הבנת חיישנים אופטיים: סוגים, עקרונות ויישומים
2024-05-24 9254

חיישנים אופטיים ממלאים תפקיד מפתח בטכנולוגיה אלקטרונית מודרנית.חיישנים אלה מגלים את המיקום, הנוכחות והמאפיינים של חפצים על ידי פליטה וקבלת אותות אור והם נמצאים בשימוש נרחב בתחומים כמו אוטומציה תעשייתית, אלקטרוניקה צרכנית, ביו -רפואה ומעקב סביבתי.מאמר זה יתעמק בסוגים השונים, בעקרונות העבודה וביישומים מעשיים של חיישנים אופטיים כדי לעזור לקוראים להבין באופן מלא את החשיבות ואת פוטנציאל היישום של חיישנים אופטיים בתרחישים טכניים שונים.ממבנה הגשר של חיישנים אופטיים ועד המאפיינים הייחודיים של סוגים שונים של חיישנים אופטיים, לדוגמאות ספציפיות ביישומים בעולם האמיתי, מאמר זה יחשוף את המגוון והמורכבות של חיישנים אופטיים.

קָטָלוֹג

איור 1: חיישן אופטי

מהו חיישן אופטי?

THE חיישן אופטי העיצוב מבוסס על מעגל גשר Wheatstone.בהנדסת חשמל, גשר אבן וויטסטון משתמש בשילוב של נגדים ידועים ולא ידועים כדי לקבוע את ערך הנגד הלא ידוע על ידי השוואה בין המתח.באופן דומה, חיישני גשר אור משתמשים במבנה גשר עם ארבעה מגני פוטו כדי לאתר שינויים במצב הקורה.

ראשית, המפעיל מתאים את מיקום הגלאים כדי להבטיח שהקרן תגיע לכל ארבעת הגלאים באופן שווה.כאשר הקורה מוסתרת, כל גלאי לוכד עוצמת אור שונה.לאחר מכן המעגלים מעבדים אותות אלה כדי לקבוע את המיקום והקיזוז של הקורה המדויקת.

איור 2: חיישן אופטי

לדוגמה, אם הקורה עוברת ימינה, הגלאי הימני מקבל יותר אור והגלאי השמאלי מקבל פחות אור.מעבד האותות של המעגל מזהה במהירות ומחושב שינוי זה, ומוצא נתוני מיקום מדויקים.התהליך מהיר ומדויק ביותר, מה שהופך חיישנים אופטיים לחשובים בציוד אוטומטי ובמערכות מיקום דיוק גבוה.

עיקרון עובד של חיישן אופטי

חיישנים אופטיים מגלים מיקום או נוכחות של חפצים על ידי פליטת אור ולכידת השתקפויות או הפרעות של קרניים אלה.החיישן משתמש בדיודות פולטות אור (נוריות LED) כדי לפלוט קרן אור.כאשר קרן זו נתקלת באובייקט, היא יכולה להשתקף לחיישן או לחסום על ידי האובייקט.

איור 3: עיקרון עבודה של חיישן אופטי

על פס ייצור אוטומטי, מפעילים מתאימים את המיקום והרגישות של חיישנים על בסיס מאפייני האובייקט, כגון חומר, גודל ומיקום צפוי.יכולתו של החיישן לאתר חפצים אינה תלויה בחומר, בין אם עץ, מתכת או פלסטיק, מה שהופך אותו לאידיאלי לסביבות ייצור רב-חומריות.

לדוגמה, גילוי בקבוקי זכוכית ברורים דורש התאמת החיישן כדי לזהות חומרים שקופים.אובייקטים שקופים אינם משקפים אור ביעילות, ולכן החיישן דורש רגישות גבוהה יותר או מקור אור מיוחד (כגון אינפרא אדום).

כחלק מהעיצוב שלו, החיישן מעריך קורות אור משתקפות או מופרעות.כאשר אובייקט חוסם את הקורה, החיישן שולח מייד אות למערכת הבקרה המציינת את מיקום האובייקט או מעברו של האובייקט.אם האור משתקף, החיישן משתמש בעוצמה ובזווית ההשתקפות כדי לקבוע מאפיינים של האובייקט, כגון גודל וחומר פני השטח.

סוגי חיישנים אופטיים

ישנם סוגים רבים של חיישנים אופטיים, שלכל אחד מהם עקרונות הפעלה ויישומים ספציפיים.להלן כמה סוגי חיישנים אופטיים נפוצים המשמשים בתרחישים בעולם האמיתי.

מכשירים פוטו -מוליכים משנים את המוליכות של חומרים על בסיס עוצמת האור.כאשר האור מכה את החיישן, האלקטרונים בחומר סופגים את אנרגיית האור וקופצים אל פס ההולכה, ומגדילים את המוליכות של החומר.מכשירים פוטו-מוליכים משמשים במערכות גילוי בעוצמה קלה, כמו מנורות עמעום אוטומטיות.מפעילים צריכים לשקול תנאי אור הסביבה וזמני התגובה כדי להבטיח שליטה מדויקת בעת התאמת מכשירים אלה.

תאים פוטו -וולטאיים (תאים סולאריים) ממירים אנרגיית אור ישירות לאנרגיה חשמלית דרך האפקט הפוטואלקטרי בחומרים מוליכים למחצה.פוטונים מרגשים אלקטרונים מלהקת הערכיות לפס ההולכה, יוצרים זוגות חור אלקטרונים ומייצרים זרם חשמלי.סוללות אלה נמצאות בשימוש נרחב לייצור אנרגיה והפעלת מכשירים מרוחקים כמו לוויינים ומצלמות מעקב חיצוניות.

איור 4: תאים פוטו -וולטאיים

פוטודיודזות משתמשות באפקט הפוטואלקטרי כדי להמיר אור לזרם חשמלי.כאשר האור פוגע באזור ההפעלה, המבנה הפנימי שלהם יכול להגיב במהירות ולייצר זרם חשמלי.חיישנים אלה משמשים לרוב בציוד לגילוי דופק ותקשורת כגון שלט רחוק ומערכות סיבים אופטיים.

איור 5: פוטודיודס

Phototransistors הם למעשה פוטו -דיודזים עם רווח פנימי.כאשר האור מכה בצומת אספן הבסיס, נוצר זרם מוגבר פנימי, מה שהופך אותו מתאים לגילוי אותות אור חלשים.חיישנים אלה מועילים במיוחד ביישומים הדורשים רגישות גבוהה, כגון ציוד מדידה אופטי במעבדות.

איור 6: Phototransistors

חיישן רפלקטיבי

חיישנים רפלקטיביים משלבים משדר ומקלט במכשיר יחיד, ומאפשרים לשתקף את הקורה הנפלטת למקלט דרך משטח רפלקטיבי או משטח אובייקט.כאשר חפץ נכנס לנתיב הקורה, הוא קוטע את האור ומפעיל את החיישן.

כדי להגדיר את החיישן, הוא צריך להיות ממוקם ולהטעות נכון לצורך השתקפות אופטימלית.על המפעיל להתאים את מיקום החיישן כדי להבטיח שהמשטח המשקף גדול מספיק ומיושר כראוי כדי לשקף את הקורה ביעילות למקלט.

לדוגמה, בקווי אריזה אוטומטיים, חיישנים רפלקטיביים מזהים מוצרים הנעים על מסוע.המפעיל מניח את החיישן בצד אחד של המסוע ואת המשקף החלק בצד השני.כאשר מוצר עובר את הקורה וחוסם את הקורה, החיישן מגלה את ההפרעה ושולח אות להפעלת פעולות כמו עצירת המסוע או העברת המוצר.

אחד היתרונות של חיישנים רפלקטיביים הוא יכולתם לפעול על פני מרחקים ארוכים וסובלנותם למגוון רחב של תכונות פני השטח.כל עוד מספיק אור משתקף, הם יכולים לאתר חפצים ללא קשר לצבע או מרקם פני השטח.צדדיות זו הופכת חיישנים רפלקטיביים לאידיאליים לאוטומציה תעשייתית, ניווט רובוט ומשימות סיווג פריטים.

חיישן דרך הקורה

חיישן קרן דרך מורכב משני רכיבים עיקריים: משדר ומקלט, ממוקמים זה מול זה, בדרך כלל במרחק.המשדר שולח ברציפות קרן אור למקלט.כאשר אובייקט חוסם את הקורה הזו, מקלט מזהה את הסתימה וממיר אותו לאות אלקטרוני, שמפעיל פעולת מיתוג.

כדי להגדיר את החיישן, המשדר והמקלט צריכים להיות מיושרים במדויק.זה כרוך בהתאמת מיקומם וזוויתם כך שהקורה מהמשדר פוגעת ישירות במקלט.על המפעילים לשקול גורמים סביבתיים כמו אור רקע ומקורות הפרעה פוטנציאליים כדי להימנע מהפעלת שווא.

איור 7: חיישן קורה דרך

לדוגמה, בכניסה למחסן גדול, על חיישני הקורה דרך כניסה לא מורשית.המשדר והמקלט ממוקמים משני צידי הדלת.כאשר מישהו או חפץ עוברים דרך הדלת, הקורה מופרעת והמערכת מפעילה אזעקה.

אחד היתרונות הגדולים של חיישני קרן דרך הקורה הוא יכולתם לפעול על פני מרחקים ארוכים, מה שהופך אותם לאידיאליים לניטור אזורים גדולים.הגילוי מבוסס על הפרעה של קרן, כך שהחיישן אינו רגיש לגודל, לצבע או למבנה פני השטח של האובייקט.עם זאת, האובייקט חייב להיות גדול מספיק כדי לכסות לחלוטין את הנתיב האופטי בין המשדר למקלט.

חיישני קורות דרך נמצאים בשימוש נרחב במערכות אוטומציה ותעשייה, במיוחד בסביבות בהן נדרשים ניטור למרחקים ארוכים ואמינות גבוהה.הם אידיאליים לגילוי פריטים בקווי ייצור ומעקב אחר אובייקטים נעים במהירות גבוהה.על ידי הבנת פרטים תפעוליים אלה, מפעילים יכולים להבטיח שימוש יעיל ואמין בחיישני קרן דרך מגוון יישומים.

חיישן השתקפות מפוזר

חיישני השתקפות מפוזרים משלבים משדר ומקלט במכשיר אחד.זה עובד על ידי פליטת אור וקבלת אור מפוזר מהאובייקט שנמדד.החיישן שימושי במיוחד לגילוי חפצים עם משטחים או צורות מורכבים, כמו בד, עץ או מתכת בצורת סדירה.

ראשית, קבעו את הרגישות של החיישן כך שתתאים לתכונות המשקפות של חומרים וצבעים שונים.מפעילים צריכים להתאים את הציוד על סמך הרפלקטיביות הספציפית של האובייקט.זה מבטיח כי האור המשתקף מספיק כדי שהמקלט יוכל ללכוד אותו, תוך הימנעות מקריאות שווא כתוצאה מאור חזק מדי או חלש מדי.

איור 8: חיישן השתקפות מפוזרת

לדוגמה, במערכות אריזה אוטומטיות, חיישני השתקפות מפוזרים מזהים תוויות בתיבות אריזה.המפעיל מתאים את החיישן כך שהמכונה תזהה במדויק כל תיבה, גם אם לתוויות יש השתקפויות שונות.זה דורש שליטה מדויקת בעוצמת האור הנפלט ורגישות המקלט.

חיישנים מפוזרים יכולים לחוות בעיות כתוצאה מפיזור אור לא אחיד, במיוחד כאשר האור המשתקף מגב האובייקט מרוכז יותר מהאור המשתקף מהחזית.כדי לפתור בעיה זו, החיישן מתוכנן באמצעות טכנולוגיית איתור רב-נקודות כדי להפחית שגיאות.על המפעילים לשקול גורמים אלה ולקבוע באופן ניסיוני את רגישות האופטימלית וזווית הפליטה כדי להבטיח גילוי מדויק ואמין.

תחזוקה וכיול שוטפים מבטיחים פעולה יציבה לטווח הארוך.זה כולל ניקוי עדשת החיישן כדי למנוע אבק וזיהומים להפריע להעברת אור.

מקורות אור שונים לחיישנים אופטיים

מקור האור חשוב מאוד לעיצוב ופונקציונליות של חיישנים אופטיים.חיישנים אופטיים מודרניים משתמשים בדרך כלל במקור אור מונוכרומטי, המספק אור יציב ועקבי, המאפשר מדידות דיוק גבוה ותקשורת אופטית.

לייזרים מייצרים קורות אור קוהרנטיות מאוד על ידי אטומים מרגשים במדיום ספציפי, כמו גז, קריסטל או זכוכית מיוחדת.הקורה המיוצרת על ידי הלייזר ממוקדת מאוד וניתן להעביר אותה למרחקים ארוכים ללא התפשטות משמעותית.זה הופך אותם לאידיאליים ליישומים הדורשים מיקום מדויק ותקשורת למרחקים ארוכים, כגון סיבים אופטיים וציוד מדידה מדויקת.בפעולה, לייזרים דורשים ניהול חשמל מדויק ובקרה סביבתית כדי לשמור על תפוקה יציבה.בשל הסכנות הפוטנציאליות של לייזרים בעוצמה גבוהה, על המפעילים להבטיח ניהול לייזר בטוח.

נוריות LED (דיודות פולטות אור) מוערכות בגודל הקטן, ליעילותם הגבוהה ולחיים הארוכים שלהם.הם פולטים אור על ידי רקומבינציה של אלקטרונים וחורים בחומר מוליך למחצה (בדרך כלל אזורים מסוממים מסוג N ו- P).נוריות LED יכולות לכסות מגוון רחב של אורכי גל מאינפרא אדום לאולטרה סגול.האור הלא קוהרנטי של נוריות LED מתאים למגוון יישומי תאורה ואינדיקציה, כמו רמזורים ומערכות תאורה חכמות.פריסת נוריות LED היא פשוטה יחסית ואינה דורשת אמצעי בטיחות מורכבים כמו לייזרים.עם זאת, הבטחת עקביות ועמידות של מקורות אור LED דורשת שליטה נוכחית מדויקת.

לשני המקורות האור יש היתרונות והחסרונות שלהם.הבחירה תלויה בדרישות היישום הספציפיות.לייזרים משמשים לרוב בניסויים אופטיים מדויקים ותקשורת אופטית במהירות גבוהה, ואילו נוריות LED משמשות יותר במערכות אלקטרוניקה ומערכות סימון צרכניות.

מחוון מפלס נוזלי המבוסס על חיישן אופטי

מחוון ברמת נוזל המבוסס על חיישן אופטי הוא כלי מדידת דיוק המשתמש בעקרונות השבירה והשיקוף של האור כדי לאתר שינויים ברמת הנוזל.זה מורכב משלושה רכיבים עיקריים: LED אינפרא אדום, פוטו -טרנזיסטור וקצה פריזמה שקוף.

איור 9: חיישן ברמה אופטית

כאשר קצה הפריזמה נחשף לאוויר, האור מה- LED האינפרא אדום עובר השתקפות פנימית מוחלטת בתוך הפריזמה, ומשקף את מרבית האור למעבר הפוטו.במצב זה הטרנזיסטור מקבל יותר אור ומוצא אות גבוה יותר.

כאשר קצה הפריזמה שקוע בנוזל, ההבדל במדד השבירה בין הנוזל לאוויר גורם לאור מסוים להימלט מהפריזמה.זה גורם לפחות אור להגיע ל Phototransistor, ובכך להפחית את האור שהוא מקבל ולהוריד את אות הפלט.

שלבי התקנה וניפוי באגים:

וודא שהוא נקי: קצה הפריזמה חייב להיות נקי ונקי מזיהום כדי למנוע קריאות לא מדויקות.כל לכלוך או שאריות ישפיעו על השתקפות האור.

מקם את החיישן: יישר נכון את קצה הפריזמה של החיישן עם הטווח הצפוי של שינויים ברמת הנוזלים.התאם את מיקום החיישן כך שהוא יגלה במדויק את העלייה והירידה של רמת הנוזל.

אינדיקטור ברמה זו יעיל ללא קשר לצבע או לבהירותו של הנוזל.זה עובד באופן אמין במגוון מדיה נוזלית, כולל נוזלים עכורים או צבעוניים.חיישנים אופטיים מספקים שיטה ללא קשר למדידת רמת נוזלים, מצמצמים את הסיכון ללבוש וזיהום חיישנים, ובכך להרחיב את חיי הציוד.

יישום חיישנים אופטיים

חיישנים אופטיים משמשים בתחומים רבים בגלל הרגישות והדיוק הגבוהים שלהם.להלן מבוא לכמה תחומי יישום מרכזיים.

מחשבים וציוד אוטומציה של משרדים: במחשבים ובמכונות צילום, חיישנים אופטיים שולטים במיקום ותנועה של נייר.חיישנים אלה מבטיחים התקדמות ופליטת נייר נכונה במהלך הדפסה, ומפחיתים ריבות ושגיאות.הם משמשים גם בגופי תאורה אוטומטיים, כמו אורות חיישנים במסדרונות או בחדרי ישיבות, המגלים אנשים ומדליקים ומכבים אוטומטית, חוסכים אנרגיה והגברת הנוחות.

מערכות אבטחה ומעקב: במערכות אבטחה חיישנים אופטיים נמצאים בשימוש נרחב לגילוי חדירות.הם מגלים כאשר נפתחים חלון או דלת ומפעילים אזעקה.בצילום, חיישנים אופטיים בסנכרני פלאש מבטיחים כי הפלאש יורה ברגע האופטימלי לאפקטים של תאורה אופטימליים.

יישומים ביו -רפואיים: בתחום הרפואי חיישנים אופטיים עוקבים אחר נשימתו של המטופל ודופק.על ידי ניתוח שינויים באור המשתקף, הם מגלים תנועות חזה קטנטנות כדי לפקח באופן לא פולשני בקצב הנשימה.מסכי דופק אופטיים משתמשים נוריות LED כדי לפלוט אור דרך העור ולגלות את הכמות שנספגה ומשתקפת על ידי הדם כדי לחשב את הדופק.

חיישן אור אווירה: בסמארטפונים ובטאבלטים, חיישני תאורת הסביבה מתאימים אוטומטית את בהירות המסך כדי לייעל את התצוגה על סמך תנאי האור שמסביב ולחסוך אנרגיית סוללה.חיישנים אלה דורשים כיול מדויק ומאפייני תגובה רגישים כדי להסתגל לתנאי אור הסביבה המשתנים במהירות ולספק למשתמשים חוויה חזותית נוחה.

מַסְקָנָה

יישומים של חיישנים אופטיים בתחומים טכנולוגיים שונים מדגימים את הפונקציונליות הרחבה שלהם ואת הביצועים היעילים שלהם.מחיישנים אופטיים ועד חיישני רפלקטיביים וקורה שונים, לכל סוג של חיישן אופטי יש יתרונות ייחודיים ויכול לענות על צרכי בדיקה שונים.באוטומציה תעשייתית הם מספקים גילוי ובקרה של דיוק גבוה;באלקטרוניקה צרכנית הם משפרים את האינטליגנציה של הציוד;במעקב ביו -רפואי ובסביבה הם מבטיחים את הדיוק והאמינות של נתונים.בעתיד, עם הקידום והחדשנות המתמשכת של הטכנולוגיה, חיישנים אופטיים ישחקו תפקיד חשוב יותר בתחומים מתעוררים יותר ויקדמו פיתוח של תעשיות שונות בכיוון המודיעין והאוטומציה.

שאלות נפוצות [שאלות נפוצות]

1. האם חיישן אופטי אנלוגי או דיגיטלי?

חיישנים אופטיים יכולים להיות אנלוגיים או דיגיטליים, תלוי בעיצובם ובסוג האות הפלט.חיישנים אופטיים אנלוגיים מוציאים אות מתח משתנה ברציפות שהוא פרופורציונלי לעוצמת האור שהתגלתה.חיישנים אופטיים דיגיטליים פלטו אותות דיגיטליים, כגון קודים בינאריים, אשר בדרך כלל מומרים מאותות אנלוגיים דרך ממיר מובנה אנלוגי לדיגיטלי.

2. מהם היתרונות של חיישן אופטי?

היתרונות העיקריים של חיישנים אופטיים כוללים:

רגישות ודיוק גבוה: מסוגל לאתר אותות אור חלשים ושינויי אובייקט עדינים.

מדידה ללא קשר: ניתן לבצע מדידה ללא מגע או הפרעה למטרה, המתאימה לגילוי חומרים שבריריים או מסוכנים.

זמן תגובה מהיר: מסוגל להגיב במהירות לשינויים אופטיים בסביבה, המתאימים למדידות דינמיות.

יכולת הסתגלות רחבה: יכולה לעבוד במגוון תנאים סביבתיים, כולל סביבות קשות או מסוכנות.

3. כיצד לבדוק חיישן אופטי?

בדיקת חיישנים אופטיים כוללת בדרך כלל את הצעדים הבאים:

הכן את סביבת הבדיקה: ודא שתנאי אור הסביבה עומדים במפרטי ההפעלה של החיישן.

חבר את המכשיר: חבר את החיישן למכשיר קריאה, כגון מולטימטר או מחשב.

כיול: כיול החיישן על פי הוראות היצרן כדי להבטיח דיוק.

החל מקור תאורת מבחן: השתמש במקור אור של בהירות ידועה כדי להאיר את החיישן.

קרא והקליט פלט: רשום את פלט החיישן ובדוק שהוא מגיב כצפוי לשינויים במקור האור.

4. מה ההבדל בין חיישן אופטי לחיישן אינפרא אדום?

ההבדל העיקרי בין חיישנים אופטיים ואינפרא אדום הוא טווח אורכי הגל האור שהם מגלים.חיישנים אופטיים מתייחסים בדרך כלל לחיישנים המסוגלים לחוש אורכי גל בטווח הנראה לעין.חיישני אינפרא אדום מגלים באופן ספציפי אורכי גל אור אינפרא אדום, שאינם נראים לעין האנושית.חיישני אינפרא אדום משמשים בדרך כלל במצלמות הדמיה תרמית, ציוד ראיית לילה וסוגים מסוימים של ציוד תקשורת.

5. האם חיישנים אופטיים פסיביים או פעילים?

חיישנים אופטיים יכולים להיות פסיביים או פעילים, תלוי אם הם דורשים מקור אור חיצוני.

חיישנים אופטיים פסיביים: אין צורך במקור אור נוסף, הם פועלים על ידי איתור אור מהסביבה, כמו אור שמש או תאורה קיימת.

חיישנים אופטיים פעילים: דורשים מקור אור חיצוני כדי להאיר את המטרה ואז לאתר את האור המשתקף או מועבר מהיעד.