Optiskie sensori: Gaismas mērīšanas sistēmas dažādās nozarēs

Optiskie sensori, zināmi arī kā gaismas sensori vai fotoelektriskie sensori, ir ierīces, kas pārvērš gaismu elektriskā signālā. Šie daudzpusīgie sensori tiek pielietoti ļoti plašā nozaru klāstā, sākot no rūpnieciskās automatizācijas un medicīniskās diagnostikas līdz vides monitoringam un plaša patēriņa elektronikai. To spēja neinvazīvi un attālināti mērīt dažādus parametrus padara tos par neaizstājamiem mūsdienu tehnoloģiju instrumentiem.

Optisko sensoru pamati

Kā darbojas optiskie sensori

Optisko sensoru pamatprincips ir gaismas mijiedarbība ar mērķa objektu vai vielu. Kad gaisma mijiedarbojas ar mērķi, tās īpašības (intensitāte, viļņa garums, polarizācija) var mainīties. Šīs izmaiņas pēc tam uztver sensors, pārvērš tās elektriskā signālā un apstrādā, lai iegūtu attiecīgo informāciju. Dažādi optisko sensoru veidi izmanto dažādus gaismas avotus, detektorus un signālu apstrādes metodes.

Pamata optiskā sensora sistēma parasti sastāv no šādiem komponentiem:

• Gaismas avots: Izstaro gaismu, kas var būt redzamā gaisma, infrasarkanā (IR), ultravioletā (UV) vai pat lāzera gaisma.
• Optiskais elements: Šis elements var ietvert lēcas, filtrus, spoguļus vai optiskās šķiedras, kas tiek izmantotas, lai fokusētu, virzītu vai modificētu gaismas staru.
• Mērķis/Paraugs: Objekts vai viela, kas tiek mērīta.
• Detektors: Pārvērš gaismas signālu elektriskā signālā. Bieži izmantotie detektori ir fotodiodes, fototranzistori un fotoreizinātāja lampas (PMT).
• Signāla apstrādes bloks: Pastiprina, filtrē un apstrādā elektrisko signālu no detektora, lai iegūtu vēlamo mērījumu.

Optisko sensoru veidi

Optiskos sensorus iedala kategorijās, pamatojoties uz to darbības principu, gaismas avotu, detektoru un pielietojumu. Šeit ir pārskats par dažiem izplatītākajiem veidiem:

• Fotoelektriskie sensori: Šie sensori nosaka objekta klātbūtni vai neesamību, mērot gaismas intensitātes izmaiņas. Tos parasti izmanto rūpnieciskajā automatizācijā objektu noteikšanai, pozīcijas noteikšanai un skaitīšanai. Fotoelektriskajiem sensoriem ir trīs galvenie veidi:
• Caurstaru sensori: Raidītājs un uztvērējs ir novietoti viens otram pretī. Objekts pārtrauc staru, aktivizējot sensoru.
• Atstarojošie sensori: Raidītājs un uztvērējs atrodas vienā korpusā, un gaismas staru atstaro atstarotājs. Objekts pārtrauc staru starp sensoru un atstarotāju.
• Difūzie sensori: Raidītājs un uztvērējs atrodas vienā korpusā. Sensors uztver gaismu, kas atstarojas tieši no objekta.
• Optisko šķiedru sensori: Šie sensori izmanto optiskās šķiedras, lai pārraidītu gaismu uz un no sensora punkta. Tie ir ideāli piemēroti lietojumiem skarbos apstākļos, tālizpētē un medicīniskajā diagnostikā. Optisko šķiedru sensori var mērīt dažādus parametrus, tostarp temperatūru, spiedienu, deformāciju un refrakcijas indeksu.
• Attēlu sensori: Attēlu sensori, piemēram, CCD (lādiņa saites matrica) un CMOS (komplementārais metāla oksīda pusvadītājs) sensori, uzņem attēlus, pārvēršot gaismu elektriskos signālos. Tos plaši izmanto digitālajās kamerās, medicīniskās attēlveidošanas iekārtās un mašīnredzes sistēmās.
• Spektrometri: Šie sensori mēra gaismas spektru, sniedzot informāciju par vielas sastāvu un īpašībām. Spektrometrus izmanto dažādos lietojumos, tostarp ķīmiskajā analīzē, vides monitoringā un medicīniskajā diagnostikā. Tie darbojas, sadalot gaismu tās sastāvdaļu viļņu garumos un pēc tam mērot katra viļņa garuma intensitāti.
• Tuvuma sensori: Šie sensori nosaka tuvumā esošu objektu klātbūtni bez fiziska kontakta, izstarojot gaismas staru un nosakot izmaiņas atstarotajā gaismā. Tos izmanto mobilajos tālruņos, automobiļu lietojumprogrammās un robotikā.
• Gaismas-sprieguma (LTV) un gaismas-frekvences (LTF) pārveidotāji: Šīs integrālās shēmas pārvērš gaismas intensitāti tieši sprieguma vai frekvences izvadē, vienkāršojot saskarni ar mikrokontrolleriem un citām elektroniskām shēmām. Tos izmanto apkārtējās gaismas noteikšanā, gaismas mērītājos un optiskajos kodētājos.

Optisko sensoru pielietojumi dažādās nozarēs

Rūpnieciskā automatizācija

Optiskajiem sensoriem ir izšķiroša loma rūpniecisko procesu automatizācijā, efektivitātes uzlabošanā un kvalitātes kontroles nodrošināšanā. Tos izmanto:

• Objektu noteikšana un skaitīšana: Fotoelektriskie sensori nosaka objektu klātbūtni vai neesamību ražošanas līnijā, nodrošinot automatizētu skaitīšanu un šķirošanu. Piemēram, pudeļu pildīšanas rūpnīcā Vācijā tiek izmantoti caurstaru sensori, lai saskaitītu pudeļu skaitu, kas pārvietojas pa konveijera lenti, nodrošinot precīzu pildīšanu un iepakošanu.
• Pozīcijas noteikšana: Optiskie sensori precīzi nosaka kustīgo daļu pozīciju mehānismos, veicinot precīzu kontroli un sinhronizāciju. Japānas automobiļu rūpnīcā atstarojošie sensori tiek izmantoti, lai pārbaudītu pareizu automašīnas detaļu novietojumu uz montāžas līnijas.
• Kvalitātes kontrole: Attēlu sensori pārbauda produktus attiecībā uz defektiem, nodrošinot, ka tirgū nonāk tikai augstas kvalitātes preces. Piemēram, tekstilrūpniecībā Indijā attēlu sensori tiek izmantoti, lai atklātu audumu defektus aušanas procesā.
• Robotika: Optiskie sensori nodrošina robotiem spēju uztvert savu vidi, ļaujot tiem pārvietoties, manipulēt ar objektiem un veikt sarežģītus uzdevumus. Noliktavā Amerikas Savienotajās Valstīs roboti izmanto LiDAR (gaismas noteikšanas un attāluma noteikšanas) sensorus, lai kartētu apkārtni un izvairītos no šķēršļiem, transportējot preces.

Medicīnas ierīces

Optiskie sensori ir būtiski dažādu medicīnisko ierīču komponenti, kas nodrošina neinvazīvu un reāllaika fizioloģisko parametru uzraudzību. Tos izmanto:

• Pulsoksimetrija: Mēra asins skābekļa piesātinājumu, izmantojot gaismas absorbcijas metodes. Pulsoksimetrus plaši izmanto slimnīcās un klīnikās visā pasaulē, lai uzraudzītu pacientu elpošanas stāvokli.
• Asins glikozes līmeņa monitorings: Neinvazīvi glikozes sensori izmanto tuvo infrasarkano staru (NIR) spektroskopiju, lai mērītu asins glikozes līmeni caur ādu. Notiek pētījumi, lai izstrādātu precīzus un uzticamus neinvazīvus glikozes monitorus cilvēkiem ar diabētu.
• Endoskopija: Optisko šķiedru endoskopi ļauj ārstiem vizualizēt iekšējos orgānus un audus, nodrošinot agrīnu slimību atklāšanu un diagnostiku. Endoskopija ir izplatīta procedūra, ko visā pasaulē izmanto tādu slimību kā resnās zarnas vēzis un čūlas diagnosticēšanai.
• Medicīniskā attēlveidošana: Attēlu sensori tiek izmantoti rentgena aparātos, MRI skeneros un citās medicīniskās attēlveidošanas iekārtās, lai ģenerētu detalizētus cilvēka ķermeņa attēlus. Šie attēli ir būtiski plaša spektra medicīnisko stāvokļu diagnosticēšanai un ārstēšanai.

Vides monitorings

Optiskajiem sensoriem ir būtiska loma vides apstākļu uzraudzībā, piesārņotāju noteikšanā un ūdens un gaisa kvalitātes novērtēšanā. Tos izmanto:

• Gaisa kvalitātes monitorings: Spektrometri un citi optiskie sensori mēra piesārņotāju, piemēram, ozona, slāpekļa dioksīda un cieto daļiņu, koncentrāciju gaisā. Gaisa kvalitātes monitoringa stacijas tiek izvietotas pilsētās visā pasaulē, lai sekotu līdzi piesārņojuma līmenim un aizsargātu sabiedrības veselību.
• Ūdens kvalitātes monitorings: Optiskie sensori mēra ūdens duļķainību, krāsu un ķīmisko sastāvu, sniedzot informāciju par ūdens kvalitāti un piesārņojuma līmeni. Eiropas upju sistēmās optiskos sensorus izmanto, lai uzraudzītu nitrātu un fosfātu līmeni, kas var veicināt aļģu ziedēšanu.
• Klimata monitorings: Satelītu optiskie sensori mēra Zemes temperatūru, mākoņu segu un veģetācijas segu, sniedzot datus klimata pārmaiņu pētniecībai un monitoringam. NASA Zemes novērošanas sistēma izmanto dažādus optiskos sensorus, lai vāktu datus par Zemes klimatu un vidi.
• Augsnes analīze: Spektroskopiskās metodes tiek izmantotas, lai noteiktu augsnes sastāvu, barības vielu saturu un piesārņojuma līmeni. Tas ļauj uzlabot lauksaimniecības praksi un vides pārvaldību. Lauksaimniecības pētījumos Brazīlijā optiskos sensorus izmanto, lai analizētu augsnes paraugus un optimizētu mēslojuma lietošanu.

Plaša patēriņa elektronika

Optiskie sensori ir integrēti plašā plaša patēriņa elektronikas klāstā, uzlabojot funkcionalitāti un lietotāja pieredzi. Tos izmanto:

• Apkārtējās gaismas noteikšana: Gaismas-sprieguma pārveidotāji pielāgo viedtālruņu un klēpjdatoru ekrāna spilgtumu atkarībā no apkārtējās gaismas apstākļiem, uzlabojot redzamību un taupot akumulatora enerģiju. Apkārtējās gaismas sensori ir standarta funkcija lielākajā daļā moderno viedtālruņu un planšetdatoru.
• Tuvuma noteikšana: Tuvuma sensori nosaka, kad lietotājs tur tālruni pie auss, atspējojot skārienekrānu, lai novērstu nejaušus pieskārienus. Tuvuma sensori tiek izmantoti viedtālruņos, lai novērstu nejaušus klikšķus tālruņa zvanu laikā.
• Žestu atpazīšana: Attēlu sensori un infrasarkanie sensori nodrošina žestu atpazīšanu spēļu konsolēs un citās ierīcēs, ļaujot lietotājiem mijiedarboties ar ierīci, izmantojot roku žestus. Microsoft Kinect izmanto infrasarkanos sensorus un attēlu sensorus, lai izsekotu lietotāju kustībām un žestiem.
• Optiskā pele: Gaismas diode (LED) un attēla sensors izseko peles kustību pa virsmu.

Aviācija un aizsardzība

Optiskie sensori ir kritiski svarīgi aviācijas un aizsardzības lietojumos to precizitātes un uzticamības dēļ skarbos apstākļos:

• Tālizpēte: Satelīti izmanto hiperspektrālos attēlu veidotājus, lai analizētu Zemes virsmu resursu pārvaldībai, vides monitoringam un militārajai izlūkošanai. Satelīti, kas aprīkoti ar optiskajiem sensoriem, tiek izmantoti, lai uzraudzītu mežu izciršanu Amazones lietus mežos.
• Vadība un navigācija: Zvaigžņu izsekotāji izmanto optiskos sensorus, lai noteiktu kosmosa kuģu orientāciju, identificējot zvaigznes. Tie ir būtiski precīzai navigācijai kosmosā.
• Mērķēšanas sistēmas: Militārās lidmašīnas un droni izmanto infrasarkanos sensorus un lāzera tālmērus, lai identificētu un izsekotu mērķus. Šīs sistēmas nodrošina kritiski svarīgu situācijas apzināšanos un mērķēšanas spējas.

Optisko sensoru priekšrocības

• Bezkontakta mērīšana: Optiskie sensori var mērīt parametrus bez fiziska kontakta ar mērķi, izvairoties no bojājumiem vai piesārņojuma.
• Augsta jutība: Optiskie sensori var noteikt ļoti mazas gaismas intensitātes vai viļņa garuma izmaiņas, nodrošinot precīzus mērījumus.
• Ātrs reakcijas laiks: Optiskajiem sensoriem parasti ir ātrs reakcijas laiks, kas ļauj veikt reāllaika monitoringu un kontroli.
• Tālizpēte: Optisko šķiedru sensorus un citus optiskos sensorus var izmantot tālizpētei skarbos vai nepieejamos apstākļos.
• Daudzpusība: Optiskie sensori var mērīt plašu parametru klāstu, tostarp temperatūru, spiedienu, deformāciju, ķīmisko sastāvu un pārvietojumu.

Optisko sensoru ierobežojumi

• Jutība pret apkārtējo gaismu: Apkārtējā gaisma var traucēt optisko sensoru mērījumiem, tāpēc nepieciešama rūpīga ekranēšana un kalibrēšana.
• Putekļi un piesārņojums: Putekļi, netīrumi un citi piesārņotāji var bloķēt vai izkliedēt gaismu, ietekmējot optisko sensoru mērījumu precizitāti.
• Izmaksas: Daži optiskie sensori, piemēram, spektrometri un augstas izšķirtspējas attēlu sensori, var būt salīdzinoši dārgi.
• Sarežģītība: Optisko sensoru sistēmu projektēšana un ieviešana var būt sarežģīta, prasot specializētas zināšanas optikā, elektronikā un signālu apstrādē.

Optisko sensoru nākotne

Optisko sensoru joma nepārtraukti attīstās, un notiekošie pētījumi un izstrāde ir vērsti uz veiktspējas uzlabošanu, izmaksu samazināšanu un pielietojumu paplašināšanu. Dažas galvenās tendences ir:

• Miniaturizācija: Mazāku un kompaktāku optisko sensoru izstrāde, kas ļauj tos integrēt pārnēsājamās ierīcēs un valkājamās tehnoloģijās.
• Integrācija ar IoT: Optisko sensoru integrācija ar lietu internetu (IoT), kas nodrošina attālinātu monitoringu un datu analīzi.
• Progresīvi materiāli: Jaunu materiālu, piemēram, nanomateriālu un metamateriālu, izmantošana, lai uzlabotu optisko sensoru jutību un selektivitāti.
• Mākslīgais intelekts (MI): MI un mašīnmācīšanās metožu pielietošana, lai uzlabotu optisko sensoru datu analīzes precizitāti un efektivitāti. Piemēram, MI algoritmus var izmantot, lai automātiski identificētu defektus attēlos, ko uzņēmuši optiskie sensori.
• Biofotonika: Pieaugoša optisko metožu izmantošana bioloģiskos un medicīniskos lietojumos, kas veicina progresu diagnostikā, terapijā un personalizētajā medicīnā.

Jaunās tehnoloģijas

• Hiperspektrālā attēlveidošana: Uzņem attēlus plašā elektromagnētiskā spektra diapazonā, sniedzot detalizētu spektrālo informāciju par objektu.
• Optiskās koherences tomogrāfija (OCT): Izmanto gaismas viļņus, lai uzņemtu augstas izšķirtspējas trīsdimensiju attēlus no optiski izkliedējošām vidēm (piemēram, bioloģiskiem audiem).
• Silīcija fotonika: Integrē optiskās funkcionalitātes silīcija mikroshēmās, nodrošinot kompaktus un zemu izmaksu optiskos sensorus.

Pareizā optiskā sensora izvēle

Lai izvēlētos piemērotu optisko sensoru konkrētam lietojumam, rūpīgi jāapsver vairāki faktori:

• Mērāmais parametrs: Nosakiet konkrēto mērāmo parametru (piemēram, klātbūtne/neesamība, attālums, krāsa, temperatūra, ķīmiskais sastāvs).
• Uztveršanas diapazons un izšķirtspēja: Definējiet nepieciešamo uztveršanas diapazonu un izšķirtspēju mērījumam.
• Vides apstākļi: Apsveriet darbības vidi, ieskaitot temperatūru, mitrumu, vibrāciju un pakļautību piesārņotājiem.
• Precizitāte un uzticamība: Novērtējiet nepieciešamo sensora precizitāti un uzticamību lietojumam.
• Izmaksas un pieejamība: Apsveriet sensora izmaksas un tā pieejamību no uzticamiem piegādātājiem.
• Integrācijas prasības: Novērtējiet sensora integrācijas vieglumu kopējā sistēmā.

Globālā tirgus tendences

Globālais optisko sensoru tirgus piedzīvo ievērojamu izaugsmi, ko veicina pieaugošais pieprasījums no dažādām nozarēm. Galvenās tirgus tendences ir:

• Pieaugošs pieprasījums automobiļu nozarē: Pieaugoša optisko sensoru izmantošana automobiļu lietojumprogrammās, piemēram, progresīvās vadītāja palīdzības sistēmās (ADAS) un autonomajā braukšanā.
• Pieaugoša izmantošana veselības aprūpē: Paplašināta optisko sensoru izmantošana medicīnas ierīcēs diagnostikai, monitoringam un terapijai.
• Pieaugošs uzsvars uz vides monitoringu: Pieaugoša izpratne par vides jautājumiem un pieaugošs pieprasījums pēc optiskajiem sensoriem gaisa un ūdens kvalitātes monitoringam.
• Izaugsme plaša patēriņa elektronikā: Turpinās optisko sensoru integrācija viedtālruņos, valkājamās ierīcēs un citās plaša patēriņa elektronikas ierīcēs.

Optisko sensoru tirgus ir ļoti konkurētspējīgs, un daudzi uzņēmumi piedāvā plašu produktu un pakalpojumu klāstu. Galvenie tirgus dalībnieki ir:

• Hamamatsu Photonics K.K. (Japāna)
• ams AG (Austrija)
• Texas Instruments Incorporated (ASV)
• ON Semiconductor Corporation (ASV)
• Vishay Intertechnology, Inc. (ASV)

Secinājumi

Optiskie sensori ir daudzpusīgi un jaudīgi mērīšanas un sensoru instrumenti, kuru pielietojums aptver daudzas nozares. To spēja nodrošināt bezkontakta, augstas jutības un reāllaika mērījumus padara tos par būtiskiem mūsdienu tehnoloģiju komponentiem. Tehnoloģijai turpinot attīstīties, optiskajiem sensoriem būs arvien nozīmīgāka loma mūsu nākotnes veidošanā.