Was ist Optische Sensoren?
Optische Sensoren, auch Lichtempfangselemente genannt, sind Halbleiterbauelemente. Sie gehören zu den Hilfsgeräten, die verschiedene Lichteigenschaften durch Umwandlung in elektrische Signale erkennen, und sind ein Zusatzgerät, das eine Maschine ausmacht. Die Technologie der optischen Abtastung wird als Methode zur Abtastung von Licht verwendet. Es gibt verschiedene Arten von Optischen Sensoren für alle möglichen Situationen. Es wurde eine breite Palette von Sensoren entwickelt, von solchen, die erkennen, ob ein Lichtobjekt innerhalb eines bestimmten Wertes liegt und durchlassen, wenn es eingeschaltet ist, und nicht durchlassen, wenn es ausgeschaltet ist, bis hin zu Typen, die Benachrichtigungen liefern, und hochempfindlichen Sensoren, die einzelne Photonen erkennen können.
Optische Sensoren werden auch als Bewegungssensoren in automatischen Türen eingesetzt. Die schnelle Reaktion der Sensoren bedeutet, dass keine zusätzliche Zeitverzögerung auftritt. Da sie durch die Erkennung von Licht funktionieren, benötigen sie keinen Kontakt mit Personen oder Gegenständen und führen nicht zu einer Verunreinigung des zu erkennenden Objekts. Daher können sie unbesorgt eingesetzt werden. Aus diesen Gründen werden Optische Sensoren in Industrie- und Verbraucheranwendungen eingesetzt.
Licht umfasst sichtbares Licht sowie unsichtbare ultraviolette und infrarote Strahlen. Bei der Auswahl eines Optischen Sensors ist es daher notwendig, einen Sensor nach der Wellenlänge auszuwählen.
Es gibt zwei Arten von Optischen Sensoren: solche, die Halbleiter wie Photodioden verwenden, und solche, die Photomultiplier-Röhren verwenden.
Verwendung von Optischen Sensoren
In den letzten Jahren haben sich die Geräte im Alltag immer mehr automatisiert, und die Anwendungen für Optische Sensoren haben sich erweitert. Typische Beispiele sind TV- und Audio-Fernbedienungen, die sich als Reaktion auf Infrarotlicht bewegen, weshalb Optische Sensoren für Infrarotlicht verwendet werden. Sie werden auch in Kamera-Autofokus und Bildsensoren verwendet. Andere Optische Sensoren werden auch in der Wasserversorgung von Waschbecken verwendet, die sich automatisch ein- und ausschalten, wenn sie die Hand einer Person erkennen.
Sobald man das Haus verlässt, werden Optische Sensoren überall in unserem Leben eingesetzt.
In Geldautomaten werden Optische Sensoren zur “Kartenerkennung”, “Banknotenerkennung” und “Erkennung des internen Mechanismus” eingesetzt. In Fahrkartenautomaten werden sie für die “Münzerkennung”, die “Fahrkartenerkennung” und die “Banknotenerkennung” eingesetzt. Das Licht wird von einem Bewegungssensor eingeschaltet, wenn eine Person die Toilette betritt, oder ausgeschaltet, wenn niemand anwesend ist, was zu Energieeinsparungen beiträgt.
Optische Sensoren werden auch zur Prüfung des Zuckergehalts von Obst verwendet, und die Nachfrage steigt, da sie den Zuckergehalt messen können, ohne das Obst zu beschädigen. Das Prinzip, dass der Brechungsindex des Lichts umso größer ist, je mehr Zucker- und Säurebestandteile im Saft gelöst sind, kann für die Messung des Zuckergehalts genutzt werden.
Sie finden auch in der Astronomie Anwendung, wo astronomische Bilder früher auf fotografischen Trockenplatten aufgezeichnet wurden, aber seit den 1990er Jahren werden ladungsgekoppelte Geräte (CCDs) eingesetzt.
Optische Sensoren
In den letzten Jahren hat die Technologie der Optischen Sensoren bemerkenswerte Fortschritte gemacht. Im industriellen Bereich ist die zerstörungsfreie Prüfung ein Inspektionsverfahren, mit dem der Zustand eines Objekts untersucht werden kann, ohne es zu zerstören. Durch die Beaufschlagung des Objekts mit Strahlung oder Ultraschallwellen kann der Grad der Beschädigung und Vernarbung überprüft werden, ohne das Objekt zu zerstören. Ein ähnliches Verfahren, die so genannte Nahinfrarotspektroskopie, wird bei Optischen Sensoren eingesetzt. Die Nahinfrarotspektroskopie wird in spektroskopischen Nahinfrarotsensoren eingesetzt und ist ein Mechanismus, der das beobachtete Objekt nicht beeinträchtigt. Die Infrarotstrahlung wird in “nahes Infrarot”, “mittleres Infrarot” und “fernes Infrarot” eingeteilt, wobei sich die Nahinfrarot-Spektralsensoren mit Nahinfrarot-Strahlung befassen.
Nahinfrarot-Spektralsensoren können ein breites Spektrum anorganischer und organischer Materialien beobachten. Sie werden beispielsweise in Verbindung mit dem maschinellen Lernen eingesetzt, um bei anorganischen Materialien zu prüfen, ob der Beton verrottet, und bei organischen Materialien, um den Fettgehalt im Körper von Menschen und Fischen zu beobachten.
Auf diese Weise entwickelt sich die Optische Sensoren-Technologie weiter, und zwar nicht nur in einem Bereich, sondern auch durch die Einbeziehung weiterer Technologien.
Grundlagen der Optischen Sensoren
Es gibt viele Erkennungsmethoden für Optische Sensoren. Die wichtigsten sind die Transmissions- und die Retroreflexionsmethode. Der transmissive Typ benötigt einen lichtemittierenden Projektor und einen lichtempfangenden Empfänger und reagiert, wenn sich ein Hindernis zwischen ihnen befindet. Beim retroreflektierenden Typ sind der Projektor und der Empfänger integriert, und das vom Projektor ausgestrahlte Licht prallt am Reflektor ab, der die Unterbrechung des Lichts erkennt.
Im Prinzip gibt es auch zwei Arten von Sensoren, einen, der den internen photoelektrischen Effekt nutzt, und einen, der den externen photoelektrischen Effekt nutzt.
Interner photoelektrischer Effekt
Hier kommen Halbleiter zum Einsatz, wie bei den Fotodioden, und es wird der photovoltaische oder photoleitende Effekt ausgenutzt. Siliziumzellen decken den Bereich des sichtbaren Lichts ab, während Germaniumzellen den UV- bis IR-Wellenlängenbereich abdecken. CCDs, die häufig in Kameras verwendet werden, liegen im Bereich des sichtbaren Lichts.
Externer photoelektrischer Effekt
Bei Lichteinstrahlung werden Elektronen aus der Kathode herausgeschleudert und auf der Anode gesammelt, wo sie verstärkt und erfasst werden. Optische Sensoren, die Photomultiplier-Röhren verwenden, können einen weiten Bereich vom Vakuum-Ultraviolettbereich bis 1700㎛ erfassen. Optische Sensoren, die Photoröhren verwenden, können ebenfalls vom UV bis zum sichtbaren Licht detektieren.
Merkmale der Optischen Sensoren
Optische Sensoren sind in den folgenden Typen erhältlich, die auf das Erfassungsziel abgestimmt sind und über Merkmale im Lichtweg verfügen.
1. Durchlässige Fotosensoren
Das vom lichtemittierenden Element ausgestrahlte Licht hat eine U-förmige Struktur, wobei beide Elemente einander zugewandt sind, so dass das vom lichtemittierenden Element ausgestrahlte Licht auf das lichtempfangende Element mit einem bestimmten Abstand zwischen den beiden Elementen trifft. Das vom lichtemittierenden Element emittierte Licht wird am Ausgang des lichtempfangenden Elements gemessen, das sich aufgrund der Abschirmung verändert.
2. Getrennter Fotosensor
Das lichtemittierende und das lichtempfangende Element befinden sich in einem separaten Gehäuse und können beliebig eingestellt werden, indem ein Abstand zwischen den langen Sensoren erreicht wird.
3. reflektierende Lichtsensoren
Lichtsende- und Lichtempfangselemente sind in der gleichen Richtung ausgerichtet oder in einem bestimmten Winkel montiert. Das Licht des lichtemittierenden Elements wird auf ein bestimmtes detektierbares Objekt gestrahlt und das davon reflektierte Licht wird vom lichtempfangenden Element gemessen.
4. Prismen-Fotosensor
Optische Sensoren, bei denen das lichtemittierende und das lichtempfangende Element in der gleichen Richtung ausgerichtet und in einem bestimmten Winkel angebracht sind. Das Licht wird durch ein Prisma zwischen dem lichtemittierenden und dem lichtempfangenden Element gemessen.
5. Aktor-Fotosensor
Durch die Kombination eines Transmissions-Fotosensors mit einem Aktuator (Hebel), der eine Drehbewegung ausführt, wird der Sensor durch Blockieren mit einem Hebel mechanisch diskriminiert.