjal.Kui valgus andurit lööb, neelavad materjali elektronid valguse energiat ja hüppavad juhtivusribale, suurendades materjali juhtivust.Fotomaatseid seadmeid kasutatakse valguse intensiivsuse tuvastamise süsteemides, näiteks automaatsetes tuhmilampides.Operaatorid peavad nende seadmete reguleerimisel arvestama ümbritseva valguse tingimuste ja reageerimisaegadega.

Fotogalvaanilised rakud (päikeserakud) muudavad valgusenergia otse elektrienergiaks fotoelektrilise efekti kaudu pooljuhtmaterjalides.Footonid erutavad elektronid valentsribast juhtivuse ribani, luues elektron-augupaare ja genereerides elektrivoolu.Neid akusid kasutatakse laialdaselt energiatootmiseks ja kaugseadmete, näiteks satelliidide ja välitingimustes kasutatavate kaamerate toiteks.

Joonis 4: fotogalvaanilised rakud

Fotodioodid kasutavad fotoelektrilist efekti, et muuta valgust elektrivooluks.Kui valgus tabab aktiveerimispiirkonda, võib nende sisemine struktuur kiiresti reageerida ja genereerida elektrivoolu.Neid andureid kasutatakse tavaliselt kerge impulsi tuvastamise ja kommunikatsiooniseadmetes, näiteks kaugjuhtimispuldid ja kiudoptilised süsteemid.

Joonis 5: fotodioodid

Fototransistorid on sisuliselt sisemise võimendusega fotodioodid.Kui valgus lööb baaskollektori ristmikku, genereeritakse sisemiselt võimendatud vool, mis muudab selle sobivaks nõrkade valgusignaalide tuvastamiseks.Need andurid on eriti kasulikud rakendustes, mis vajavad suurt tundlikkust, näiteks laborites optilised mõõtmisseadmed.

Joonis 6: fototransistorid

Peegeldav andur

Peegeldavad andurid ühendavad saatja ja vastuvõtja ühes seadmes, võimaldades kiirgava tala peegelduda vastuvõtjale peegeldava või objekti pinna kaudu.Kui objekt siseneb tala teele, katkestab see valguse, käivitades anduri.

Anduri seadistamiseks tuleb see optimaalseks peegelduseks paigutada ja õigesti kallutada.Operaator peab anduri asukohta reguleerima, et veenduda, et peegeldav pind on piisavalt suur ja õigesti joondatud, et tala tõhusalt peegeldada vastuvõtjale.

Näiteks automatiseeritud pakendiliinides tuvastavad peegeldavad andurid konveierilindil liikuvaid tooteid.Operaator asetab anduri konveierilindi ühele küljele ja teisel küljel sileda reflektori.Kui toode läbib ja blokeerib tala, tuvastab andur katkestuse ja saadab signaali toimingute käivitamiseks, näiteks konveieri peatamiseks või toote ülekandmiseks.

Peegeldavate andurite üks eeliseid on nende võime töötada pikkade vahemaade ja nende tolerantsi mitmesuguste pinnaomaduste suhtes.Kuni piisavalt valgust peegeldub, suudavad nad objekte tuvastada, olenemata värvist või pinna tekstuurist.See mitmekülgsus muudab peegeldavad andurid ideaalseks tööstusautomaatikaks, robotite navigeerimiseks ja esemete klassifitseerimise ülesandeks.

Läbi tala andur

Läbilagune andur koosneb kahest põhikomponendist: saatja ja vastuvõtja, mis asetatakse üksteise vastas, tavaliselt kaugusel.Saatja saadab vastuvõtjale pidevalt valguskiire.Kui objekt selle tala blokeerib, tuvastab vastuvõtja oklusiooni ja teisendab selle elektrooniliseks signaaliks, mis käivitab lülitusoperatsiooni.

Anduri seadistamiseks tuleb saatja ja vastuvõtja täpselt joondada.See hõlmab nende asukoha ja nurga reguleerimist nii, et saatjast tulenev tala tabab otse vastuvõtjat.Vale käivitamise vältimiseks peavad operaatorid arvestama selliste keskkonnateguritega nagu taustvalgus ja potentsiaalsed häireallikad.

Joonis 7: Läbi tala andur

Näiteks suure lao sissepääsu juures, tala andurite monitoris volitamata sisenemiseks.Saatja ja vastuvõtja asetatakse ukse mõlemale küljele.Kui keegi või objekt läbib ukse, katkestatakse tala ja süsteem käivitab häire.

Läbilagu andurite üks suuri eeliseid on nende võime töötada pikkadel vahemaadel, muutes need ideaalseks suurte alade jälgimiseks.Avastamine põhineb tala katkemisel, nii et andur ei ole tundlik objekti suuruse, värvi või pinna struktuuri suhtes.Kuid objekt peab olema piisavalt suur, et katta saatja ja vastuvõtja vaheline optiline tee täielikult.

Läbilagulaandureid kasutatakse laialdaselt tööstushautomaatika- ja turvasüsteemides, eriti keskkonnas, kus on vaja pikamaa jälgimist ja suurt usaldusväärsust.Need sobivad ideaalselt tootmisliinide esemete tuvastamiseks ja kiirete liikuvate objektide jälgimiseks.Nendest operatiivsetest üksikasjadest aru saades saavad operaatorid tagada läbi tala andurite tõhusa ja usaldusväärse kasutamise erinevates rakendustes.

Difuusne peegeldusandur

Hajutatud peegeldusandurid ühendavad saatja ja vastuvõtja ühes seadmes.See toimib valguse väljastamisega ja mõõdetavast objektist tagasi hajutatud valguse vastuvõtmisega.Andur on eriti kasulik keerukate pindade või kujunditega objektide, nagu kangas, puit või ebakorrapärase kujuga metall.

Esiteks määrake anduri tundlikkus, et see vastaks erinevate materjalide ja värvide peegeldavate omadustega.Operaatorid peavad seadmeid kohandama objekti konkreetse peegeldusvõime põhjal.See tagab, et peegeldunud valgust on vastuvõtja jäädvustamiseks piisav, vältides valede näitude liiga tugeva või liiga nõrga valguse tõttu.

Joonis 8: difuusne peegeldusandur

Näiteks automatiseeritud pakendisüsteemides tuvastavad difuussed peegeldusandurid pakendikastide silte.Operaator reguleerib andurit nii, et masin tuvastab iga kasti täpselt, isegi kui siltidel on erinev peegeldus.See nõuab kiirgava valguse intensiivsuse ja vastuvõtja tundlikkuse täpset kontrolli.

Hajutusandurid võivad tekitada probleeme ebaühtlase valguse hajumise tõttu, eriti kui objekti tagaosast peegelduv valgus on kontsentreeritum kui esiosast peegelduv valgus.Selle probleemi lahendamiseks on andur kavandatud mitmepunktiliste tuvastustehnoloogia abil vigade vähendamiseks.Täpse ja usaldusväärse tuvastamise tagamiseks peavad operaatorid neid tegureid arvestama ja eksperimentaalselt määrama optimaalse tundlikkuse ja heitkoguse nurga.

Regulaarne hooldus ja kalibreerimine tagavad pikaajalise stabiilse töö.See hõlmab anduri objektiivi puhastamist, et vältida tolmu ja lisandite häirimist valguse ülekandumist.

Optiliste andurite erinevad valgusallikad

Valgusallikas on optiliste andurite kujundamise ja funktsionaalsuse jaoks väga oluline.Kaasaegsed optilised andurid kasutavad tavaliselt ühevärvilist valgusallikat, mis tagab stabiilse, järjepideva valguse, võimaldades ülitäpseid mõõtmisi ja optilist suhtlust.

Laserid toodavad väga sidusaid valguskiire põnevate aatomite abil konkreetses söötmes, näiteks gaas, kristall või spetsiaalne klaasi.Laseriga toodetud tala on väga fokuseeritud ja seda saab pikkade vahemaade jooksul levida ilma olulise levikuta.See muudab need ideaalseks rakenduste jaoks, mis nõuavad täpset positsioneerimist ja pikamaasuhteid, näiteks kiudoptilise suhtluse ja täpsuse mõõtmise seadmeid.Tööl vajavad laserid stabiilse väljundi säilitamiseks täpset energiahaldust ja keskkonnakontrolli.Suure intensiivsusega laserite võimalike ohtude tõttu peavad operaatorid tagama ohutu laseri haldamise.

LED -sid (kergeid dioode) hinnatakse nende väiksuse, suure efektiivsuse ja pika eluea järgi.Nad kiirgavad valgust elektronide ja aukude rekombinatsiooniga pooljuhtmaterjalis (tavaliselt N- ja P-tüüpi legeeritud piirkonnad).LED -id võivad katta mitmesuguseid lainepikkusi infrapunast ultraviolettkiirguseni.LED -ide ebajärjekindel tuli sobib mitmesugusteks valgustus- ja näidustusterakendusteks, näiteks fooride ja nutikate valgustussüsteemide jaoks.LED -ide juurutamine on suhteliselt lihtne ega vaja keerulisi ohutusmeetmeid, näiteks lasereid.LED -valgusallikate järjepidevuse ja vastupidavuse tagamine nõuab aga täpset voolu juhtimist.

Mõlemal valgusallikal on oma plussid ja puudused.Valik sõltub konkreetsetest rakenduse nõuetest.Lasereid kasutatakse tavaliselt täpsetes optilistes katsetes ja kiiroptilistes suhtlustes, samas kui LED-e kasutatakse sagedamini tarbeelektroonikas ja märgistussüsteemides.

Vedeliku taseme indikaator, mis põhineb optilisel anduril

Optilisel anduril põhinev vedeliku taseme indikaator on täppismõõtmisvahend, mis kasutab vedeliku taseme muutuste tuvastamiseks valguse murdumise ja valguse peegeldamise põhimõtteid.See koosneb kolmest põhikomponendist: infrapuna LED, fototransistorist ja läbipaistvast prismanipust.

Joonis 9: optilise taseme andur

Kui prismaotsa kokku puutub õhuga, läbib infrapuna LED -i valgus prismas täieliku sisemise peegelduse, peegeldades suurema osa valgusest fototransistorile.Selles olekus saab transistor rohkem valgust ja väljastab kõrgema signaali.

Kui prisma ots on sukeldunud vedelikku, põhjustab vedeliku ja õhu murdumisnäitaja erinevus prismast põgenedes pisut valgust.See põhjustab fototransistori jõudmist vähem valgust, vähendades sellega saadud valgust ja vähendades väljundsignaali.

Paigaldamis- ja silumissammud:

Veenduge, et see oleks puhas: ebatäpsete näitude vältimiseks peab prismanipp olema puhas ja saastumiseta.Mis tahes mustus või jäägid mõjutavad valguse peegeldust.

Asendage andur: joondage anduri prismaotsa õigesti vedeliku taseme eeldatava vahemikuga.Reguleerige anduri asukohta nii, et see tuvastaks täpselt vedeliku taseme tõusu ja languse.

See taseme indikaator on efektiivne, sõltumata vedeliku värvist või selgusest.See toimib usaldusväärselt erinevates vedelas söötmetes, sealhulgas hägustes või värvilistes vedelikes.Optilised andurid pakuvad vedeliku taseme mõõtmise mittekontaktilist meetodit, vähendades anduri kulumise ja saastumise riski ning pikendades sellega seadmete eluiga.

Optiliste andurite rakendamine

Optilisi andureid kasutatakse paljudes väljades nende kõrge tundlikkuse ja täpsuse tõttu.Allpool on sissejuhatus mõnes peamises rakendusvaldkonnas.

Arvutid ja kontoriautomaatikaseadmed: arvutite ja koopiamasinate puhul optilised andurid kontrollivad paberi asendit ja liikumist.Need andurid tagavad printimise ajal õige paberi edasiliigutuse ja väljutamise, vähendades keediseid ja vigu.Neid kasutatakse ka automatiseeritud valgustusseadmetes, näiteks koridorides või konverentsiruumides sensorituled, mis tuvastavad inimesi ja lülitavad tuled automaatselt sisse ja välja, säästes energiat ja suurendades mugavust.

Turva- ja jälgimissüsteemid: Turvasüsteemides kasutatakse sissetungimise tuvastamiseks laialdaselt optilisi andureid.Nad tuvastavad, millal aken või uks avatakse, ja käivitavad häire.Fotograafias tagavad välklambi sünkroniseerijate optilised andurid, et välk tulistab optimaalsel hetkel optimaalse valgustusefektide jaoks.

Biomeditsiinilised rakendused: meditsiinivaldkonnas jälgivad optilised andurid patsiendi hingamist ja pulssi.Analüüsides peegeldunud valguse muutusi, tuvastavad nad pisikesi rindkere liigutusi, et mitteinvasiivselt jälgida hingamissagedust.Optilised pulsimonitorid kasutavad LED -e naha kaudu valguse eraldamiseks ja veresageduse arvutamiseks imendunud ja peegelduva koguse tuvastamiseks.

Ümbritseva valguse andur: nutitelefonides ja tahvelarvutites reguleerivad ümbritseva valguse andurid ekraani heledust automaatselt, et kuvari optimeerida ümbritsevate valgustingimuste põhjal ja säästa aku energiat.Need andurid vajavad täpset kalibreerimist ja tundlikke reageerimisomadusi, et kohaneda kiiresti muutuvate ümbritseva valguse tingimustega ja pakkuda kasutajatele mugavat visuaalset kogemust.

Järeldus

Optiliste andurite rakendused erinevates tehnoloogilistes valdkondades näitavad nende laia funktsionaalsust ja tõhusat jõudlust.Alates optilistest anduritest kuni erinevate peegeldavate ja läbikäiguga anduriteni on igal tüüpi optilisel anduril ainulaadsed eelised ja see võib vastata erinevate kontrollvajadustega.Tööstusautomaatikas pakuvad nad ülitäpset tuvastamist ja kontrolli;Tarbeelektroonikas parandavad nad seadmete luureandmeid;Biomeditsiini ja keskkonnaseire korral tagavad need andmete täpsuse ja usaldusväärsuse.Tulevikus mängivad optilised andurid pideva arenemise ja innovatsiooni abil olulisemat rolli arenevates valdkondades ja edendavad erinevate tööstusharude arengut luure ja automatiseerimise suunas.

Korduma kippuvad küsimused [KKK]

1. Kas optiline anduri analoog või digitaalne?

Optilised andurid võivad olla analoogsed või digitaalsed, sõltuvalt nende kujundusest ja väljundsignaali tüübist.Analoogsed optilised andurid väljutavad pidevalt varieeruvat pingesignaali, mis on võrdeline tuvastatud valguse intensiivsusega.Digitaalsed optilised andurid väljutavad digitaalsignaale, näiteks binaarsed koodid, mis tavaliselt teisendatakse analoogsignaalidest sisseehitatud analoog-digitaalmuunduri kaudu.

2. Millised on optilise anduri eelised?

Optiliste andurite peamised eelised hõlmavad järgmist:

Kõrge tundlikkus ja täpsus: suudab tuvastada nõrgad valgusignaalid ja objekti peened muutused.

Kontaktideta mõõtmine: mõõtmine saab läbi viia ilma kontakti või sihtmärgi sekkumiseta, mis sobib habraste või ohtlike ainete tuvastamiseks.

Kiire reageerimise aeg: suudab kiiresti reageerida keskkonna optilistele muutustele, mis sobivad dünaamiliste mõõtmiste jaoks.

Lai kohanemisvõime: võib töötada erinevates keskkonnatingimustes, sealhulgas karmis või ohtlikus keskkonnas.

3. Kuidas optilist andurit testida?

Optiliste andurite testimine hõlmab tavaliselt järgmisi samme:

Valmistage katsekeskkond ette: veenduge, et ümbritseva valguse tingimused vastaksid anduri töö spetsifikatsioonidele.

Ühendage seade: ühendage andur lugemisseadmega, näiteks multimeetri või arvutiga.

Kalibreerimine: täpsuse tagamiseks kalibreerige andur vastavalt tootja juhistele.

Kandke testvalgustusallikas: anduri valgustamiseks kasutage tuntud heleduse valgust.

Lugege ja registreerige väljund: salvestage anduri väljund ja kontrollige, kas see reageerib valgusallika muutustele oodata.

4. Mis vahe on optilisel anduril ja infrapunaanduril?

Peamine erinevus optiliste ja infrapunaandurite vahel on nende tuvastatud valguse lainepikkuste vahemik.Optilised andurid viitavad tavaliselt anduritele, mis on võimelised lainepikkusi nähtava vahemikus tuvastama.Infrapunaandurid tuvastavad spetsiaalselt infrapunavalguse lainepikkusi, mis on inimsilmale nähtamatud.Infrapunaandureid kasutatakse tavaliselt termiliste kujutiskaamerate, öösel nägemisseadmetes ja teatud tüüpi kommunikatsiooniseadmetes.

5. Kas optilised andurid on passiivsed või aktiivsed?

Optilised andurid võivad olla kas passiivsed või aktiivsed, sõltuvalt sellest, kas need vajavad välist valgusallikat.

Passiivsed optilised andurid: täiendavat valgusallikat pole vaja, need töötavad keskkonnast valguse tuvastamisega, näiteks päikesevalgus või olemasolev valgustus.

Aktiivsed optilised andurid: sihtmärgi valgustamiseks ja sihtmärgist peegelduva või edastatava valguse tuvastamiseks on vaja välist valgusallikat.