Optische Sensoren verstehen: Typen, Prinzipien und Anwendungen
2024-05-24 9162

Optische Sensoren spielen eine Schlüsselrolle in der modernen elektronischen Technologie.Diese Sensoren erkennen die Lage, das Vorhandensein und die Eigenschaften von Objekten durch Ausgabe und Empfangen von Lichtsignalen und werden in Bereichen wie industrieller Automatisierung, Unterhaltungselektronik, Biomedizin und Umweltüberwachung häufig verwendet.Dieser Artikel wird sich mit den verschiedenen Typen, Arbeitsprinzipien und praktischen Anwendungen von optischen Sensoren befassen, um den Lesern dabei zu helfen, die Bedeutung und das Anwendungspotenzial optischer Sensoren in verschiedenen technischen Szenarien vollständig zu verstehen.Von der Brückenstruktur optischer Sensoren bis hin zu den einzigartigen Eigenschaften verschiedener Arten von optischen Sensoren, bis zu bestimmten Beispielen in realen Anwendungen wird dieser Artikel die Vielfalt und Komplexität optischer Sensoren aufzeigen.

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Abbildung 1: Optischer Sensor

Was ist ein optischer Sensor?

Der Optischer Sensor Das Design basiert auf dem Wheatstone Bridge Circuit.In der Elektrotechnik verwendet eine Weizensteinbrücke eine Kombination aus bekannten und unbekannten Widerständen, um den Wert des unbekannten Widerstands durch Vergleich der Spannung zu bestimmen.Ebenso verwenden Lichtbrückensensoren eine Brückenstruktur mit vier Fotodetektoren, um Änderungen der Strahlposition zu erkennen.

Zunächst passt der Bediener die Position der Detektoren an, um sicherzustellen, dass der Strahl alle vier Detektoren gleichmäßig trifft.Wenn der Strahl abgelenkt wird, erfasst jeder Detektor eine andere Lichtintensität.Die Schaltung verarbeitet dann diese Signale, um die genaue Position und den Versatz des Strahls zu bestimmen.

Abbildung 2: optischer Sensor

Wenn sich der Strahl beispielsweise nach rechts bewegt, erhält der rechte Detektor mehr Licht und der linke Detektor erhält weniger Licht.Der Signalprozessor der Schaltung erkennt diese Änderung schnell und berechnet sie und gibt genaue Positionsdaten aus.Der Prozess ist schnell und sehr genau und macht optische Sensoren für automatisierte Geräte und hochpräzise Positionierungssysteme wichtig.

Arbeitsprinzip des optischen Sensors

Optische Sensoren erkennen die Lage oder das Vorhandensein von Objekten, indem sie Licht emittieren und Reflexionen oder Unterbrechungen dieser Strahlen erfassen.Der Sensor verwendet lichtemittierende Dioden (LEDs), um einen Lichtstrahl auszugeben.Wenn dieser Strahl auf ein Objekt trifft, kann er dem Sensor reflektiert oder vom Objekt blockiert werden.

Abbildung 3: Arbeitsprinzip des optischen Sensors

Auf einer automatisierten Montagelinie passen die Bediener die Position und Empfindlichkeit von Sensoren anhand der Eigenschaften des Objekts wie Material, Größe und erwarteter Ort an.Die Fähigkeit des Sensors, Objekte zu erkennen, ist unabhängig vom Material, ob Holz, Metall oder Kunststoff, was es ideal für multimaterialische Produktionsumgebungen macht.

Das Erkennen klarer Glasflaschen erfordert beispielsweise das Einstellen des Sensors, um transparente Materialien zu erkennen.Transparente Objekte reflektieren das Licht nicht effizient, sodass der Sensor eine höhere Empfindlichkeit oder eine spezielle Lichtquelle (z. B. Infrarot) benötigt.

Im Rahmen seines Designs bewertet der Sensor reflektierte oder unterbrochene Lichtstrahlen.Wenn ein Objekt den Strahl blockiert, sendet der Sensor sofort ein Signal an das Steuerungssystem, das den Standort oder die Passage des Objekts angibt.Wenn das Licht reflektiert wird, verwendet der Sensor die Intensität und den Winkel der Reflexion, um die Eigenschaften des Objekts wie Größe und Oberflächenmaterial zu bestimmen.

Arten von optischen Sensoren

Es gibt viele Arten von optischen Sensoren mit jeweils spezifischen Betriebsprinzipien und Anwendungen.Im Folgenden finden Sie einige häufige optische Sensortypen, die in realen Szenarien verwendet werden.

Photokondektielle Geräte verändern die Leitfähigkeit von Materialien basierend auf der Lichtintensität.Wenn Licht auf den Sensor schlägt, absorbieren die Elektronen im Material die Lichtenergie und springen zum Leitungsband, wodurch die Leitfähigkeit des Materials erhöht wird.Photokondektielle Geräte werden in Lichtintensitätserkennungssystemen wie automatischen Dimmlampen verwendet.Die Betreiber müssen umgebende Lichtbedingungen und Reaktionszeiten in Betracht ziehen, um eine präzise Steuerung bei der Anpassung dieser Geräte zu gewährleisten.

Photovoltaische Zellen (Solarzellen) wandeln Lichtergie durch den photoelektrischen Effekt in Halbleitermaterialien direkt in elektrische Energie um.Photonen erregen Elektronen vom Valenzband bis zum Leitungsband, erzeugen Elektronenlochpaare und erzeugen elektrischen Strom.Diese Batterien werden weit verbreitet für die Energieerzeugung und das Stromversorgungsgerät wie Satelliten und Überwachungskameras im Freien.

Abbildung 4: Photovoltaikzellen

Photodioden verwenden den photoelektrischen Effekt, um Licht in einen elektrischen Strom umzuwandeln.Wenn Licht auf den Aktivierungsbereich trifft, kann ihre interne Struktur schnell reagieren und einen elektrischen Strom erzeugen.Diese Sensoren werden üblicherweise in Leichtpulserkennungs- und Kommunikationsgeräten wie Fernbedienungen und Glasfasersystemen verwendet.

Abbildung 5: Fotodioden

Phototransistoren sind im Wesentlichen Fotodioden mit internem Gewinn.Wenn Licht auf den Basiskollektorverbiss eintritt, wird ein intern verstärkter Strom erzeugt, wodurch er zum Erkennen schwacher Lichtsignale geeignet ist.Diese Sensoren sind besonders nützlich für Anwendungen, die eine hohe Empfindlichkeit erfordern, wie z. B. optische Messgeräte in Labors.

Abbildung 6: Phototransistoren

Reflektierender Sensor

Reflexionssensoren kombinieren einen Sender und einen Empfänger in einem einzigen Gerät, sodass der emittierte Strahl über eine reflektierende Oberfläche oder eine Objektoberfläche dem Empfänger reflektiert wird.Wenn ein Objekt in den Pfad des Strahls eintritt, unterbricht es das Licht und löst den Sensor aus.

Um den Sensor einzurichten, muss er für eine optimale Reflexion korrekt positioniert und geneigt werden.Der Bediener muss die Position des Sensors einstellen, um sicherzustellen, dass die reflektierende Oberfläche groß genug ist und ordnungsgemäß ausgerichtet ist, um den Strahl zum Empfänger effektiv zu reflektieren.

In automatisierten Verpackungsleitungen erkennen beispielsweise reflektierende Sensoren Produkte, die sich auf einem Förderband bewegen.Der Bediener legt den Sensor auf eine Seite des Förderbandes und den glatten Reflektor auf der anderen Seite.Wenn ein Produkt durchgeht und den Strahl blockiert, erkennt der Sensor die Unterbrechung und sendet ein Signal, um Aktionen wie das Stoppen des Förderers oder das Übertragen des Produkts auszulösen.

Einer der Vorteile von reflektierenden Sensoren ist ihre Fähigkeit, über große Strecken und ihre Toleranz gegenüber einem breiten Bereich von Oberflächeneigenschaften zu operieren.Solange genug Licht reflektiert wird, können sie Objekte unabhängig von Farbe oder Oberflächenstruktur erkennen.Diese Vielseitigkeit macht reflektierende Sensoren ideal für industrielle Automatisierung, Roboternavigation und Artikelklassifizierungsaufgaben.

Durchstrahlsensor

Ein durchstrahlender Sensor besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem Sender und einem Empfänger, der sich gegenseitig entgegengesetzt ist, normalerweise in einiger Entfernung.Der Sender sendet kontinuierlich einen Lichtstrahl an den Empfänger.Wenn ein Objekt diesen Strahl blockiert, erkennt ein Empfänger die Okklusion und konvertiert sie in ein elektronisches Signal, das einen Schaltvorgang auslöst.

Um den Sensor einzurichten, müssen Sender und Empfänger genau ausgerichtet sein.Dies beinhaltet die Einstellung ihrer Position und des Winkels, damit der Strahl vom Sender direkt auf den Empfänger trifft.Die Bediener müssen Umgebungsfaktoren wie Hintergrundlicht und mögliche Störungsquellen berücksichtigen, um eine falsche Auslösen zu vermeiden.

Abbildung 7: Durchschnittssensor

Zum Beispiel Monitor am Eingang zu einem großen Lagerhaus überwachen Durchstrahlsensoren einen unbefugten Eintritt.Der Sender und der Empfänger werden auf beiden Seiten der Tür platziert.Wenn jemand oder ein Objekt durch die Tür verläuft, wird der Strahl unterbrochen und das System löst einen Alarm aus.

Einer der großen Vorteile von Durchschnittssensoren ist die Fähigkeit, über lange Strecken zu operieren und sie ideal für die Überwachung großer Bereiche.Die Erkennung basiert auf der Strahlunterbrechung, sodass der Sensor nicht auf Größe, Farbe oder Oberflächenstruktur des Objekts empfindlich ist.Das Objekt muss jedoch groß genug sein, um den optischen Pfad zwischen Sender und Empfänger vollständig abzudecken.

Durch die Strahlungssensoren werden in industriellen Automatisierungs- und Sicherheitssystemen häufig eingesetzt, insbesondere in Umgebungen, in denen eine Fernüberwachung und hohe Zuverlässigkeit erforderlich sind.Sie sind ideal, um Elemente auf Produktionsleitungen zu erkennen und Hochgeschwindigkeits-sich bewegende Objekte zu verfolgen.Durch das Verständnis dieser operativen Details können die Betreiber in einer Vielzahl von Anwendungen eine effiziente und zuverlässige Verwendung von Sensoren durch die Strahlung sicherstellen.

Diffuser Reflexionssensor

Diffuse Reflexionssensoren kombinieren Sender und Empfänger in einem Gerät.Es funktioniert, indem es Licht emittiert und Licht vom gemessenen Objekt zurückzieht.Der Sensor ist besonders nützlich, um Objekte mit komplexen Oberflächen oder Formen wie Stoff, Holz oder unregelmäßig geformtem Metall zu erfassen.

Stellen Sie zunächst die Empfindlichkeit des Sensors so ein, dass sie den reflektierenden Eigenschaften verschiedener Materialien und Farben entsprechen.Die Betreiber müssen die Geräte basierend auf dem spezifischen Reflexionsvermögen des Objekts anpassen.Dies stellt sicher, dass das reflektierte Licht ausreicht, damit der Empfänger erfasst wird, und vermeidet falsche Messungen aufgrund von zu starkem oder zu schwachem Licht.

Abbildung 8: Diffuser Reflexionssensor

In automatisierten Verpackungssystemen erkennen beispielsweise diffuse Reflexionssensoren Beschriftungen für Verpackungskästen.Der Bediener passt den Sensor so ein, dass die Maschine jede Box genau identifiziert, auch wenn die Etiketten unterschiedliche Reflektivitäten aufweisen.Dies erfordert eine genaue Kontrolle über die Intensität des emittierten Lichts und die Empfindlichkeit des Empfängers.

Diffuse Sensoren können Probleme aufgrund einer ungleichmäßigen Lichtstreuung haben, insbesondere wenn das von der Rückseite eines Objekts reflektierte Lichts konzentrierter ist als das von vorne reflektierte Licht.Um dieses Problem zu lösen, wird der Sensor mithilfe von Multi-Point-Erkennungstechnologie entwickelt, um Fehler zu reduzieren.Die Bediener müssen diese Faktoren berücksichtigen und experimentell die optimale Empfindlichkeit und den Emissionswinkel bestimmen, um eine genaue und zuverlässige Erkennung zu gewährleisten.

Regelmäßige Wartung und Kalibrierung gewährleisten einen langfristigen stabilen Betrieb.Dies beinhaltet die Reinigung der Sensorlinse, um zu verhindern, dass Staub und Verunreinigungen das Lichtübertragung beeinträchtigen.

Verschiedene Lichtquellen für optische Sensoren

Die Lichtquelle ist sehr wichtig für das Design und die Funktionalität von optischen Sensoren.Moderne optische Sensoren verwenden typischerweise eine monochromatische Lichtquelle, die ein stabiles, konsistentes Licht liefert, wodurch hochpräzise Messungen und optische Kommunikation ermöglicht werden.

Laser produzieren stark kohärente Lichtstrahlen durch anregende Atome in einem bestimmten Medium wie Gas, Kristall oder spezielles Glas.Der vom Laser erzeugte Strahl ist sehr fokussiert und kann über große Entfernungen ohne signifikante Ausbreitung übertragen werden.Dies macht sie ideal für Anwendungen, die präzise Positionierung und Fernkommunikation benötigen, wie z. B. Glasfaserkommunikation und Präzisionsmessgeräte.Im Betrieb erfordern Laser eine präzise Stromverwaltung und Umweltkontrolle, um eine stabile Leistung aufrechtzuerhalten.Aufgrund der potenziellen Gefahren von Lasern mit hoher Intensität müssen die Betreiber ein sicheres Lasermanagement sicherstellen.

LEDs (leichte Dioden) werden für kleine Größe, hohe Effizienz und lange Lebensdauer geschätzt.Sie emittieren Licht durch die Rekombination von Elektronen und Löchern in einem Halbleitermaterial (normalerweise dotierte Regionen vom N- und P-Typ).LEDs können einen weiten Bereich von Wellenlängen von Infrarot bis Utraviolett abdecken.Das inkohärente Licht von LEDs eignet sich für eine Vielzahl von Beleuchtungs- und Indikationsanwendungen wie Ampeln und intelligenten Beleuchtungssystemen.Das Bereitstellen von LEDs ist relativ einfach und erfordert keine komplexen Sicherheitsmaßnahmen wie Laser.Die Gewährleistung der Konsistenz und Haltbarkeit von LED -Lichtquellen erfordert jedoch eine genaue Stromsteuerung.

Beide Lichtquellen haben ihre Vor- und Nachteile.Die Wahl hängt von bestimmten Anwendungsanforderungen ab.Laser werden üblicherweise in präzisions optischen Experimenten und optischen Hochgeschwindigkeitskommunikation verwendet, während LEDs häufiger in Unterhaltungselektronik- und Markierungssystemen verwendet werden.

Flüssigpegelindikator basierend auf dem optischen Sensor

Ein auf einem optischer Sensor basierender Indikator auf Flüssigkeitsebene ist ein Präzisionsmesswerkzeug, das die Prinzipien der Brechung und Reflexion von Licht verwendet, um Änderungen im Flüssigkeitsebene zu erkennen.Es besteht aus drei Hauptkomponenten: einer Infrarot -LED, einem Phototransistor und einer transparenten Prismenspitze.

Abbildung 9: Sensor auf optischer Ebene

Wenn die Prismaspitze Luft ausgesetzt ist, erfährt das Licht der Infrarot -LED eine totale interne Reflexion innerhalb des Prismas und reflektiert den größten Teil des Lichts dem Phototransistor.In diesem Zustand erhält der Transistor mehr Licht und gibt ein höheres Signal aus.

Wenn die Prismaspitze in eine Flüssigkeit eintaucht, führt der Unterschied im Brechungsindex zwischen Flüssigkeit und Luft dazu, dass etwas Licht dem Prisma entkommt.Dies führt dazu, dass weniger Licht den Phototransistor erreicht, wodurch das von ihm empfangene Licht verringert wird und das Ausgangssignal verringert wird.

Installations- und Debugging -Schritte:

Stellen Sie sicher, dass es sauber ist: Die Prismenspitze muss sauber und frei von Kontaminationen sein, um ungenaue Messwerte zu vermeiden.Jeder Schmutz oder Rückstand wirkt sich auf die Lichtreflexion aus.

Positionieren Sie den Sensor: Richtig die Prismenspitze des Sensors mit dem erwarteten Bereich der Veränderungen des Flüssigkeitsspiegels.Stellen Sie die Position des Sensors so ein, dass er den Anstieg und Abfall des Flüssigkeitsspiegels genau erkennt.

Dieser Level -Indikator ist unabhängig von der Farbe oder Klarheit der Flüssigkeit wirksam.Es arbeitet zuverlässig in einer Vielzahl von flüssigen Medien, einschließlich turbiden oder farbigen Flüssigkeiten.Optische Sensoren bieten eine nichtkontakte Methode zur Messung des Flüssigkeitsspiegels, wodurch das Risiko von Sensorverschleiß und -verunreinigung verringert und damit die Lebensdauer der Geräte verlängert wird.

Anwendung optischer Sensoren

Aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit und Genauigkeit werden in vielen Bereichen optische Sensoren verwendet.Im Folgenden finden Sie eine Einführung in einige wichtige Anwendungsbereiche.

Computer und Büroautomatisierungsgeräte: In Computern und Kopierern steuern optische Sensoren die Position und Bewegung.Diese Sensoren gewährleisten beim Drucken einen korrekten Papiervorschub und Auswurf, wodurch Marmeladen und Fehler reduziert werden.Sie werden auch in automatisierten Beleuchtungskörpern wie Sensorlichtern in Fluren oder Konferenzräumen verwendet, in denen Personen erfasst und das Licht automatisch ein- und ausschalten, Energie sparen und die Bequemlichkeit erhöhen.

Sicherheits- und Überwachungssysteme: In Sicherheitssystemen werden optische Sensoren für die Intrusion -Erkennung häufig verwendet.Sie erkennen, wann ein Fenster oder eine Tür geöffnet wird, und lösen einen Alarm aus.In der Fotografie stellen optische Sensoren in Blitzsynchronisatoren sicher, dass der Blitz zum optimalen Moment für optimale Beleuchtungseffekte feuert.

Biomedizinische Anwendungen: Im medizinischen Bereich überwachen optische Sensoren die Atmung und die Herzfrequenz eines Patienten.Durch die Analyse von Veränderungen des reflektierten Lichts erkennen sie winzige Brustbewegungen, um die Atemfrequenz nicht invasiv zu überwachen.Optische Herzfrequenzmonitore verwenden LEDs, um Licht durch die Haut zu emittieren und die vom Blut absorbierte und reflektierte Menge zu erkennen, um die Herzfrequenz zu berechnen.

Umgebungslichtsensor: In Smartphones und Tablets stellen Umgebungslichtsensoren automatisch die Bildschirmhelligkeit an, um das Display basierend auf den umgebenden Lichtbedingungen zu optimieren und die Batterieenergie zu sparen.Diese Sensoren erfordern präzise Kalibrierungs- und empfindliche Reaktionseigenschaften, um sich an sich schnell verändernde Umgebungslichtbedingungen anzupassen und den Benutzern ein komfortables visuelles Erlebnis zu bieten.

Abschluss

Anwendungen optischer Sensoren in verschiedenen technologischen Bereichen zeigen ihre breite Funktionalität und effiziente Leistung.Von optischen Sensoren bis hin zu verschiedenen reflektierenden und durchstrahlenden Sensoren hat jede Art von optischer Sensor einzigartige Vorteile und kann unterschiedliche Inspektionsanforderungen erfüllen.In der industriellen Automatisierung bieten sie eine hohe Präzisionserkennung und -kontrolle.In der Unterhaltungselektronik verbessern sie die Intelligenz der Ausrüstung.In der Biomedizin- und Umweltüberwachung sorgen sie für die Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Daten.In Zukunft werden optische Sensoren mit dem kontinuierlichen Fortschritt und Innovation der Technologie eine wichtigere Rolle in aufstrebenderen Bereichen spielen und die Entwicklung verschiedener Branchen in Richtung Intelligenz und Automatisierung fördern.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Ist ein optischer Sensor analog oder digital?

Optische Sensoren können je nach Design und Ausgangssignal analog oder digital sein.Analoge optische Sensoren geben ein kontinuierlich variierendes Spannungssignal aus, das proportional zur erkannten Lichtintensität ist.Digitale optische Sensoren geben digitale Signale wie binäre Codes aus, die normalerweise durch einen integrierten Analog-Digital-Wandler aus analogen Signalen umgewandelt werden.

2. Was sind die Vorteile eines optischen Sensors?

Die Hauptvorteile optischer Sensoren sind:

Hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit: In der Lage, schwache Lichtsignale und subtile Objektänderungen zu erkennen.

Nichtkontaktmessung: Die Messung kann ohne Kontakt oder Interferenz mit dem Ziel durchgeführt werden, das zum Nachweis von fragilen oder gefährlichen Substanzen geeignet ist.

Schnelle Reaktionszeit: In der Lage, schnell auf optische Veränderungen in der Umgebung zu reagieren, geeignet für dynamische Messungen.

Breite Anpassungsfähigkeit: Kann unter einer Vielzahl von Umweltbedingungen arbeiten, einschließlich rauer oder gefährlicher Umgebungen.

3. Wie man einen optischen Sensor testet?

Tests optische Sensoren umfassen typischerweise die folgenden Schritte:

Bereiten Sie die Testumgebung vor: Stellen Sie sicher, dass Umgebungslichtbedingungen die Betriebsspezifikationen des Sensors erfüllen.

Schließen Sie das Gerät an: Schließen Sie den Sensor an ein Lesegerät an, z. B. einen Multimeter oder Computer.

Kalibrierung: Kalibrieren Sie den Sensor gemäß den Anweisungen des Herstellers, um die Genauigkeit zu gewährleisten.

Tragen Sie eine Testlichtquelle an: Verwenden Sie eine Lichtquelle mit bekanntem Helligkeit, um den Sensor zu beleuchten.

Lesen und Aufzeichnungsausgabe: Notieren Sie die Ausgabe des Sensors und überprüfen Sie, ob er nach Änderungen in der Lichtquelle reagiert.

4. Was ist der Unterschied zwischen einem optischen Sensor und einem Infrarotsensor?

Der Hauptunterschied zwischen optischen und Infrarotsensoren ist der Bereich der Lichtwellenlängen, die sie nachweisen.Optische Sensoren verweisen im Allgemeinen auf Sensoren, die Wellenlängen im sichtbaren Bereich erfassen können.Infrarotsensoren erkennen spezifische Infrarot -Lichtwellenlängen, die für das menschliche Auge unsichtbar sind.Infrarotsensoren werden üblicherweise in thermischen Bildgebungskameras, Nachtsichtausrüstung und einigen Arten von Kommunikationsgeräten verwendet.

5. Sind optische Sensoren passiv oder aktiv?

Optische Sensoren können entweder passiv oder aktiv sein, je nachdem, ob sie eine externe Lichtquelle benötigen.

Passive optische Sensoren: Es ist keine zusätzliche Lichtquelle erforderlich, sie erfassen Licht aus der Umgebung wie Sonnenlicht oder vorhandene Beleuchtung.

Aktive optische Sensoren: Erfordern Sie eine externe Lichtquelle, um das Ziel zu beleuchten und dann das vom Ziel reflektierte oder übertragene Licht zu erkennen.