فهم المستشعرات البصرية: الأنواع والمبادئ والتطبيقات
2024-05-24 9207

تلعب المستشعرات البصرية دورًا رئيسيًا في التكنولوجيا الإلكترونية الحديثة.تكتشف هذه المستشعرات موقع الكائنات ووجودها وخصائصها من خلال انبعاث وتلقي إشارات الضوء وتستخدم على نطاق واسع في مجالات مثل الأتمتة الصناعية والإلكترونيات الاستهلاكية والطيد الحيوي والمراقبة البيئية.سوف تتدفق هذه المقالة في الأنواع المختلفة ومبادئ العمل والتطبيقات العملية للأجهزة الاستشعار البصرية لمساعدة القراء على فهم أهمية وتطبيق إمكانات التطبيقات لأجهزة الاستشعار البصرية في سيناريوهات فنية مختلفة.من بنية جسر المستشعرات البصرية إلى الخصائص الفريدة لأنواع مختلفة من المستشعرات البصرية ، إلى أمثلة محددة في تطبيقات العالم الحقيقي ، ستكشف هذه المقالة عن تنوع وتعقيد المستشعرات البصرية.

كتالوج

الشكل 1: المستشعر البصري

ما هو المستشعر البصري؟

ال مستشعر بصري ويستند التصميم على دائرة الجسر Wheatstone.في الهندسة الكهربائية ، يستخدم جسر Wheatstone مجموعة من المقاومات المعروفة وغير المعروفة لتحديد قيمة المقاوم غير المعروف من خلال مقارنة الجهد.وبالمثل ، تستخدم مستشعرات الجسر الخفيف بنية الجسر مع أربعة أجهزة كاشفة ضوئية للكشف عن التغييرات في موضع الحزمة.

أولاً ، يقوم المشغل بضبط موضع الكاشفات للتأكد من أن الحزمة تضرب جميع الكاشفات الأربعة بالتساوي.عندما يتم انحراف الحزمة ، يلتقط كل كاشف شدة مختلفة من الضوء.ثم تقوم الدوائر بمعالجة هذه الإشارات لتحديد الموضع الدقيق وإزاحة الحزمة.

الشكل 2: المستشعر البصري

على سبيل المثال ، إذا انتقلت الحزمة إلى اليمين ، فإن الكاشف الأيمن يتلقى المزيد من الضوء ويتلقى الكاشف الأيسر إضاءة أقل.يتعرف معالج إشارة الدائرة بسرعة على هذا التغيير ويحسبه ، وإخراج بيانات الموضع الدقيقة.هذه العملية سريعة ودقيقة للغاية ، مما يجعل المستشعرات البصرية مهمة في المعدات الآلية وأنظمة تحديد المواقع عالية الدقة.

مبدأ العمل للمستشعر البصري

تكتشف المستشعرات البصرية موقع أو وجود كائنات عن طريق انبعاث الضوء والتقاط انعكاسات أو انقطاع هذه الأشعة.يستخدم المستشعر الثنائيات الباعثة للضوء (LEDs) لإبعاد شعاع من الضوء.عندما تواجه هذه الشعاع كائنًا ، يمكن أن ينعكس على المستشعر أو تم حظره بواسطة الكائن.

الشكل 3: مبدأ العمل للمستشعر البصري

على خط التجميع الآلي ، يقوم المشغلون بضبط موضع وحساسية المستشعرات بناءً على خصائص الكائن ، مثل المواد والحجم والموقع المتوقع.قدرة المستشعر على اكتشاف الأشياء مستقلة عن المادة ، سواء كانت الخشب أو المعدن أو البلاستيك ، مما يجعلها مثالية لبيئات الإنتاج متعددة المواد.

على سبيل المثال ، يتطلب اكتشاف زجاجات زجاجية واضحة ضبط المستشعر للتعرف على مواد شفافة.الكائنات الشفافة لا تعكس الضوء بكفاءة ، لذلك يتطلب المستشعر حساسية أعلى أو مصدر إضاءة خاص (مثل الأشعة تحت الحمراء).

كجزء من تصميمه ، يقوم المستشعر بتقييم عوارض الضوء المنعكسة أو المقطوعة.عندما يقوم كائن بحظر الحزمة ، يرسل المستشعر على الفور إشارة إلى نظام التحكم الذي يشير إلى موقع الكائن أو مروره.إذا انعكس الضوء ، يستخدم المستشعر شدة وزاوية الانعكاس لتحديد خصائص الكائن ، مثل الحجم والمواد السطحية.

أنواع المستشعرات البصرية

هناك العديد من أنواع المستشعرات البصرية ، ولكل منها مبادئ وتطبيقات تشغيل محددة.فيما يلي بعض أنواع المستشعرات البصرية الشائعة المستخدمة في سيناريوهات العالم الحقيقي.

تعمل الأجهزة الضوئية على تغيير موصلية المواد القائمة على شدة الضوء.عندما يضرب الضوء المستشعر ، تمتص الإلكترونات الموجودة في المادة طاقة الضوء والقفز إلى نطاق التوصيل ، مما يزيد من توصيل المواد.يتم استخدام الأجهزة الضوئية في أنظمة الكشف عن كثافة الضوء ، مثل مصابيح التعتيم التلقائي.يحتاج المشغلون إلى النظر في ظروف الإضاءة المحيطة وأوقات الاستجابة لضمان التحكم الدقيق عند ضبط هذه الأجهزة.

تقوم الخلايا الكهروضوئية (الخلايا الشمسية) بتحويل الطاقة الضوئية مباشرة إلى الطاقة الكهربائية من خلال التأثير الكهروضوئي في مواد أشباه الموصلات.يثير الفوتونات الإلكترونات من نطاق التكافؤ إلى نطاق التوصيل ، وخلق أزواج ثقب الإلكترون وتوليد التيار الكهربائي.تستخدم هذه البطاريات على نطاق واسع لإنتاج الطاقة وتشغيل الأجهزة البعيدة مثل الأقمار الصناعية وكاميرات المراقبة في الهواء الطلق.

الشكل 4: الخلايا الكهروضوئية

استخدامات الضوئية تستخدم التأثير الكهروضوئي لتحويل الضوء إلى تيار كهربائي.عندما يضرب الضوء منطقة التنشيط ، يمكن أن يستجيب بنيةها الداخلية بسرعة وتوليد تيار كهربائي.تُستخدم هذه المستشعرات بشكل شائع في الكشف عن نبض الضوء ومعدات الاتصالات مثل عناصر التحكم عن بُعد وأنظمة الألياف البصرية.

الشكل 5: الضوئيات الضوئية

الناقلات الضوئية هي أساسا الضوئية مع مكسب داخلي.عندما يضرب الضوء تقاطع القاعدة القاعدة ، يتم إنشاء تيار مضخم داخليًا ، مما يجعله مناسبًا للكشف عن إشارات الضوء الضعيفة.هذه المستشعرات مفيدة بشكل خاص في التطبيقات التي تتطلب حساسية عالية ، مثل معدات القياس البصرية في المختبرات.

الشكل 6: الناقلات الضوئية

مستشعر عاكس

تجمع أجهزة الاستشعار العاكسة بين جهاز الإرسال والمستقبل في جهاز واحد ، مما يسمح بانعكاس الحزمة المنبعثة على المتلقي من خلال سطح عاكس أو سطح كائن.عندما يدخل كائن مسار الحزمة ، فإنه يقطع الضوء ، مما يؤدي إلى استشعار.

لإعداد المستشعر ، يجب وضعه ومملة بشكل صحيح من أجل الانعكاس الأمثل.يجب على المشغل ضبط موضع المستشعر للتأكد من أن السطح العاكس كبير بما يكفي ومحاذاة بشكل صحيح لتعكس الحزمة بشكل فعال للمستقبل.

على سبيل المثال ، في خطوط التغليف الآلية ، تكتشف أجهزة الاستشعار العاكسة أن المنتجات تتحرك على حزام ناقل.يضع المشغل المستشعر على جانب واحد من حزام النقل والعاكس السلس على الجانب الآخر.عندما يمر المنتج ويحظر الحزمة ، يكتشف المستشعر الانقطاع ويرسل إشارة إلى تشغيل إجراءات مثل إيقاف الناقل أو نقل المنتج.

تتمثل إحدى مزايا المستشعرات العاكسة في قدرتها على العمل على مسافات طويلة وتسامحها مع مجموعة واسعة من خصائص السطح.طالما ينعكس ما يكفي من الضوء ، يمكنهم اكتشاف الكائنات بغض النظر عن الملمس للألوان أو السطح.هذا التنوع يجعل المستشعرات العاكسة مثالية للأتمتة الصناعية ، والتنقل الروبوت ، ومهام تصنيف العناصر.

مستشعر من خلال الحزمة

يتكون جهاز استشعار من خلال الحزمة من مكونين رئيسيين: جهاز إرسال وجهاز استقبال ، يوضع مقابل بعضهما البعض ، عادة على مسافة.يرسل جهاز الإرسال باستمرار شعاع الضوء إلى المتلقي.عندما يحجب كائن هذا الحزمة ، يكتشف جهاز الاستقبال انسداده ويحوله إلى إشارة إلكترونية ، مما يؤدي إلى تشغيل عملية التبديل.

لإعداد المستشعر ، يجب أن يكون جهاز الإرسال والمستقبل محاذاة بدقة.يتضمن ذلك ضبط موضعهم وزاويةهم بحيث يضرب الحزمة من جهاز الإرسال جهاز الاستقبال مباشرة.يجب على المشغلين النظر في العوامل البيئية مثل ضوء الخلفية والمصادر المحتملة للتداخل لتجنب التشغيل الخاطئ.

الشكل 7: مستشعر الحزمة

على سبيل المثال ، عند مدخل مستودع كبير ، مراقبة مستشعرات من خلال الحزمة للدخول غير المصرح به.يتم وضع جهاز الإرسال والمستقبل على جانبي الباب.عندما يمر شخص ما أو كائن من الباب ، يتم مقاطعة الحزمة ويؤدي النظام إلى إنذار.

تتمثل إحدى المزايا العظيمة لأجهزة استشعار الحزمة في العمل على مسافات طويلة ، مما يجعلها مثالية لمراقبة المساحات الكبيرة.يعتمد الكشف على انقطاع الشعاع ، وبالتالي فإن المستشعر غير حساس لحجم أو لون أو بنية السطح للكائن.ومع ذلك ، يجب أن يكون الكائن كبيرًا بما يكفي لتغطية المسار البصري تمامًا بين جهاز الإرسال والمستقبل.

تستخدم أجهزة استشعار الحزمة على نطاق واسع في أنظمة الأتمتة والأمان الصناعي ، وخاصة في البيئات التي تكون هناك حاجة إلى مراقبة المسافات الطويلة والموثوقية العالية.إنها مثالية لاكتشاف العناصر على خطوط الإنتاج وتتبع الكائنات المتحركة عالية السرعة.من خلال فهم هذه التفاصيل التشغيلية ، يمكن للمشغلين ضمان الاستخدام الفعال والموثوق بأجهزة استشعار من خلال الحزمة في مجموعة متنوعة من التطبيقات.

مستشعر انعكاس منتشر

تجمع مستشعرات الانعكاس المنتشرة بين جهاز الإرسال والمستقبل في جهاز واحد.إنه يعمل عن طريق انبعاث الضوء واستلام الضوء المنتشرة من الكائن الذي يتم قياسه.يعد المستشعر مفيدًا بشكل خاص للكشف عن الأشياء ذات الأسطح أو الأشكال المعقدة ، مثل القماش أو الخشب أو المعدن غير المنتظم.

أولاً ، قم بتعيين حساسية المستشعر لتتناسب مع الخصائص العاكسة للمواد والألوان المختلفة.يحتاج المشغلون إلى ضبط المعدات بناءً على الانعكاس المحدد للكائن.هذا يضمن أن يكون الضوء المنعكس كافياً لالتقاط المتلقي ، وتجنب القراءات الخاطئة بسبب الضوء القوي أو الضعيف للغاية.

الشكل 8: مستشعر انعكاس منتشر

على سبيل المثال ، في أنظمة التغليف الآلية ، تكتشف مستشعرات الانعكاس المنتشرة الملصقات على صناديق التغليف.يقوم المشغل بضبط المستشعر بحيث يحدد الجهاز بدقة كل مربع ، حتى لو كان للعلامات انعكاسات مختلفة.هذا يتطلب التحكم الدقيق في شدة الضوء المنبعث وحساسية المتلقي.

يمكن أن تواجه أجهزة استشعار المنتشر مشاكل بسبب نثر الضوء غير المتكافئ ، خاصة عندما يكون الضوء المنعكس من الجزء الخلفي من كائن أكثر تركيزًا من الضوء المنعكس من الأمام.لحل هذه المشكلة ، تم تصميم المستشعر باستخدام تقنية الكشف المتعددة النقاط لتقليل الأخطاء.يجب أن ينظر المشغلون في هذه العوامل وتحديد الحساسية المثلى وزاوية الانبعاث لضمان اكتشاف دقيق وموثوق.

الصيانة المنتظمة والمعايرة تضمن التشغيل المستقر على المدى الطويل.ويشمل ذلك تنظيف عدسة المستشعر لمنع الغبار والشوائب من التدخل مع انتقال الضوء.

مصادر إضاءة مختلفة لأجهزة الاستشعار البصرية

مصدر الضوء مهم للغاية لتصميم ووظائف المستشعرات البصرية.تستخدم المستشعرات البصرية الحديثة عادة مصدر ضوء أحادي اللون ، والذي يوفر ضوءًا ثابتًا ومتسقًا ، مما يتيح قياسات عالية الدقة والاتصالات البصرية.

تنتج الليزر عوارضًا متماسكة للغاية من الضوء من خلال ذرات مثيرة في وسيط معين ، مثل الغاز أو البلورة أو كوب خاص.الشعاع الذي ينتجه الليزر مركّز للغاية ويمكن أن ينتقل على مسافات طويلة دون انتشار كبير.وهذا يجعلها مثالية للتطبيقات التي تتطلب تحديد موقع واتصالات طويلة ، مثل الاتصالات البصرية الألياف ومعدات قياس الدقة.في العملية ، تتطلب الليزر إدارة طاقة دقيقة والتحكم البيئي للحفاظ على مخرجات مستقرة.نظرًا للمخاطر المحتملة لليزر عالي الكثافة ، يجب على المشغلين ضمان إدارة الليزر الآمن.

يتم تقدير LEDs (الثنائيات المنبعثة للضوء) لحجمها الصغير ، وكفاءتها العالية ، والحياة الطويلة.إنها تنبعث من الضوء عن طريق إعادة تركيب الإلكترونات والثقوب في مادة أشباه الموصلات (عادة ما تكون مناطق مخدرة من النوع N و P).يمكن أن تغطي LEDs مجموعة واسعة من الأطوال الموجية من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية.إن الضوء غير المتماسك للمصابيح LED مناسب لمجموعة متنوعة من تطبيقات الإضاءة والمؤشرات ، مثل إشارات المرور وأنظمة الإضاءة الذكية.إن نشر LEDs بسيط نسبيًا ولا يتطلب تدابير أمان معقدة مثل الليزر.ومع ذلك ، فإن ضمان اتساق ومتانة مصادر مصباح LED يتطلب تحكمًا دقيقًا دقيقًا.

كلا المصادر الخفيفة لها مزاياها وعيوبها.يعتمد الاختيار على متطلبات التطبيق المحددة.تُستخدم الليزر بشكل شائع في التجارب البصرية الدقيقة والاتصالات البصرية عالية السرعة ، بينما يتم استخدام LEDs بشكل أكثر شيوعًا في أنظمة الإلكترونيات والعلامات الاستهلاكية.

مؤشر مستوى السائل على أساس المستشعر البصري

مؤشر المستوى السائل القائم على المستشعر البصري هو أداة قياس دقيقة تستخدم مبادئ الانكسار وانعكاس الضوء للكشف عن التغيرات في المستوى السائل.وهو يتألف من ثلاثة مكونات رئيسية: LED الأشعة تحت الحمراء ، ونقل الصور ، ونصيحة منظور شفافة.

الشكل 9: مستشعر المستوى البصري

عندما يتعرض طرف المنشور للهواء ، يخضع الضوء من LED الأشعة تحت الحمراء إلى انعكاس داخلي كامل داخل المنشور ، مما يعكس معظم الضوء إلى الناقلات الضوئية.في هذه الحالة ، يتلقى الترانزستور المزيد من الضوء ويخرج إشارة أعلى.

عندما يتم غمر طرف المنشور في سائل ، فإن الفرق في مؤشر الانكسار بين السائل والهواء يؤدي إلى الهروب من بعض الضوء.يؤدي هذا إلى الوصول إلى الناقلات الضوئية الأقل ، مما يقلل من الضوء الذي يتلقىه وخفض إشارة الخرج.

خطوات التثبيت والتصحيح:

تأكد من أن نصيحة المنشور يجب أن تكون نظيفة وخالية من التلوث لمنع القراءات غير الدقيقة.أي الأوساخ أو بقايا سوف تؤثر على انعكاس الضوء.

ضع المستشعر: قم بمحاذاة نصيحة المنشور الخاصة بالمستشعر بشكل صحيح مع النطاق المتوقع لتغيير مستوى السائل.اضبط موضع المستشعر بحيث يكتشف بدقة ارتفاع وسقوط المستوى السائل.

مؤشر المستوى هذا فعال بغض النظر عن لون أو وضوح السائل.إنه يعمل بشكل موثوق في مجموعة متنوعة من الوسائط السائلة ، بما في ذلك السوائل العكر أو الملونة.توفر أجهزة الاستشعار البصرية طريقة غير متوفرة لقياس المستوى السائل ، مما يقلل من خطر تآكل المستشعر والتلوث ، وبالتالي تمديد عمر المعدات.

تطبيق أجهزة الاستشعار البصرية

يتم استخدام أجهزة الاستشعار البصرية في العديد من الحقول بسبب حساسيتها عالية ودقتها.فيما يلي مقدمة لبعض مجالات التطبيق الرئيسية.

أجهزة الكمبيوتر وأتمتة المكاتب: في أجهزة الكمبيوتر والناسخ ، تحكم أجهزة الاستشعار البصرية في وضع الورق والحركة.تضمن هذه المستشعرات التقدم الورقي الصحيح والطرد أثناء الطباعة ، وتقليل المربى والأخطاء.يتم استخدامها أيضًا في تركيبات الإضاءة الآلية ، مثل مصابيح المستشعرات في الممرات أو غرف المؤتمرات ، التي تكتشف الأشخاص وتشغيل الأضواء تلقائيًا وتوفير الطاقة وزيادة الراحة.

أنظمة الأمان والمراقبة: في أنظمة الأمان ، تستخدم أجهزة الاستشعار البصرية على نطاق واسع للكشف عن التسلل.يكتشفون عند فتح نافذة أو باب ويؤدي إلى إنذار.في التصوير الفوتوغرافي ، تضمن أجهزة الاستشعار البصرية في متزامنات الفلاش أن يطلق الفلاش في اللحظة المثلى لتأثيرات الإضاءة المثلى.

التطبيقات الطبية الحيوية: في المجال الطبي ، تراقب أجهزة الاستشعار البصرية تنفس المريض ومعدل ضربات القلب.من خلال تحليل التغيرات في الضوء المنعكس ، يكتشفون حركات الصدر الصغيرة لمراقبة معدل التنفس بشكل غير مهتم.تستخدم شاشات معدل ضربات القلب البصرية مصابيح LED في انبعاث الضوء من خلال الجلد واكتشاف الكمية الممتصة والانعكاس من الدم لحساب معدل ضربات القلب.

مستشعر الضوء المحيط: في الهواتف الذكية والأجهزة اللوحية ، تقوم مستشعرات الضوء المحيط تلقائيًا بضبط سطوع الشاشة لتحسين الشاشة استنادًا إلى ظروف الضوء المحيطة وتوفير طاقة البطارية.تتطلب هذه المستشعرات معايرة دقيقة وخصائص استجابة حساسة للتكيف مع ظروف الإضاءة المحيطة المتغيرة بسرعة وتزويد المستخدمين بتجربة بصرية مريحة.

خاتمة

تُظهر تطبيقات المستشعرات البصرية في مختلف المجالات التكنولوجية وظائفها الواسعة وأدائها الفعال.من أجهزة الاستشعار البصرية إلى أجهزة استشعار عاكسة ومختلف من خلال الحزم ، فإن كل نوع من المستشعرات البصرية له مزايا فريدة ويمكنه تلبية احتياجات التفتيش المختلفة.في الأتمتة الصناعية ، فإنها توفر الكشف والتحكم عالي الدقة ؛في الإلكترونيات الاستهلاكية ، يحسنون ذكاء المعدات ؛في الطب الحيوي والمراقبة البيئية ، فإنها تضمن دقة وموثوقية البيانات.في المستقبل ، مع التقدم المستمر والابتكار في التكنولوجيا ، ستلعب أجهزة الاستشعار البصرية دورًا أكثر أهمية في المجالات الناشئة وتعزيز تطوير مختلف الصناعات في اتجاه الذكاء والأتمتة.

الأسئلة المتداولة [الأسئلة الشائعة]

1. هل المستشعر البصري تمثيلي أم رقمي؟

يمكن أن تكون المستشعرات البصرية تمثيلية أو رقمية ، اعتمادًا على تصميمها ونوع إشارة الإخراج.المستشعرات البصرية التناظرية تخرج إشارة جهد متباينة باستمرار تتناسب مع كثافة الضوء المكتشفة.تقوم المستشعرات البصرية الرقمية بإخراج الإشارات الرقمية ، مثل الرموز الثنائية ، والتي يتم تحويلها عادةً من الإشارات التناظرية من خلال محول تمثيلي إلى رقمي.

2. ما هي مزايا المستشعر البصري؟

تشمل المزايا الرئيسية لأجهزة الاستشعار البصرية:

حساسية عالية ودقة: قادرة على اكتشاف إشارات الضوء الضعيفة وتغييرات الكائنات الدقيقة.

القياس غير المتصل: يمكن إجراء القياس دون اتصال أو تدخل مع الهدف ، مناسب للكشف عن المواد الهشة أو الخطرة.

وقت الاستجابة السريعة: قادرة على الاستجابة بسرعة للتغيرات البصرية في البيئة ، مناسبة للقياسات الديناميكية.

القدرة على التكيف الواسعة: يمكن أن تعمل في مجموعة متنوعة من الظروف البيئية ، بما في ذلك البيئات القاسية أو الخطرة.

3. كيفية اختبار مستشعر بصري؟

يتضمن اختبار المستشعرات البصرية عادة الخطوات التالية:

قم بإعداد بيئة الاختبار: تأكد من أن ظروف الإضاءة المحيطة تلبي مواصفات تشغيل المستشعر.

قم بتوصيل الجهاز: قم بتوصيل المستشعر بجهاز قراءة ، مثل مقياس متعدد أو كمبيوتر.

المعايرة: معايرة المستشعر وفقًا لتعليمات الشركة المصنعة لضمان الدقة.

تطبيق مصدر ضوء الاختبار: استخدم مصدر ضوء السطوع المعروف لإلقاء الضوء على المستشعر.

قراءة وتسجيل الإخراج: سجل إخراج المستشعر وتحقق من أنه يتفاعل كما هو متوقع للتغييرات في مصدر الضوء.

4. ما هو الفرق بين المستشعر البصري ومستشعر الأشعة تحت الحمراء؟

الفرق الرئيسي بين أجهزة الاستشعار البصرية والأشعة تحت الحمراء هو نطاق أطوال الموجات الضوئية التي يكتشفونها.تشير أجهزة الاستشعار البصرية عمومًا إلى أجهزة استشعار قادرة على استشعار أطوال الموجات في النطاق المرئي.تكتشف أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء على وجه التحديد أطوال موجية الضوء بالأشعة تحت الحمراء ، والتي لا تتمتع بعينها غير مرئية للعين البشرية.تستخدم أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء بشكل شائع في كاميرات التصوير الحراري ، ومعدات الرؤية الليلية ، وبعض أنواع معدات الاتصالات.

5. هل أجهزة الاستشعار البصرية سلبية أم نشطة؟

يمكن أن تكون المستشعرات البصرية إما سلبية أو نشطة ، وهذا يتوقف على ما إذا كانت تتطلب مصدر ضوء خارجي.

أجهزة الاستشعار البصرية السلبية: لا يلزم وجود مصدر إضافي للضوء ، فهي تعمل عن طريق اكتشاف الضوء من البيئة ، مثل ضوء الشمس أو الإضاءة الموجودة.

أجهزة الاستشعار البصرية النشطة: تتطلب مصدر إضاءة خارجي لإلقاء الضوء على الهدف ثم اكتشاف الضوء المنعكس أو ينتقل من الهدف.