Comprender sensores ópticos: tipos, principios e aplicacións
2024-05-24 9259

Os sensores ópticos xogan un papel clave na tecnoloxía electrónica moderna.Estes sensores detectan a situación, a presenza e as características dos obxectos emitindo e recibindo sinais de luz e son moi utilizados en campos como automatización industrial, electrónica de consumo, biomedicina e control ambiental.Este artigo afondará nos diferentes tipos, principios de traballo e aplicacións prácticas de sensores ópticos para axudar aos lectores a comprender plenamente a importancia e o potencial de aplicación dos sensores ópticos en varios escenarios técnicos.Desde a estrutura da ponte de sensores ópticos ata as características únicas de diferentes tipos de sensores ópticos, ata exemplos específicos en aplicacións do mundo real, este artigo revelará a diversidade e a complexidade dos sensores ópticos.

Catálogo

Figura 1: Sensor óptico

Que é un sensor óptico?

O Sensor óptico O deseño está baseado no circuíto de ponte de Wheatstone.Na enxeñaría eléctrica, unha ponte de trigo usa unha combinación de resistencias coñecidas e descoñecidas para determinar o valor da resistencia descoñecida comparando a tensión.Do mesmo xeito, os sensores de ponte de luz usan unha estrutura da ponte con catro fotodetectores para detectar cambios na posición do feixe.

En primeiro lugar, o operador axusta a posición dos detectores para asegurarse de que o feixe chegue de xeito uniforme os catro detectores.Cando o feixe está desviado, cada detector capta unha intensidade de luz diferente.O circuíto procesa entón estes sinais para determinar a posición exacta e a compensación do feixe.

Figura 2: sensor óptico

Por exemplo, se o feixe se move á dereita, o detector dereito recibe máis luz e o detector esquerdo recibe menos luz.O procesador de sinal do circuíto recoñece e calcula rapidamente este cambio, producindo datos de posición precisos.O proceso é rápido e altamente preciso, facendo que os sensores ópticos sexan importantes en equipos automatizados e sistemas de posicionamento de alta precisión.

Principio de traballo do sensor óptico

Os sensores ópticos detectan a situación ou a presenza de obxectos emitindo luz e capturando reflexións ou interrupcións destes raios.O sensor usa diodos emisores de luz (LEDs) para emitir un feixe de luz.Cando este feixe atopa un obxecto, pódese reflectir ao sensor ou bloqueado polo obxecto.

Figura 3: Principio de traballo do sensor óptico

Nunha liña de montaxe automatizada, os operadores axustan a posición e a sensibilidade dos sensores en función das características do obxecto, como material, tamaño e localización esperada.A capacidade do sensor para detectar obxectos é independente do material, xa sexa a madeira, o metal ou o plástico, tornándoo ideal para ambientes de produción de varios materiais.

Por exemplo, a detección de botellas de vidro claro require axustar o sensor para recoñecer materiais transparentes.Os obxectos transparentes non reflicten a luz de forma eficiente, polo que o sensor require maior sensibilidade ou unha fonte de luz especial (como infravermello).

Como parte do seu deseño, o sensor avalía os raios de luz reflectidos ou interrompidos.Cando un obxecto bloquea o feixe, o sensor envía inmediatamente un sinal ao sistema de control que indica a situación ou o paso do obxecto.Se a luz se reflicte, o sensor usa a intensidade e o ángulo da reflexión para determinar as características do obxecto, como o tamaño e o material superficial.

Tipos de sensores ópticos

Hai moitos tipos de sensores ópticos, cada un con principios e aplicacións de funcionamento específicas.A continuación móstranse algúns tipos de sensores ópticos comúns empregados en escenarios do mundo real.

Os dispositivos fotoconductores cambian a condutividade dos materiais en función da intensidade da luz.Cando a luz golpea o sensor, os electróns do material absorben a enerxía da luz e saltan á banda de condución, aumentando a condutividade do material.Os dispositivos fotoconductores úsanse en sistemas de detección de intensidade lixeira, como lámpadas automáticas de escurecemento.Os operadores deben considerar as condicións de luz ambiental e os tempos de resposta para garantir un control preciso ao axustar estes dispositivos.

As células fotovoltaicas (células solares) converten a enerxía da luz directamente en enerxía eléctrica a través do efecto fotoeléctrico en materiais de semiconductor.Os fotóns excitan electróns desde a banda de valencia ata a banda de condución, creando pares de buraco de electróns e xerando corrente eléctrica.Estas baterías son amplamente utilizadas para a produción de enerxía e alimentar dispositivos remotos como satélites e cámaras de vixilancia ao aire libre.

Figura 4: células fotovoltaicas

Os fotodiodos usan o efecto fotoeléctrico para converter a luz en corrente eléctrica.Cando a luz chega á área de activación, a súa estrutura interna pode responder rapidamente e xerar unha corrente eléctrica.Estes sensores úsanse habitualmente en equipos de detección e comunicación de pulso lixeiro como controis remotos e sistemas de fibra óptica.

Figura 5: fotodiodos

Os fototransistores son esencialmente fotodiodos con ganancia interna.Cando a luz golpea a unión do colector base, xérase unha corrente amplificada internamente, tornándoa adecuada para detectar sinais de luz débiles.Estes sensores son especialmente útiles en aplicacións que requiren alta sensibilidade, como equipos de medición ópticos nos laboratorios.

Figura 6: Fototransistores

Sensor reflexivo

Os sensores reflectantes combinan un transmisor e receptor nun único dispositivo, permitindo que o feixe emitido se reflicta ao receptor a través dunha superficie reflectante ou superficie do obxecto.Cando un obxecto entra no camiño do feixe, interrompe a luz, desencadeando o sensor.

Para configurar o sensor, cómpre situarse e inclinarse correctamente para unha reflexión óptima.O operador debe axustar a posición do sensor para asegurarse de que a superficie reflectante sexa o suficientemente grande e aliñada correctamente para reflectir eficazmente o feixe ao receptor.

Por exemplo, en liñas de embalaxe automatizadas, os sensores reflectantes detectan produtos que se moven nunha cinta transportadora.O operador coloca o sensor nun lado da cinta transportadora e o reflector liso do outro lado.Cando un produto pasa e bloquea o feixe, o sensor detecta a interrupción e envía un sinal para desencadear accións como parar o transportador ou transferir o produto.

Unha das vantaxes dos sensores reflectantes é a súa capacidade para operar a longas distancias e a súa tolerancia a unha ampla gama de propiedades superficiais.Sempre que se reflicta suficiente luz, poden detectar obxectos independentemente da cor ou da textura superficial.Esta versatilidade fai que os sensores reflexivos sexan ideais para automatización industrial, navegación por robots e tarefas de clasificación de elementos.

Sensor a través de feixe

Un sensor a través de feixe consta de dous compoñentes principais: un transmisor e un receptor, colocado unido entre si, normalmente a distancia.O transmisor envía continuamente un feixe de luz ao receptor.Cando un obxecto bloquea este feixe, un receptor detecta a oclusión e convérteo nun sinal electrónico, que desencadea unha operación de conmutación.

Para configurar o sensor, o transmisor e o receptor deben estar precisamente aliñados.Isto implica axustar a súa posición e ángulo para que o feixe do transmisor golpee directamente ao receptor.Os operadores deben considerar factores ambientais como a luz de fondo e as potenciais fontes de interferencia para evitar falsos desencadeantes.

Figura 7: Sensor a través do feixe a través

Por exemplo, na entrada a un gran almacén, os sensores a través de feixe a través do control para a entrada non autorizada.O transmisor e o receptor colócanse a ambos os dous lados da porta.Cando alguén ou un obxecto pasa pola porta, o feixe é interrompido e o sistema desencadea unha alarma.

Unha das grandes vantaxes dos sensores a través do feixe é a súa capacidade para operar a longas distancias, tornándoas ideais para controlar as grandes áreas.A detección baséase na interrupción do feixe, polo que o sensor non é sensible ao tamaño, cor ou estrutura superficial do obxecto.Non obstante, o obxecto debe ser o suficientemente grande como para cubrir completamente a ruta óptica entre o transmisor e o receptor.

Os sensores a través de feixe a través de sistemas de seguridade e automatización industrial, especialmente en ambientes onde se necesitan un control de longa distancia e alta fiabilidade.Son ideais para detectar elementos nas liñas de produción e rastrexar obxectos en movemento de alta velocidade.Ao entender estes detalles operativos, os operadores poden garantir un uso eficiente e fiable de sensores a través de feixe a través de diversas aplicacións.

Sensor de reflexión difusa

Os sensores de reflexión difusos combinan o transmisor e o receptor nun dispositivo.Funciona emitindo luz e recibindo luz espallada cara atrás do obxecto que se mide.O sensor é especialmente útil para detectar obxectos con superficies ou formas complexas, como tecido, madeira ou metal con forma irregular.

En primeiro lugar, configure a sensibilidade do sensor para que coincida coas propiedades reflectantes de diferentes materiais e cores.Os operadores necesitan axustar o equipo en función da reflectividade específica do obxecto.Isto garante que a luz reflectida é suficiente para que o receptor captase, evitando lecturas falsas debido a unha luz demasiado forte ou demasiado débil.

Figura 8: sensor de reflexión difusa

Por exemplo, nos sistemas de envasado automatizado, os sensores de reflexión difusos detectan etiquetas en caixas de envasado.O operador axusta o sensor de xeito que a máquina identifique con precisión cada caixa, aínda que as etiquetas teñan reflectividades diferentes.Isto require un control preciso da intensidade da luz emitida e da sensibilidade do receptor.

Os sensores difusos poden experimentar problemas debido á dispersión de luz desigual, especialmente cando a luz reflectida na parte traseira dun obxecto está máis concentrada que a luz reflectida desde a parte dianteira.Para resolver este problema, o sensor está deseñado mediante tecnoloxía de detección de varios puntos para reducir os erros.Os operadores deben considerar estes factores e determinar experimentalmente a sensibilidade óptima e o ángulo de emisión para garantir unha detección precisa e fiable.

Mantemento e calibración regulares garanten un funcionamento estable a longo prazo.Isto inclúe a limpeza da lente do sensor para evitar que o po e as impurezas interfiran na transmisión de luz.

Diferentes fontes de luz para sensores ópticos

A fonte de luz é moi importante para o deseño e funcionalidade de sensores ópticos.Os sensores ópticos modernos usan normalmente unha fonte de luz monocromática, que proporciona luz estable e consistente, permitindo medicións de alta precisión e comunicacións ópticas.

Os láseres producen vigas de luz altamente coherentes por átomos emocionantes nun medio específico, como un gas, un cristal ou un vaso especial.O feixe producido polo láser está moi centrado e pódese transmitir a longas distancias sen propagación significativa.Isto fai que sexan ideais para aplicacións que requiran posicionamento preciso e comunicacións de longa distancia, como comunicacións de fibra óptica e equipos de medición de precisión.En funcionamento, os láseres requiren unha xestión precisa da enerxía e o control ambiental para manter a saída estable.Debido aos posibles perigos de láseres de alta intensidade, os operadores deben asegurar unha xestión de láser segura.

Os LEDs (diodos emisores de luz) son valorados polo seu pequeno tamaño, alta eficiencia e longa vida.Emiten luz pola recombinación de electróns e buracos nun material de semiconductor (normalmente rexións dopadas de tipo N e P).Os LEDs poden cubrir unha ampla gama de lonxitudes de onda desde infravermello ata ultravioleta.A luz incoherente dos LEDs é adecuada para unha variedade de aplicacións de iluminación e indicación, como semáforos e sistemas de iluminación intelixentes.A implantación de LEDs é relativamente sinxela e non require medidas de seguridade complexas como os láseres.Non obstante, garantir a coherencia e a durabilidade das fontes de luz LED require un control de corrente preciso.

Ambas as fontes de luz teñen as súas vantaxes e desvantaxes.A elección depende dos requisitos específicos da aplicación.Os láseres úsanse habitualmente en experimentos ópticos de precisión e comunicacións ópticas de alta velocidade, mentres que os LEDs úsanse máis comúnmente nos sistemas de electrónica de consumo e marcación.

Indicador de nivel de líquido baseado no sensor óptico

Un indicador de nivel de líquido baseado nun sensor óptico é unha ferramenta de medición de precisión que usa os principios de refracción e reflexión da luz para detectar cambios no nivel de líquido.Consta de tres compoñentes principais: un LED infravermello, un fototransistor e unha punta de prisma transparente.

Figura 9: sensor de nivel óptico

Cando a punta do prisma está exposta ao aire, a luz do LED infravermello sofre unha reflexión interna dentro do prisma, reflectindo a maior parte da luz ao fototransistor.Neste estado, o transistor recibe máis luz e produce un sinal máis alto.

Cando a punta do prisma está inmersa nun líquido, a diferenza de índice de refracción entre o líquido e o aire fai que algo de luz escape o prisma.Isto fai que menos luz chegue ao fototransistor, reducindo así a luz que recibe e baixando o sinal de saída.

Pasos de instalación e depuración:

Asegúrese de que está limpo: a punta do prisma debe estar limpa e libre de contaminación para evitar lecturas imprecisas.Calquera lixo ou residuo afectará a reflexión da luz.

Coloque o sensor: aliña correctamente a punta do prisma do sensor co rango esperado de cambios de nivel de fluído.Axuste a posición do sensor para que detecte con precisión o aumento e a caída do nivel de líquido.

Este indicador de nivel é efectivo independentemente da cor ou claridade do líquido.Funciona de forma fiable nunha variedade de medios líquidos, incluídos líquidos turbios ou de cores.Os sensores ópticos proporcionan un método sen contacto de medición do nivel de líquido, reducindo o risco de desgaste e contaminación do sensor e, polo tanto, prolongar a vida dos equipos.

Aplicación de sensores ópticos

Os sensores ópticos úsanse en moitos campos debido á súa alta sensibilidade e precisión.A continuación móstrase unha introdución a algunhas áreas clave de aplicación.

Informática e equipos de automatización de oficinas: en ordenadores e copiadoras, sensores ópticos de control da posición e movemento do papel.Estes sensores aseguran un correcto avance e expulsión do papel durante a impresión, reducindo atascos e erros.Tamén se usan en luminarias automatizadas, como luces de sensores nos corredores ou salas de conferencias, que detectan a xente e acenden e apagan automaticamente as luces, aforrando enerxía e aumentando a comodidade.

Sistemas de seguridade e vixilancia: nos sistemas de seguridade, os sensores ópticos son amplamente utilizados para a detección de intrusións.Detectan cando se abre unha xanela ou unha porta e desencadea unha alarma.Na fotografía, os sensores ópticos en sincronizadores de flash aseguran que o flash se dispare no momento óptimo para efectos de iluminación óptimos.

Aplicacións biomédicas: no campo médico, os sensores ópticos controlan a respiración e a frecuencia cardíaca dun paciente.Analizando os cambios na luz reflectida, detectan pequenos movementos de peito para controlar non invasivamente a frecuencia respiratoria.Os monitores de frecuencia cardíaca óptica usan LEDs para emitir luz a través da pel e detectar a cantidade absorbida e reflectida polo sangue para calcular a frecuencia cardíaca.

Sensor de luz ambiente: en teléfonos intelixentes e tabletas, os sensores de luz ambiental axustan automaticamente o brillo da pantalla para optimizar a pantalla en función das condicións de luz circundante e aforrar enerxía da batería.Estes sensores requiren unha calibración precisa e características de resposta sensible para adaptarse ás condicións de luz ambiental rápidas e proporcionar aos usuarios unha experiencia visual cómoda.

Conclusión

As aplicacións de sensores ópticos en diversos campos tecnolóxicos demostran a súa ampla funcionalidade e o seu rendemento eficiente.Desde sensores ópticos a varios sensores reflexivos e a través de feixe a través, cada tipo de sensor óptico ten vantaxes únicas e pode satisfacer diferentes necesidades de inspección.Na automatización industrial, proporcionan detección e control de alta precisión;En electrónica de consumo, melloran a intelixencia dos equipos;No control de biomedicina e ambiental, aseguran a precisión e fiabilidade dos datos.No futuro, co avance continuo e a innovación da tecnoloxía, os sensores ópticos xogarán un papel máis importante en campos máis emerxentes e promoverán o desenvolvemento de diversas industrias en dirección á intelixencia e á automatización.

Preguntas frecuentes [preguntas frecuentes]

1. É un sensor óptico analóxico ou dixital?

Os sensores ópticos poden ser analóxicos ou dixitais, dependendo do seu deseño e do tipo de sinal de saída.Os sensores ópticos analóxicos saen dun sinal de tensión que varía continuamente que é proporcional á intensidade da luz detectada.Os sensores ópticos dixitais saen sinais dixitais, como códigos binarios, que normalmente se converten de sinais analóxicos a través dun convertedor analóxico a dixital incorporado.

2. Cales son as vantaxes dun sensor óptico?

As principais vantaxes dos sensores ópticos inclúen:

Alta sensibilidade e precisión: capaz de detectar sinais de luz débiles e cambios sutís de obxectos.

Medición sen contacto: a medición pódese realizar sen contacto ou interferencias co obxectivo, adecuado para a detección de substancias fráxiles ou perigosas.

Tempo de resposta rápida: capaz de responder rapidamente aos cambios ópticos no ambiente, adecuados para medicións dinámicas.

Amplia adaptabilidade: pode funcionar nunha variedade de condicións ambientais, incluíndo ambientes duros ou perigosos.

3. Como probar un sensor óptico?

A proba de sensores ópticos implica normalmente os seguintes pasos:

Prepare o ambiente de proba: Asegúrese de que as condicións de luz ambiental cumpran as especificacións de funcionamento do sensor.

Conecte o dispositivo: conecte o sensor a un dispositivo de lectura, como un multímetro ou ordenador.

Calibración: calibra o sensor segundo as instrucións do fabricante para garantir a precisión.

Aplique unha fonte de luz de proba: use unha fonte de luz de brillo coñecido para iluminar o sensor.

Saída de lectura e rexistro: Grava a saída do sensor e comproba que reacciona como se espera que se modifique na fonte de luz.

4. Cal é a diferenza entre un sensor óptico e un sensor infravermello?

A principal diferenza entre sensores ópticos e infravermellos é o rango de lonxitudes de onda de luz que detectan.Os sensores ópticos refírense xeralmente a sensores capaces de detectar lonxitudes de onda no rango visible.Os sensores infravermellos detectan especificamente as lonxitudes de onda de luz infravermellas, que son invisibles para o ollo humano.Os sensores infravermellos úsanse habitualmente en cámaras de imaxe térmica, equipos de visión nocturna e algúns tipos de equipos de comunicación.

5. Os sensores ópticos son pasivos ou activos?

Os sensores ópticos poden ser pasivos ou activos, dependendo de se precisan unha fonte de luz externa.

Sensores ópticos pasivos: non se precisa unha fonte de luz adicional, funcionan detectando luz do ambiente, como a luz solar ou a iluminación existente.

Sensores ópticos activos: requiren unha fonte de luz externa para iluminar o obxectivo e logo detectar a luz reflectida ou transmitida desde o obxectivo.