Оптичні сенсори: вимірювальні системи на основі світла в різних галузях

Оптичні сенсори, також відомі як світлові або фотоелектричні сенсори, — це пристрої, що перетворюють світло в електричний сигнал. Ці універсальні датчики знаходять застосування в широкому спектрі галузей: від промислової автоматизації та медичної діагностики до моніторингу навколишнього середовища та побутової електроніки. Їхня здатність неінвазивно та дистанційно вимірювати різноманітні параметри робить їх незамінними інструментами для сучасних технологій.

Основи оптичних сенсорів

Як працюють оптичні сенсори

Основний принцип роботи оптичних сенсорів полягає у взаємодії світла з цільовим об'єктом або речовиною. Коли світло взаємодіє з ціллю, його властивості (інтенсивність, довжина хвилі, поляризація) можуть змінюватися. Ці зміни потім виявляються сенсором, перетворюються на електричний сигнал і обробляються для отримання відповідної інформації. Різні типи оптичних сенсорів використовують різні джерела світла, детектори та методи обробки сигналу.

Базова система оптичного сенсора зазвичай складається з таких компонентів:

• Джерело світла: Випромінює світло, яке може бути видимим, інфрачервоним (ІЧ), ультрафіолетовим (УФ) або навіть лазерним.
• Оптичний елемент: Цей елемент може включати лінзи, фільтри, дзеркала або оптичні волокна, які використовуються для фокусування, направлення або модифікації світлового променя.
• Ціль/Зразок: Об'єкт або речовина, що вимірюється.
• Детектор: Перетворює світловий сигнал на електричний. Поширеними детекторами є фотодіоди, фототранзистори та фотоелектронні помножувачі (ФЕП).
• Блок обробки сигналу: Посилює, фільтрує та обробляє електричний сигнал від детектора для отримання бажаного вимірювання.

Типи оптичних сенсорів

Оптичні сенсори класифікуються за принципом роботи, джерелом світла, детектором та застосуванням. Ось огляд деяких поширених типів:

• Фотоелектричні сенсори: Ці сенсори виявляють наявність або відсутність об'єкта шляхом вимірювання зміни інтенсивності світла. Вони широко використовуються в промисловій автоматизації для виявлення об'єктів, визначення положення та підрахунку. Фотоелектричні сенсори бувають трьох основних типів:
• Сенсори на просвіт (променеві): Випромінювач і приймач розташовані один навпроти одного. Об'єкт перериває промінь, що активує сенсор.
• Ретрорефлекторні (світловідбивні) сенсори: Випромінювач і приймач знаходяться в одному корпусі, а світловий промінь відбивається від рефлектора. Об'єкт перериває промінь між сенсором і рефлектором.
• Дифузні сенсори: Випромінювач і приймач знаходяться в одному корпусі. Сенсор виявляє світло, відбите безпосередньо від об'єкта.
• Волоконно-оптичні сенсори: Ці сенсори використовують оптичні волокна для передачі світла до точки вимірювання і назад. Вони ідеально підходять для застосувань у суворих умовах, для дистанційного зондування та медичної діагностики. Волоконно-оптичні сенсори можуть вимірювати різноманітні параметри, включаючи температуру, тиск, деформацію та показник заломлення.
• Сенсори зображення: Сенсори зображення, такі як ПЗЗ (прилад із зарядовим зв'язком) та КМОН (комплементарний метал-оксид-напівпровідник), фіксують зображення шляхом перетворення світла в електричні сигнали. Вони широко використовуються в цифрових камерах, медичному обладнанні для візуалізації та системах машинного зору.
• Спектрометри: Ці сенсори вимірюють спектр світла, надаючи інформацію про склад і властивості речовини. Спектрометри використовуються в різних сферах, включаючи хімічний аналіз, моніторинг навколишнього середовища та медичну діагностику. Вони працюють, розкладаючи світло на складові довжини хвиль, а потім вимірюючи інтенсивність кожної довжини хвилі.
• Сенсори наближення: Ці сенсори виявляють наявність близьких об'єктів без фізичного контакту, випромінюючи промінь світла та фіксуючи зміни у відбитому світлі. Вони використовуються в мобільних телефонах, автомобільних системах та робототехніці.
• Перетворювачі світла в напругу (LTV) та світла в частоту (LTF): Ці інтегральні схеми перетворюють інтенсивність світла безпосередньо у вихідну напругу або частоту, спрощуючи взаємодію з мікроконтролерами та іншими електронними схемами. Вони використовуються для вимірювання навколишнього освітлення, у світломірах та оптичних енкодерах.

Застосування оптичних сенсорів у різних галузях

Промислова автоматизація

Оптичні сенсори відіграють вирішальну роль в автоматизації промислових процесів, підвищуючи ефективність та забезпечуючи контроль якості. Вони використовуються для:

• Виявлення та підрахунок об'єктів: Фотоелектричні сенсори виявляють наявність або відсутність об'єктів на виробничій лінії, що дозволяє автоматизувати підрахунок та сортування. Наприклад, на заводі з розливу напоїв у Німеччині сенсори на просвіт використовуються для підрахунку кількості пляшок, що рухаються по конвеєру, забезпечуючи точне наповнення та пакування.
• Визначення положення: Оптичні сенсори точно визначають положення рухомих частин у механізмах, що сприяє точному управлінню та синхронізації. На японському автомобільному заводі ретрорефлекторні сенсори використовуються для перевірки правильного розміщення деталей автомобіля на конвеєрі.
• Контроль якості: Сенсори зображення перевіряють продукцію на наявність дефектів, гарантуючи, що на ринок потрапляють лише високоякісні вироби. Наприклад, у текстильній промисловості Індії сенсори зображення використовуються для виявлення недоліків у тканинах під час процесу ткацтва.
• Робототехніка: Оптичні сенсори дають роботам можливість сприймати навколишнє середовище, що дозволяє їм орієнтуватися, маніпулювати об'єктами та виконувати складні завдання. На складі в Сполучених Штатах роботи використовують сенсори LiDAR (Light Detection and Ranging) для картографування оточення та уникнення перешкод під час транспортування товарів.

Медичні прилади

Оптичні сенсори є важливими компонентами різноманітних медичних пристроїв, забезпечуючи неінвазивний моніторинг фізіологічних параметрів у реальному часі. Вони використовуються для:

• Пульсоксиметрія: Вимірює насичення крові киснем за допомогою методів поглинання світла. Пульсоксиметри широко використовуються в лікарнях та клініках по всьому світу для моніторингу дихального статусу пацієнтів.
• Моніторинг рівня глюкози в крові: Неінвазивні сенсори глюкози використовують спектроскопію в ближньому інфрачервоному діапазоні (NIR) для вимірювання рівня глюкози в крові через шкіру. Тривають дослідження для розробки точних та надійних неінвазивних моніторів глюкози для людей з діабетом.
• Ендоскопія: Волоконно-оптичні ендоскопи дозволяють лікарям візуалізувати внутрішні органи та тканини, що забезпечує раннє виявлення та діагностику захворювань. Ендоскопія є поширеною процедурою, що використовується в усьому світі для діагностики таких станів, як рак товстої кишки та виразки.
• Медична візуалізація: Сенсори зображення використовуються в рентгенівських апаратах, МРТ-сканерах та іншому обладнанні для медичної візуалізації для створення детальних зображень людського тіла. Ці зображення є важливими для діагностики та лікування широкого спектра медичних станів.

Моніторинг довкілля

Оптичні сенсори відіграють життєво важливу роль у моніторингу умов навколишнього середовища, виявленні забруднювачів та оцінці якості води та повітря. Вони використовуються для:

• Моніторинг якості повітря: Спектрометри та інші оптичні сенсори вимірюють концентрацію забруднюючих речовин у повітрі, таких як озон, діоксид азоту та тверді частинки. Станції моніторингу якості повітря розгорнуті в містах по всьому світу для відстеження рівня забруднення та захисту громадського здоров'я.
• Моніторинг якості води: Оптичні сенсори вимірюють каламутність, колір та хімічний склад води, надаючи інформацію про якість води та рівень забруднення. У річкових системах Європи оптичні сенсори використовуються для моніторингу рівня нітратів та фосфатів, які можуть сприяти цвітінню водоростей.
• Кліматичний моніторинг: Супутникові оптичні сенсори вимірюють температуру Землі, хмарний покрив та рослинний покрив, надаючи дані для досліджень та моніторингу зміни клімату. Система спостереження Землі NASA використовує різноманітні оптичні сенсори для збору даних про клімат та навколишнє середовище Землі.
• Аналіз ґрунту: Спектроскопічні методи використовуються для визначення складу ґрунту, вмісту поживних речовин та рівня забруднення. Це дозволяє покращити сільськогосподарські практики та управління навколишнім середовищем. У сільськогосподарських дослідженнях в Бразилії оптичні сенсори використовуються для аналізу зразків ґрунту та оптимізації внесення добрив.

Побутова електроніка

Оптичні сенсори інтегровані в широкий спектр побутової електроніки, покращуючи функціональність та користувацький досвід. Вони використовуються для:

• Вимірювання навколишнього освітлення: Перетворювачі світла в напругу регулюють яскравість екранів смартфонів та ноутбуків залежно від умов навколишнього освітлення, покращуючи видимість та заощаджуючи заряд батареї. Сенсори навколишнього освітлення є стандартною функцією в більшості сучасних смартфонів та планшетів.
• Виявлення наближення: Сенсори наближення виявляють, коли користувач тримає телефон біля вуха, вимикаючи сенсорний екран, щоб запобігти випадковим дотикам. Сенсори наближення використовуються в смартфонах для запобігання випадковим натисканням під час телефонних розмов.
• Розпізнавання жестів: Сенсори зображення та інфрачервоні сенсори дозволяють розпізнавати жести в ігрових консолях та інших пристроях, що дає змогу користувачам взаємодіяти з пристроєм за допомогою рухів рук. Microsoft Kinect використовує інфрачервоні сенсори та сенсори зображення для відстеження рухів та жестів користувачів.
• Оптична миша: Світлодіод та сенсор зображення відстежують рух миші по поверхні.

Аерокосмічна та оборонна промисловість

Оптичні сенсори є критично важливими в аерокосмічних та оборонних застосуваннях завдяки своїй точності та надійності в суворих умовах:

• Дистанційне зондування: Супутники використовують гіперспектральні сканери для аналізу поверхні Землі для управління ресурсами, моніторингу навколишнього середовища та військової розвідки. Супутники, оснащені оптичними сенсорами, використовуються для моніторингу вирубки лісів в Амазонії.
• Наведення та навігація: Зоряні трекери використовують оптичні сенсори для визначення орієнтації космічних апаратів шляхом ідентифікації зірок. Це має вирішальне значення для точної навігації в космосі.
• Системи націлювання: Військові літаки та безпілотники використовують інфрачервоні сенсори та лазерні далекоміри для ідентифікації та відстеження цілей. Ці системи забезпечують критичну ситуаційну обізнаність та можливості націлювання.

Переваги оптичних сенсорів

• Безконтактне вимірювання: Оптичні сенсори можуть вимірювати параметри без фізичного контакту з ціллю, уникаючи пошкодження або забруднення.
• Висока чутливість: Оптичні сенсори можуть виявляти дуже малі зміни інтенсивності або довжини хвилі світла, що дозволяє проводити точні вимірювання.
• Швидкий час відгуку: Оптичні сенсори зазвичай мають швидкий час відгуку, що дозволяє здійснювати моніторинг та управління в реальному часі.
• Дистанційне зондування: Волоконно-оптичні та інші оптичні сенсори можуть використовуватися для дистанційного зондування в суворих або важкодоступних умовах.
• Універсальність: Оптичні сенсори можуть вимірювати широкий спектр параметрів, включаючи температуру, тиск, деформацію, хімічний склад та переміщення.

Недоліки оптичних сенсорів

• Чутливість до навколишнього освітлення: Навколишнє світло може заважати вимірюванням оптичних сенсорів, що вимагає ретельного екранування та калібрування.
• Пил та забруднення: Пил, бруд та інші забруднювачі можуть блокувати або розсіювати світло, впливаючи на точність вимірювань оптичних сенсорів.
• Вартість: Деякі оптичні сенсори, такі як спектрометри та сенсори зображення високої роздільної здатності, можуть бути відносно дорогими.
• Складність: Проєктування та впровадження систем оптичних сенсорів може бути складним, вимагаючи спеціалізованих знань в оптиці, електроніці та обробці сигналів.

Майбутнє оптичних сенсорів

Сфера оптичних сенсорів постійно розвивається, а поточні дослідження та розробки спрямовані на покращення продуктивності, зниження вартості та розширення сфер застосування. Деякі ключові тенденції включають:

• Мініатюризація: Розробка менших та компактніших оптичних сенсорів, що дозволяє інтегрувати їх у портативні пристрої та носиму техніку.
• Інтеграція з IoT: Інтеграція оптичних сенсорів з Інтернетом речей (IoT), що забезпечує дистанційний моніторинг та аналіз даних.
• Передові матеріали: Використання нових матеріалів, таких як наноматеріали та метаматеріали, для підвищення чутливості та селективності оптичних сенсорів.
• Штучний інтелект (ШІ): Застосування методів ШІ та машинного навчання для підвищення точності та ефективності аналізу даних з оптичних сенсорів. Наприклад, алгоритми ШІ можна використовувати для автоматичного виявлення дефектів на зображеннях, отриманих оптичними сенсорами.
• Біофотоніка: Зростаюче використання оптичних методів у біологічних та медичних застосуваннях, що веде до прогресу в діагностиці, терапії та персоналізованій медицині.

Новітні технології

• Гіперспектральна візуалізація: Захоплює зображення в широкому діапазоні електромагнітного спектра, надаючи детальну спектральну інформацію про об'єкт.
• Оптична когерентна томографія (ОКТ): Використовує світлові хвилі для отримання тривимірних зображень високої роздільної здатності зсередини оптично розсіюючих середовищ (наприклад, біологічної тканини).
• Кремнієва фотоніка: Інтегрує оптичні функціональні можливості на кремнієві чіпи, що дозволяє створювати компактні та недорогі оптичні сенсори.

Вибір правильного оптичного сенсора

Вибір відповідного оптичного сенсора для конкретного застосування вимагає ретельного розгляду кількох факторів:

• Параметр вимірювання: Визначте конкретний параметр, який потрібно виміряти (наприклад, наявність/відсутність, відстань, колір, температура, хімічний склад).
• Діапазон та роздільна здатність вимірювання: Визначте необхідний діапазон та роздільну здатність для вимірювання.
• Умови навколишнього середовища: Враховуйте робоче середовище, включаючи температуру, вологість, вібрацію та вплив забруднювачів.
• Точність та надійність: Оцініть необхідну точність та надійність сенсора для застосування.
• Вартість та доступність: Враховуйте вартість сенсора та його доступність у надійних постачальників.
• Вимоги до інтеграції: Оцініть легкість інтеграції сенсора в загальну систему.

Глобальні ринкові тенденції

Глобальний ринок оптичних сенсорів переживає значне зростання, зумовлене зростаючим попитом з боку різних галузей. Ключові ринкові тенденції включають:

• Зростаючий попит в автомобілебудуванні: Збільшення впровадження оптичних сенсорів в автомобільних додатках, таких як передові системи допомоги водієві (ADAS) та автономне водіння.
• Зростання впровадження в охороні здоров'я: Розширення використання оптичних сенсорів у медичних приладах для діагностики, моніторингу та терапії.
• Збільшення уваги до моніторингу навколишнього середовища: Зростання обізнаності про екологічні проблеми та збільшення попиту на оптичні сенсори для моніторингу якості повітря та води.
• Розширення в побутовій електроніці: Продовження інтеграції оптичних сенсорів у смартфони, носимі пристрої та іншу побутову електроніку.

Ринок оптичних сенсорів є висококонкурентним, з численними компаніями, що пропонують широкий спектр продуктів та послуг. Ключові гравці на ринку включають:

• Hamamatsu Photonics K.K. (Японія)
• ams AG (Австрія)
• Texas Instruments Incorporated (США)
• ON Semiconductor Corporation (США)
• Vishay Intertechnology, Inc. (США)

Висновок

Оптичні сенсори є універсальними та потужними інструментами для вимірювання та зондування, із застосуванням у численних галузях. Їхня здатність забезпечувати безконтактні, високочутливі вимірювання в реальному часі робить їх важливими компонентами сучасної технології. У міру того, як технології продовжують розвиватися, оптичні сенсори відіграватимуть все більш важливу роль у формуванні нашого майбутнього.