Bài viết này bao gồm các khái niệm cơ bản về cảm biến quang là gì, nguyên lý và cấu tạo, các loại cảm biến quang cũng như ứng dụng của chúng. Nếu bạn muốn tìm hiểu rõ hơn về cảm biến quang, mời bạn xem tiếp các mục Uniduc chia sẻ dưới đây.
I. Cảm biến quang là gì? Nguyên lý và cấu tạo.
1. Cảm biến quang là gì?
Cảm biến quang học chuyển đổi tia sáng thành tín hiệu điện tử. Mục đích của cảm biến quang học là đo một lượng ánh sáng vật lý và tùy thuộc vào loại cảm biến, sau đó chuyển nó thành dạng có thể đọc được bằng một thiết bị đo tích hợp. Tương tự như một điện trở quang, nó đo lượng ánh sáng vật lý và chuyển nó thành dạng mà thiết bị đọc được. Thông thường, cảm biến quang học là một phần của hệ thống lớn hơn tích hợp thiết bị đo lường, nguồn ánh sáng và chính cảm biến. Điều này thường được kết nối với một bộ kích hoạt điện, phản ứng với sự thay đổi tín hiệu trong cảm biến ánh sáng.
Cảm biến quang học được sử dụng để phát hiện, đếm hoặc định vị các bộ phận mà không cần tiếp xúc. Cảm biến quang học có thể là bên trong hoặc bên ngoài. Các cảm biến bên ngoài thu thập và truyền một lượng ánh sáng cần thiết, trong khi các cảm biến bên trong thường được sử dụng nhất để đo các khúc cua và những thay đổi nhỏ khác về hướng.
Các đại lượng đo có thể có bởi các cảm biến quang học khác nhau là Nhiệt độ, Vận tốc Mức chất lỏng, Áp suất, Độ dịch chuyển (vị trí), Rung động, Loại hóa chất, Bức xạ lực, Giá trị pH, Độ căng, Trường âm và Điện trường.
2. Nguyên lý và cấu tạo.
Cấu tạo cảm biến quang học bao gồm 2 bộ phận là máy phát (nguồn quang) và máy thu (máy dò quang). Khái niệm được mô tả trong hình với ví dụ về sợi quang. Như hình vẽ, chùm ánh sáng thay đổi các thông số của nó khi bất kỳ vật thể nào đi vào giữa máy phát và máy thu. Có năm thông số hữu ích của ánh sáng đang được đo bằng cảm biến quang học là cường độ, pha, bước sóng, phân cực, phân bố quang phổ.
Do sự ra đời của công nghệ cảm biến quang học, có thể đo các đại lượng vật lý và hóa học sau: nhiệt độ, dòng chảy, áp suất, độ dịch chuyển, mức chất lỏng, rung động, quay, gia tốc, từ trường, lực, Ph, bức xạ, hóa chất, độ ẩm, biến dạng, điện trường, vận tốc, trường âm, v.v.
3. Tính năng của cảm biến quang.
Một trong những tính năng của cảm biến quang học là khả năng đo những thay đổi từ một hoặc nhiều chùm ánh sáng. Sự thay đổi này thường dựa trên sự thay đổi cường độ của ánh sáng. Khi xảy ra sự thay đổi pha, cảm biến ánh sáng hoạt động như một bộ kích hoạt quang điện, tăng hoặc giảm công suất điện, tùy thuộc vào loại cảm biến.
Cảm biến quang học có thể hoạt động theo phương pháp điểm đơn lẻ hoặc thông qua sự phân bố các điểm. Với phương pháp điểm đơn, cần thay đổi pha duy nhất để kích hoạt cảm biến. Về khái niệm phân phối, cảm biến phản ứng dọc theo một loạt cảm biến dài hoặc mảng sợi quang đơn.
Các tính năng khác của cảm biến quang học bao gồm sự phân biệt xem nó được đặt bên trong hay bên ngoài thiết bị. Các đầu dò bên ngoài đăng ký và truyền lượng ánh sáng cần thiết. Chúng được gọi là cảm biến bên ngoài. Cảm biến bên trong là những cảm biến được nhúng trong sợi quang học hoặc thiết bị. Chúng thường được sử dụng để đo những thay đổi nhỏ hơn như sự uốn cong hoặc thay đổi nhỏ về hướng.
4. Tầm quan trọng của cảm biến quang.
Tầm quan trọng chính của việc sử dụng thích hợp một cảm biến quang học là nó giữ được một số khía cạnh của các đặc tính đo được. Nó phải luôn luôn nhạy cảm với tài sản. Về điểm tương tự, nó phải không nhạy cảm với bất kỳ tài sản nào khác. Ngoài ra, nó không thể ảnh hưởng đến phép đo thường được thực hiện. Có nghĩa là, nó không thể làm thay đổi lượng ánh sáng tác động đến tính chất quang điện.
Cảm biến quang học có nhiều cách sử dụng. Chúng có thể được tìm thấy trong mọi thứ, từ máy tính đến máy dò chuyển động. Ví dụ, khi mở cửa vào khu vực tối hoàn toàn như bên trong máy sao chép, ánh sáng sẽ tác động vào cảm biến, làm tăng năng suất điện. Điều này sẽ kích hoạt phản ứng điện và dừng máy để đảm bảo an toàn.
Do bản chất của cảm biến quang điện, đầu đăng ký của thiết bị phải luôn sạch sẽ. Những thứ như bụi và vật liệu có thể ngăn cản sự tiếp nhận ánh sáng thích hợp, hạn chế khả năng thực hiện công việc của cảm biến. Nếu không có mức ánh sáng thích hợp, thiết bị cảm quang không thể tạo ra hoặc hạn chế lượng điện thích hợp.
II. Các loại cảm biến quang.
Sau đây là các loại cảm biến quang học dựa trên các đặc điểm khác nhau.
- Cảm biến điểm, cảm biến phân tán
- Cảm biến bên ngoài, cảm biến bên trong
- Cảm biến xuyên tia, cảm biến phản xạ khuếch tán, cảm biến phản xạ ngược
1. Cảm biến điểm và cảm biến phân tán.
Dựa trên hoạt động làm việc các loại cảm biến quang được chia thành cảm biến điểm và cảm biến phân tán. Trong loại cảm biến Điểm, cảm biến hoạt động trên một điểm. Ở loại cảm biến điểm, các đầu dò được đặt ở cuối sợi quang. Ví dụ về loại này là cách tử Bragg sợi quang được trải rộng trên chiều dài sợi quang. Nó được sử dụng để đo nhiệt độ hoặc biến dạng. Phương pháp cảm biến quang học đơn điểm này sử dụng sự thay đổi pha để kích hoạt cảm biến. Trong loại cảm biến phân tán, cảm biến hoạt động trên phân phối điểm. Trong phương pháp này, cảm biến phản ứng dọc theo một loạt cảm biến dài hoặc mảng quang học.
2. Cảm biến ngoại tại vs Cảm biến nội tại.
Có hai loại cảm biến quang học dựa trên vị trí thay đổi chùm ánh sáng để cảm nhận. Nếu chùm ánh sáng rời khỏi cáp quang hoặc nguồn cấp dữ liệu và nó bị thay đổi trước khi tiếp tục trên đường đi đến đầu dò quang, thì nó được gọi là cảm biến quang bên ngoài. Nếu chùm ánh sáng không rời khỏi cáp quang và nó bị thay đổi bên trong chính sợi cáp, thì nó được gọi là cảm biến quang nội tại. Cảm biến áp suất sợi quang dựa trên cường độ được sử dụng để đo áp suất giữa hai tấm được gọi là cảm biến quang nội tại.
3. Cảm biến xuyên tia so với cảm biến phản xạ khuếch tán và cảm biến phản xạ retro.
Dựa trên phương pháp cảm biến quang học và vị trí của bộ phát và bộ thu quang, có ba loại cảm biến quang là cảm biến xuyên tia, phản xạ và phản xạ ngược.
Trong “Cảm biến xuyên tia”, cả máy phát và máy thu đều được đặt hướng vào nhau để chúng tạo ra đường đi của chùm ánh sáng thẳng. Khi bất kỳ vật thể nào đi vào giữa con đường này, cường độ ánh sáng thay đổi và theo đó vật thể có thể được phát hiện.
Trong “Cảm biến phản xạ”, cả máy phát và máy thu đều song song với nhau. Ánh sáng truyền qua máy phát bị phản xạ bởi đối tượng và độ phản xạ ánh sáng này được máy thu đo. Loại cảm biến này có nhược điểm là phân biệt giữa ánh sáng đỏ và trắng khi đèn LED màu đỏ được sử dụng làm nguồn quang học. Điều này là do thực tế là cả màu đỏ và màu trắng đều có lượng phản xạ như nhau.
Trong “Cảm biến phản xạ ngược”, cả bộ phát và bộ thu đều được đặt trong một vỏ và bộ phản xạ làm bằng vật liệu phản xạ đặc biệt được sử dụng. Máy phát truyền chùm ánh sáng bị phản xạ bởi vật phản xạ và máy thu nhận. Nếu bất kỳ vật thể nào lọt vào giữa đường đi của chùm sáng này, nó sẽ bị vỡ. Dựa trên sự khác biệt giữa cường độ chùm sáng và các thông số khác, đối tượng có thể được phát hiện hoặc cảm nhận ở máy thu.
3.1. Cảm biến xuyên tia.
Hệ thống bao gồm hai thành phần riêng biệt là máy phát và máy thu được đặt đối diện nhau. Máy phát chiếu một chùm sáng vào máy thu. Sự gián đoạn của chùm ánh sáng được hiểu là một tín hiệu chuyển mạch của máy thu. Không liên quan đến nơi xảy ra gián đoạn.
Ưu điểm: Có thể đạt được khoảng cách hoạt động lớn và việc nhận dạng không phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt, màu sắc hoặc độ phản xạ của đối tượng.
Để đảm bảo độ tin cậy hoạt động cao, phải đảm bảo rằng vật thể đủ lớn để làm gián đoạn chùm sáng hoàn toàn.
3.2. Cảm biến phản xạ ngược.
Máy phát và máy thu đều ở trong cùng một ngôi nhà, thông qua một tấm phản xạ, chùm sáng phát ra được hướng ngược lại máy thu. Sự gián đoạn của chùm sáng bắt đầu hoạt động chuyển mạch. Việc gián đoạn xảy ra ở đâu không quan trọng.
Ưu điểm: Cảm biến phản xạ ngược cho phép khoảng cách hoạt động lớn với các điểm chuyển mạch, có thể tái tạo chính xác mà chỉ cần ít nỗ lực lắp đặt. Tất cả các vật thể làm gián đoạn chùm sáng được phát hiện chính xác độc lập với cấu trúc bề mặt hoặc màu sắc của chúng.
3.3. Cảm biến phản xạ khuếch tán.
Cả máy phát và máy thu đều nằm trong một vỏ. Ánh sáng truyền qua được phản xạ bởi đối tượng được phát hiện.
Ưu điểm: Cường độ ánh sáng khuếch tán tại máy thu đóng vai trò là điều kiện chuyển mạch. Bất kể cài đặt độ nhạy nào, phần phía sau luôn phản chiếu tốt hơn phần phía trước. Điều này dẫn đến hậu quả là các hoạt động chuyển mạch sai.
III. Các nguồn ánh sáng khác nhau cho cảm biến quang học.
Có nhiều loại nguồn sáng. Mặt trời và ánh sáng từ ngọn đuốc đang cháy là những nguồn sáng đầu tiên được sử dụng để nghiên cứu quang học. Trên thực tế, ánh sáng đến từ một số vật chất (thoát ra) nhất định (ví dụ, các ion iốt, clo và thủy ngân) vẫn cung cấp các điểm chuẩn trong quang phổ. Một trong những thành phần quan trọng trong giao tiếp quang học là nguồn sáng đơn sắc. Trong thông tin liên lạc quang học, nguồn sáng phải đơn sắc, nhỏ gọn và lâu dài. Đây là hai loại nguồn sáng khác nhau.
1. LED (Điốt phát quang).
Trong quá trình tái kết hợp của các electron với các lỗ trống tại chỗ tiếp giáp của chất bán dẫn pha tạp n và bán dẫn pha tạp chất p, năng lượng được giải phóng dưới dạng ánh sáng. Sự kích thích xảy ra bằng cách đặt một điện áp bên ngoài và sự tái kết hợp có thể đang diễn ra, hoặc nó có thể được kích thích như một photon khác. Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc ghép nối đèn LED với một thiết bị quang học.
2. LASER (Khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát xạ kích thích).
Tia laser được tạo ra, khi các electron trong nguyên tử trong các kính, tinh thể hoặc khí đặc biệt hấp thụ năng lượng từ dòng điện, chúng trở nên kích thích. Các electron bị kích thích chuyển từ quỹ đạo năng lượng thấp hơn sang quỹ đạo năng lượng cao hơn xung quanh hạt nhân của nguyên tử. Khi chúng trở lại trạng thái bình thường hoặc trạng thái cơ bản, điều này dẫn đến việc các electron phát ra photon (hạt ánh sáng). Các photon này đều có cùng bước sóng và kết hợp với nhau. Ánh sáng nhìn thấy thông thường bao gồm nhiều bước sóng và không kết hợp.
IV. Ưu, nhược điểm của cảm biến quang.
Sau đây là những ưu điểm của cảm biến quang học:
- Tín hiệu quang học miễn nhiễm với nhiễu điện từ và do đó nó là tín hiệu lý tưởng để được sử dụng trong môi trường vi sóng.
- Nó có độ nhạy, phạm vi và độ phân giải rất cao so với các cảm biến không quang học.
- Nó có dải động rộng hơn.
- Nó hoàn toàn thụ động và do đó được sử dụng trong môi trường dễ cháy nổ.
- Nó có kích thước nhỏ và trọng lượng nhẹ.
- Nó có khả năng chịu nhiệt độ cao và môi trường phản ứng hóa học. Do đó, cảm biến quang học lý tưởng cho môi trường khắc nghiệt và khắc nghiệt.
- Nó có thể được sử dụng để theo dõi một loạt các thông số vật lý cũng như hóa học như được liệt kê ở trên.
- Nó cung cấp khả năng cách điện hoàn toàn khỏi tiềm năng tĩnh điện cao.
- Các cảm biến đa kênh / phân phối cung cấp các phép đo tại một số lượng lớn các điểm phân tán.
Sau đây là những nhược điểm của cảm biến quang học:
- Vấn đề duy nhất với cả cảm biến quang học và không cảm biến quang học là nhiễu từ nhiều tác động. Ví dụ, cảm biến được sử dụng để đo áp suất / biến dạng rất nhạy cảm với sự thay đổi nhiệt độ. Nghiên cứu đang được tiến hành để nghiên cứu và tìm ra cách phân biệt giữa các hiệu ứng khác nhau này để có phép đo chính xác trong cảm biến quang học.
- Vấn đề còn lại liên quan đến các dạng suy hao khác nhau liên quan đến miền quang học. Phổ biến trong số đó là suy giảm hấp thụ, suy hao tán xạ, suy hao bộ ghép nối, suy hao chèn, suy giảm phản xạ, mất tạp chất, v.v.
V. Ứng dụng của cảm biến quang.
Ứng dụng của các cảm biến quang học này từ máy tính đến máy dò chuyển động. Để cảm biến quang học hoạt động hiệu quả, chúng phải là loại phù hợp với ứng dụng để chúng duy trì độ nhạy đối với đặc tính mà chúng đo được. Cảm biến quang học là bộ phận không thể thiếu của nhiều thiết bị thông thường, bao gồm máy tính, máy sao chép (xerox) và đèn chiếu sáng tự động bật trong bóng tối. Một số ứng dụng phổ biến bao gồm hệ thống báo động, đồng bộ cho đèn flash chụp ảnh và hệ thống có thể phát hiện sự hiện diện của vật thể.
1. Cảm biến ánh sáng xung quanh.
Hầu hết chúng ta đã thấy cảm biến này trên điện thoại di động. Nó sẽ kéo dài tuổi thọ pin và cho phép hiển thị dễ xem được tối ưu hóa cho môi trường.
2. Ứng dụng Y sinh.
Cảm biến quang học có ứng dụng mạnh mẽ trong lĩnh vực y sinh. Một số ví dụ Phân tích hơi thở bằng cách sử dụng laser diode có thể điều chỉnh. Một máy đo nhịp tim quang học đo nhịp tim của bạn bằng ánh sáng. Đèn LED chiếu qua da và cảm biến quang học kiểm tra ánh sáng phản xạ lại. Vì máu hấp thụ nhiều ánh sáng hơn nên sự dao động về mức độ ánh sáng có thể được chuyển thành nhịp tim. Quá trình này được gọi là chụp quang tuyến.
3. Chỉ báo mức chất lỏng dựa trên cảm biến quang học.
Đèn báo mức chất lỏng dựa trên cảm biến quang học bao gồm hai phần chính là đèn LED hồng ngoại kết hợp với bóng bán dẫn ánh sáng và đầu lăng kính trong suốt ở phía trước. Đèn LED chiếu ánh sáng hồng ngoại ra bên ngoài, khi đầu cảm biến được bao quanh bởi không khí, ánh sáng sẽ phản ứng bằng cách phản xạ trở lại với đầu cảm biến trước khi quay trở lại bóng bán dẫn. Khi nhúng cảm biến trong chất lỏng, ánh sáng phân tán khắp nơi và ít bị quay trở lại bóng bán dẫn. Lượng ánh sáng phản xạ tới bóng bán dẫn ảnh hưởng đến mức đầu ra, giúp cảm biến mức điểm trở nên khả thi.
4. Cảm biến quang ứng dụng vào công nghiệp.
Cảm biến quang trong ứng dụng công nghiệp được ứng dụng nhiều như cảm biến quang trong nhận biết vị trí home, hay cảm biến quang ứng dụng trong dây chuyền sản xuất khẩu trang y tế dùng để nhận biết khôi khẩu trang đã đến vị trí chờ hay cảm biến quang ứng dụng trong dây chuyền sản xuất nước đóng chai hoặc các dây chuyền khác rất hữu ích.
Chúc bạn thành đạt trong công việc và hạnh phúc trong cuộc sống !
Hotline / Zalo: 0903 666 014
Website: https://uniduc.com/vi
-------------////--------------------------------------------////------------
HUMANOID ROBOT CỦA CÔNG TY UNIDUC SẢN XUẤT PHÁT TRIỂN.
.jpg)
