Type to search

Czujniki optyczne – podstawy działania i zastosowania

Czujnik optyczny przekształca promienie świetlne w sygnał elektroniczny. Jego zadaniem jest zmierzenie fizycznej ilości światła, a następnie, w zależności od rodzaju detektora, przekształcenie go w czytelną postać za pomocą zintegrowanego urządzenia pomiarowego. Czujniki optyczne zasadniczo służą do bezkontaktowego wykrywania, liczenia lub pozycjonowania.

Wielkości mierzone przez różne detektory to temperatura, prędkość, poziom cieczy, ciśnienie, przemieszczenie (położenie), wibracje, związki chemiczne, promieniowanie siły, wartość pH, naprężenie, pole akustyczne czy pole elektryczne.

Rodzaje i typy detektorów optycznych

Istnieją różne rodzaje czujników optycznych, których używamy w naszym codziennym życiu w różnych urządzeniach. Wśród nich warto wymienić m.in.:

  • urządzenia fotoprzewodzące służące do pomiaru rezystancji poprzez detekcję zmiany rezystancji pod wpływem natężenia padającego światła,
  • ogniwa fotowoltaiczne (ogniwa słoneczne) przekształcające ilość padającego światła na napięcie wyjściowe,
  • fotodiody zamieniają ilość padającego światła na prąd wyjściowy.

Fototranzystory stanowią rodzaj tranzystora bipolarnego, w którym połączenie baza-kolektor jest wystawione na działanie światła. Skutkuje to identycznym zachowaniem się fotodiody, ale z wewnętrznym wzmocnieniem.

Zasada działania polega w tym przypadku na wysyłaniu i odbieraniu światła w czujniku optycznym. Obiekt, który ma zostać wykryty, odbija lub przerywa wiązkę światła wysyłaną przez diodę emitującą. W zależności od typu urządzenia ocenia się przerwanie lub odbicie wiązki światła. Dzięki temu możliwe jest wykrycie obiektów niezależnie od materiału, z którego są zbudowane (drewno, metal, plastik lub inny). Specjalne urządzenia pozwalają nawet na wykrywanie obiektów przezroczystych lub o różnych kolorach czy różnicach kontrastu.

Czujniki wiązkowe

System składa się z dwóch oddzielnych elementów – nadajnika i odbiornika umieszczonych naprzeciw siebie. Nadajnik kieruje wiązkę światła na odbiornik. Przerwanie wiązki światła jest interpretowane jako sygnał przełączający przez odbiornik. Warto nadmienić, że w tym przypadku nie ma znaczenia, gdzie występuje przerwa.

Czujniki odblaskowe

Nadajnik i odbiornik znajdują się w tym samym miejscu, a emitowana wiązka światła jest kierowana z powrotem do odbiornika przez reflektor. Przerwanie wiązki światła inicjuje operację przełączania. Tutaj również nie ma znaczenia, gdzie nastąpi przerwa.

Czujniki rozproszonego odbicia

Nadajnik i odbiornik znajdują się w jednej obudowie, a przepuszczane światło odbija się od wykrywanego obiektu.

Różne źródła światła dla czujników optycznych

Istnieje wiele rodzajów źródeł światła. Słońce i światło palących się płomieni pochodni były pierwszymi źródłami światła używanymi do badania optyki. W rzeczywistości światło pochodzące z pewnych materii (np. jonów jodu, chloru i rtęci) nadal stanowi punkty odniesienia w widmie optycznym. Jednym z kluczowych elementów komunikacji optycznej jest monochromatyczne źródło światła. W komunikacji optycznej źródła światła muszą być monochromatyczne, kompaktowe i trwałe. Oto dwa różne rodzaje źródeł światła:

  1. LED (dioda elektroluminescencyjna)

Podczas procesu rekombinacji elektronów z dziurami na złączach półprzewodników z domieszką n i p, energia jest uwalniana w postaci światła. Wzbudzenie odbywa się poprzez przyłożenie zewnętrznego napięcia i może zachodzić rekombinacja lub może być stymulowane jako kolejny foton. Ułatwia to sprzężenie światła LED z urządzeniem optycznym.

  1. LASER

Laser powstaje, gdy elektrony w atomach w specjalnych szkłach, kryształach lub gazach absorbują energię z prądu elektrycznego i stają się wzbudzone. Wzbudzone elektrony przemieszczają się z orbity o niższej energii na orbitę o wyższej energii wokół jądra atomu. Kiedy powracają do swojego normalnego lub podstawowego stanu, elektrony emitują fotony (cząsteczki światła). Wszystkie te fotony mają tę samą długość fali i są spójne. Zwykłe widzialne światło ma wiele długości fal i nie jest spójne.

Zastosowanie czujników optycznych obejmuje zarówno komputery, jak i czujniki ruchu. Aby czujniki optyczne działały efektywnie, muszą być odpowiednio dobrane do konkretnej aplikacji, tak aby zachowywały czułość na mierzone właściwości. Detektory optyczne są integralnymi częściami wielu popularnych urządzeń, w tym komputerów, kserokopiarek i opraw oświetleniowych, które włączają się automatycznie w ciemności. Niektóre z typowych zastosowań obejmują systemy alarmowe, synchronizatory błysków fotograficznych i systemy, które mogą wykrywać obecność obiektów. Detektory optyczne znajdują szerokie zastosowanie w medycynie, gdzie są aplikowane do różnego rodzaju urządzeń pomiarowych takich jak np. czujniki tętna czy analizatory oddechu. Ponadto w życiu codziennym możemy zetknąć się z czujnikami światła otoczenia, dzięki którym nasze smartfony potrafią dostosowywać jasność ekranów do panujących warunków oświetleniowych. Reasumując, czujniki optyczne znajdziemy praktycznie wszędzie, w każdej dziedzinie życia. Ich zastosowanie bardzo ułatwia bowiem wiele czynności, które dzięki ich obecności dzieją się automatycznie.