Spis treści:
Czujniki optyczne realizują zadania od liczenia i pozycjonowania po wykrywanie bezdotykowe. Zasadniczo czujniki optyczne działają poprzez przekształcanie promieni świetlnych w sygnały elektroniczne, które są następnie kodowane przez zintegrowane urządzenia pomiarowe. A skoro optyka czujników znajduje zastosowanie w wielu branżach, w tym w opiece zdrowotnej, elektronice użytkowej, produkcji komercyjnej i wytwórstwie, to znaczy, że jest na fali i warto dowiedzieć się o niej trochę więcej.
Jak działają czujniki optyczne?
Czujnik optyczny to urządzenie, które wykorzystuje światło lub inne zakresy promieniowania elektromagnetycznego w celu pomiaru, detekcji lub monitorowania określonych właściwości środowiska, obiektów lub substancji.
Czujniki optyczne wykorzystują zjawiska związane z interakcją światła z materiałami, umożliwiając precyzyjne pomiaru różnych parametrów. Ich wnętrze różni się od rodzaju, którymi jeszcze się zajmiemy. Wiele czujników optycznych korzysta z wbudowanego źródła światła, które wysyła promieniowanie elektromagnetyczne w kierunku obiektu lub obszaru, który ma być monitorowany.
Rodzaj źródła światła zależy od zastosowania, na przykład może to być dioda LED albo laser. Odbiornik światła zbiera następnie odbite lub przechodzące przez obiekt światło. Może to być fotodetektor, fotodioda, fototranzystor lub inny komponent, który rejestruje ilość padającego światła. W celu kierowania lub zbierania światła w określony sposób stosuje się soczewki działające na wzór zwierciadła.
Całość nie obędzie się bez elektroniki sterującej, a czasami mikroprocesora lub układu scalonego. Dzięki tym bardziej zaawansowanym komponentom rozszerza się gama operacji do wykonania, na przykład analiza danych, kalibracja i komunikacja z innymi systemami.
Rodzaje czujników optycznych według sposobu działania
Czujniki optyczne przelotowe
System czujnika przelotowego działa przy użyciu wiązek światła, które są odbierane przez odbiornik z nadajnika – jeśli te wiązki światła są zasłonięte, zablokowane lub przerwane, odbiornik zinterpretuje to jako sygnał przełączający, który można następnie przekonwertować i odczytać za pomocą zintegrowanego urządzenia pomiarowego. Te popularne czujniki optyczne umożliwiają przepuszczanie dużych obiektów i są w stanie mierzyć kolor, współczynnik odbicia i strukturę powierzchni przedmiotów. Czyni je to popularnymi w środowisku komercyjnym i przemysłowym jako sposób liczenia, sprawdzania i organizowania w magazynowaniu.
Czujniki optyczne odblaskowe (odbiciowe)
W przeciwieństwie do czujników przelotowych czujniki odblaskowe posiadają zarówno nadajnik, jak i odbiornik, które są umieszczone w jednym urządzeniu. Wiązka światła jest kierowana z nadajnika do odbiornika za pośrednictwem ekranu odblaskowego, choć główna zasada pozostaje taka sama. Gdy wiązka światła zostanie przerwana lub zakłócona przez inny obiekt, pojawia się sygnał przełączający, a użytkownik może odczytać odpowiednie dane ze zintegrowanego urządzenia pomiarowego jednostki. Zalety stosowania czujników odblaskowych obejmują stabilność i łatwość odtworzenia, ponieważ użytkownik nie musi martwić się o pozycjonowanie nadajnika i odbiornika, więc dość łatwo osiągnąć powtarzalne wyniki bez żadnych odchyleń. Są również skuteczne w wychwytywaniu przezroczystych materiałów, takich jak szkło i obiekty o różnym kolorze, strukturze i rozmiarze.
Rozproszone czujniki optyczne odbiciowe
Po raz kolejny mamy tutaj tak nadajnik, jak i odbiornik w jednym urządzeniu, ale transmitowane światło jest odbijane przez rzeczywisty wykrywany obiekt, a nie przez oddzielny ekran lub wyznaczoną przestrzeń. Tylna część czujnika odbiciowego jest zwykle bardziej czuła niż przednia, wobec czego urządzenia te bywają problematyczne w przełączaniu. Niezależnie od wybranych ustawień czułości może się okazać, że czujnik jest podatny na nieoczekiwane operacje i często mylące odczyty. Nadal jednak czujniki odbiciowe są popularnym wyborem w warunkach przemysłowych ze względu na ich względną opłacalność i czułość.
Rodzaje czujników optycznych według zadań
Prezentowany podział jest poniekąd umowny i zależy od przyjętej systematyki. W poniższej liście pojawia się na przykład zyskujący popularność LiDAR, który tyczy się raczej sposobu działania. Możemy przedstawić sprawę nieco konkretniej, gdy mowa o tym, co dany czujnik ma wykrywać, a raczej: do czego służyć.
- Czujniki światła wykrywają natężenie światła w danym obszarze. Mogą być stosowane do monitorowania poziomu oświetlenia w pomieszczeniach, regulacji oświetlenia w zależności od warunków atmosferycznych lub wykrywania zmian oświetlenia w systemach bezpieczeństwa.
- Spokrewnione z nimi czujniki koloru pozwalają na identyfikację kolorów obiektów poprzez analizę składu widma światła odbijającego się od nich.Znajdziemy je w sortownikach, drukarkach i w analizie barw w przemyśle spożywczym.
- Czujniki obecności wykrywają obecność lub brak obiektu w danym obszarze na podstawie odbicia lub przenikania światła. Są często stosowane w automatyce i systemach zapobiegania kradzieży.
- Pomiar odległości do obiektu na podstawie czasu, jaki światło potrzebuje na dotarcie do obiektu i powrót, realizują czujniki odległości. Są coraz chętniej konstruowane w technologii LiDAR, na przykład w urządzeniach do pomiaru odległości i w systemach bezpieczeństwa samochodowego.
- Czujniki temperatury mierzą temperaturę na podstawie promieniowania elektromagnetycznego emitowanego przez obiekty.
- Czujniki biometryczne wykorzystują siatkówkę oka, linie papilarne czy rozkład naczyń krwionośnych do identyfikacji.
- Czujniki promieniowania mierzą ilość promieniowania elektromagnetycznego w określonym zakresie – przykład to czujniki UV.
To tylko niektóre z nich, ale tak obszerna lista daje jasny pogląd na to, jak ważną rolę pełnią w elektronice i codziennym życiu. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby wypróbować je w projektach z wykorzystaniem Arduino i Raspberry Pi – wystarczą czujnik zgodny z interfejsem I2C, SPI czy GPIO, nieco wiedzy o Arduino IDE i pomysł na implementację projektu dzięki danym z czujnika.
