Optik sensorlar: Sanoat bo'ylab yorug'likka asoslangan o'lchov tizimlari

Optik sensorlar, shuningdek, yorug'lik datchiklari yoki fotoelektrik sensorlar deb ham ataladi, yorug'likni elektr signaliga aylantiruvchi qurilmalardir. Bu ko'p qirrali sensorlar sanoat avtomatizatsiyasi va tibbiy diagnostikadan tortib, atrof-muhit monitoringi va maishiy elektronikagacha bo'lgan keng ko'lamli sohalarda qo'llaniladi. Ularning turli parametrlarni invaziv bo'lmagan holda va masofadan o'lchash qobiliyati ularni zamonaviy texnologiyaning ajralmas vositasiga aylantiradi.

Optik sensorlarning asoslari

Optik sensorlar qanday ishlaydi

Optik sensorlarning asosiy ishlash tamoyili yorug'likning nishon ob'ekt yoki modda bilan o'zaro ta'siriga asoslanadi. Yorug'lik nishon bilan o'zaro ta'sirlashganda, uning xususiyatlari (intensivligi, to'lqin uzunligi, qutblanishi) o'zgarishi mumkin. Bu o'zgarishlar sensor tomonidan aniqlanadi, elektr signaliga aylantiriladi va tegishli ma'lumotlarni olish uchun qayta ishlanadi. Turli xil optik sensorlar turli yorug'lik manbalari, detektorlar va signallarni qayta ishlash usullaridan foydalanadi.

Asosiy optik sensor tizimi odatda quyidagi komponentlardan iborat:

Yorug'lik manbai: Ko'rinadigan yorug'lik, infraqizil (IQ), ultrabinafsha (UB) yoki hatto lazer nurini chiqaradi.
Optik element: Bu element linzalar, filtrlar, ko'zgular yoki optik tolalarni o'z ichiga olishi mumkin, ular yorug'lik nurini fokuslash, yo'naltirish yoki o'zgartirish uchun ishlatiladi.
Nishon/Namuna: O'lchanayotgan ob'ekt yoki modda.
Detektor: Yorug'lik signalini elektr signaliga aylantiradi. Keng tarqalgan detektorlarga fotodiodlar, fototranzistorlar va fotoko'paytirgich quvurlari (PMT) kiradi.
Signalni qayta ishlash bloki: Kerakli o'lchovni olish uchun detektordan kelgan elektr signalini kuchaytiradi, filtrlaydi va qayta ishlaydi.

Optik sensorlarning turlari

Optik sensorlar o'zlarining ishlash tamoyili, yorug'lik manbai, detektori va qo'llanilishiga qarab tasniflanadi. Quyida ba'zi keng tarqalgan turlarning umumiy ko'rinishi keltirilgan:

Fotoelektrik sensorlar: Ushbu sensorlar yorug'lik intensivligidagi o'zgarishni o'lchash orqali ob'ektning mavjudligi yoki yo'qligini aniqlaydi. Ular sanoat avtomatizatsiyasida ob'ektlarni aniqlash, joylashuvni sezish va sanash uchun keng qo'llaniladi. Fotoelektrik sensorlar uchta asosiy turda bo'ladi:

Nurni uzatuvchi sensorlar: Emitent va qabul qiluvchi bir-biriga qarama-qarshi joylashadi. Ob'ekt nurni to'sib qo'yadi va sensorni ishga tushiradi.
Qayta akslantiruvchi sensorlar: Emitent va qabul qiluvchi bitta korpusda joylashgan bo'lib, yorug'lik nuri reflektor tomonidan qayta akslantiriladi. Ob'ekt sensor va reflektor orasidagi nurni to'sib qo'yadi.
Diffuz sensorlar: Emitent va qabul qiluvchi bitta korpusda joylashgan. Sensor to'g'ridan-to'g'ri ob'ektdan aks etgan yorug'likni aniqlaydi.

Optik tolali sensorlar: Bu sensorlar yorug'likni sezish nuqtasiga va undan qaytarish uchun optik tolalardan foydalanadi. Ular qattiq muhitlarda, masofadan zondlashda va tibbiy diagnostikada qo'llash uchun idealdir. Optik tolali sensorlar harorat, bosim, deformatsiya va sinish ko'rsatkichi kabi turli parametrlarni o'lchashi mumkin.
Tasvir sensorlari: CCD (zaryad bilan bog'langan qurilma) va CMOS (komplementar metall-oksid-yarimo'tkazgich) kabi tasvir sensorlari yorug'likni elektr signallariga aylantirish orqali tasvirlarni oladi. Ular raqamli kameralarda, tibbiy tasvirlash uskunalarida va mashina ko'rish tizimlarida keng qo'llaniladi.
Spektrometrlar: Bu sensorlar yorug'lik spektrini o'lchab, moddaning tarkibi va xususiyatlari haqida ma'lumot beradi. Spektrometrlar kimyoviy tahlil, atrof-muhit monitoringi va tibbiy diagnostika kabi turli sohalarda qo'llaniladi. Ular yorug'likni o'zining tarkibiy to'lqin uzunliklariga ajratish va keyin har bir to'lqin uzunligining intensivligini o'lchash orqali ishlaydi.
Yaqinlik sensorlari: Ushbu sensorlar yorug'lik nurini chiqarib va aks etgan yorug'likdagi o'zgarishlarni aniqlab, jismoniy aloqasiz yaqin atrofdagi ob'ektlarning mavjudligini aniqlaydi. Ular mobil telefonlarda, avtomobil ilovalarida va robototexnikada qo'llaniladi.
Yorug'likdan-kuchlanishga (LTV) va Yorug'likdan-chastotaga (LTF) o'zgartirgichlar: Ushbu integral sxemalar yorug'lik intensivligini to'g'ridan-to'g'ri kuchlanish yoki chastota chiqishiga aylantirib, mikrokontrollerlar va boshqa elektron sxemalar bilan interfeysni soddalashtiradi. Ular atrof-muhit yorug'ligini sezishda, yorug'lik o'lchagichlarida va optik enkoderlarda ishlatiladi.

Optik sensorlarning turli sohalarda qo'llanilishi

Sanoat avtomatizatsiyasi

Optik sensorlar sanoat jarayonlarini avtomatlashtirish, samaradorlikni oshirish va sifat nazoratini ta'minlashda muhim rol o'ynaydi. Ular quyidagi maqsadlarda ishlatiladi:

Ob'ektni aniqlash va sanash: Fotoelektrik sensorlar ishlab chiqarish liniyasidagi ob'ektlarning mavjudligi yoki yo'qligini aniqlaydi, bu esa avtomatlashtirilgan sanash va saralash imkonini beradi. Masalan, Germaniyadagi shisha idishlarga quyish zavodida konveyer lentasi bo'ylab harakatlanayotgan shishalar sonini sanash uchun nurni uzatuvchi sensorlar ishlatiladi, bu esa aniq to'ldirish va qadoqlashni ta'minlaydi.
Joylashuvni aniqlash: Optik sensorlar mashinalarning harakatlanuvchi qismlarining joylashuvini aniq belgilaydi, bu esa aniq boshqaruv va sinxronizatsiyani osonlashtiradi. Yaponiyadagi avtomobil zavodida yig'ish liniyasida avtomobil qismlarining to'g'ri joylashtirilganligini tekshirish uchun qayta akslantiruvchi sensorlar ishlatiladi.
Sifat nazorati: Tasvir sensorlari mahsulotlardagi nuqsonlarni tekshiradi va faqat yuqori sifatli mahsulotlarning bozorga chiqishini ta'minlaydi. Masalan, Hindistondagi to'qimachilik sanoatida to'qish jarayonida matolardagi nuqsonlarni aniqlash uchun tasvir sensorlari ishlatiladi.
Robototexnika: Optik sensorlar robotlarga o'z atrof-muhitini idrok etish imkoniyatini beradi, bu ularga navigatsiya qilish, ob'ektlarni boshqarish va murakkab vazifalarni bajarish imkonini beradi. Qo'shma Shtatlardagi omborxonada robotlar o'z atrof-muhitini xaritalash va yuklarni tashishda to'siqlardan qochish uchun LiDAR (Yorug'likni Aniqlash va Masofani O'lchash) sensorlaridan foydalanadi.

Tibbiy asboblar

Optik sensorlar turli tibbiy asboblarning muhim tarkibiy qismlari bo'lib, fiziologik parametrlarni invaziv bo'lmagan holda va real vaqtda monitoring qilish imkonini beradi. Ular quyidagi maqsadlarda ishlatiladi:

Puls oksimetriya: Yorug'likning yutilish usullaridan foydalanib qondagi kislorod miqdorini o'lchaydi. Puls oksimetrlari bemorlarning nafas olish holatini kuzatish uchun butun dunyo bo'ylab shifoxonalar va klinikalarda keng qo'llaniladi.
Qondagi glyukoza monitoringi: Invaziv bo'lmagan glyukoza sensorlari qondagi glyukoza darajasini teri orqali o'lchash uchun yaqin infraqizil (NIR) spektroskopiyasidan foydalanadi. Qandli diabet bilan kasallanganlar uchun aniq va ishonchli invaziv bo'lmagan glyukoza monitorlarini ishlab chiqish bo'yicha tadqiqotlar davom etmoqda.
Endoskopiya: Optik tolali endoskoplar shifokorlarga ichki organlar va to'qimalarni ko'rish imkonini beradi, bu esa kasalliklarni erta aniqlash va tashxislashga yordam beradi. Endoskopiya yo'g'on ichak saratoni va yaralar kabi kasalliklarni tashxislash uchun butun dunyoda qo'llaniladigan keng tarqalgan protseduradir.
Tibbiy tasvirlash: Tasvir sensorlari rentgen apparatlarida, MRT skanerlarida va boshqa tibbiy tasvirlash uskunalarida inson tanasining batafsil tasvirlarini yaratish uchun ishlatiladi. Ushbu tasvirlar keng ko'lamli tibbiy holatlarni tashxislash va davolash uchun zarurdir.

Atrof-muhit monitoringi

Optik sensorlar atrof-muhit sharoitlarini kuzatish, ifloslantiruvchi moddalarni aniqlash hamda suv va havo sifatini baholashda muhim rol o'ynaydi. Ular quyidagi maqsadlarda ishlatiladi:

Havo sifati monitoringi: Spektrometrlar va boshqa optik sensorlar havodagi ozon, azot dioksidi va zarrachalar kabi ifloslantiruvchi moddalarning konsentratsiyasini o'lchaydi. Havo sifati monitoringi stansiyalari ifloslanish darajasini kuzatish va aholi salomatligini himoya qilish uchun butun dunyo shaharlarida joylashtirilgan.
Suv sifati monitoringi: Optik sensorlar suvning loyqaligi, rangi va kimyoviy tarkibini o'lchaydi, bu esa suv sifati va ifloslanish darajasi haqida ma'lumot beradi. Yevropadagi daryo tizimlarida optik sensorlar suvo'tlarning gullashiga olib kelishi mumkin bo'lgan nitratlar va fosfatlar darajasini kuzatish uchun ishlatiladi.
Iqlim monitoringi: Sun'iy yo'ldoshga asoslangan optik sensorlar Yerning harorati, bulut qoplami va o'simlik qoplamini o'lchaydi, bu esa iqlim o'zgarishi tadqiqotlari va monitoringi uchun ma'lumotlar beradi. NASAning Yer kuzatuv tizimi Yerning iqlimi va atrof-muhiti haqida ma'lumot to'plash uchun turli xil optik sensorlardan foydalanadi.
Tuproq tahlili: Spektroskopik usullar tuproq tarkibi, ozuqaviy moddalar miqdori va ifloslanish darajasini aniqlash uchun qo'llaniladi. Bu qishloq xo'jaligida yaxshiroq amaliyotlar va atrof-muhitni boshqarish imkonini beradi. Braziliyadagi qishloq xo'jaligi tadqiqotlarida optik sensorlar tuproq namunalarini tahlil qilish va o'g'itlarni qo'llashni optimallashtirish uchun ishlatiladi.

Maishiy elektronika

Optik sensorlar keng ko'lamli maishiy elektronika qurilmalariga integratsiya qilingan bo'lib, ularning funksionalligi va foydalanuvchi tajribasini oshiradi. Ular quyidagi maqsadlarda ishlatiladi:

Atrofdagi yorug'likni sezish: Yorug'likdan-kuchlanishga o'zgartirgichlar smartfonlar va noutbuklarning ekran yorqinligini atrofdagi yorug'lik sharoitlariga qarab sozlaydi, bu esa ko'rinishni yaxshilaydi va batareya quvvatini tejaydi. Atrofdagi yorug'likni sezuvchi sensorlar aksariyat zamonaviy smartfonlar va planshetlarning standart xususiyatidir.
Yaqinlikni sezish: Yaqinlik sensorlari foydalanuvchi telefonni qulog'iga tutganini aniqlab, tasodifiy tegishlarning oldini olish uchun sensorli ekranni o'chirib qo'yadi. Yaqinlik sensorlari smartfonlarda telefon qo'ng'iroqlari paytida tasodifiy bosishlarning oldini olish uchun ishlatiladi.
Imo-ishoralarni tanib olish: Tasvir sensorlari va infraqizil sensorlar o'yin konsollari va boshqa qurilmalarda imo-ishoralarni tanib olish imkonini beradi, bu esa foydalanuvchilarga qurilma bilan qo'l harakatlari orqali muloqot qilish imkonini beradi. Microsoft Kinect foydalanuvchilarning harakatlari va imo-ishoralarini kuzatish uchun infraqizil sensorlar va tasvir sensorlaridan foydalanadi.
Optik sichqoncha: LED va tasvir sensori sichqonchaning sirt bo'ylab harakatini kuzatib boradi.

Aerokosmik va mudofaa

Optik sensorlar qattiq muhitlarda yuqori aniqligi va ishonchliligi tufayli aerokosmik va mudofaa sohalarida juda muhimdir:

Masofadan zondlash: Sun'iy yo'ldoshlar resurslarni boshqarish, atrof-muhit monitoringi va harbiy razvedka uchun Yer yuzasini tahlil qilish uchun giperspektral tasvir qurilmalaridan foydalanadi. Optik sensorlar bilan jihozlangan sun'iy yo'ldoshlar Amazonka tropik o'rmonlaridagi o'rmonlarning kesilishini kuzatish uchun ishlatiladi.
Yo'naltirish va navigatsiya: Yulduz kuzatuvchilari yulduzlarni aniqlash orqali kosmik kemalarning yo'nalishini aniqlash uchun optik sensorlardan foydalanadi. Ular kosmosda aniq navigatsiya uchun juda muhimdir.
Nishonga olish tizimlari: Harbiy samolyotlar va dronlar nishonlarni aniqlash va kuzatish uchun infraqizil sensorlar va lazerli masofa o'lchagichlardan foydalanadi. Ushbu tizimlar vaziyatdan xabardor bo'lish va nishonga olishda muhim imkoniyatlarni taqdim etadi.

Optik sensorlarning afzalliklari

Kontaktsiz o'lchov: Optik sensorlar nishon bilan jismoniy aloqa qilmasdan parametrlarni o'lchashi mumkin, bu esa shikastlanish yoki ifloslanishning oldini oladi.
Yuqori sezgirlik: Optik sensorlar yorug'lik intensivligi yoki to'lqin uzunligidagi juda kichik o'zgarishlarni ham aniqlay oladi, bu esa aniq o'lchovlarni amalga oshirish imkonini beradi.
Tez javob berish vaqti: Optik sensorlar odatda tez javob berish vaqtiga ega, bu esa real vaqtda monitoring va nazorat qilish imkonini beradi.
Masofadan zondlash: Optik tolali sensorlar va boshqa optik sensorlar qattiq yoki borish qiyin bo'lgan muhitlarda masofadan zondlash uchun ishlatilishi mumkin.
Ko'p qirralilik: Optik sensorlar harorat, bosim, deformatsiya, kimyoviy tarkib va siljish kabi keng ko'lamli parametrlarni o'lchashi mumkin.

Optik sensorlarning cheklovlari

Atrofdagi yorug'likka sezgirlik: Atrofdagi yorug'lik optik sensorlarning o'lchovlariga xalaqit berishi mumkin, bu esa ehtiyotkorlik bilan ekranlash va kalibrlashni talab qiladi.
Chang va ifloslanish: Chang, kir va boshqa ifloslantiruvchi moddalar yorug'likni to'sib qo'yishi yoki tarqatib yuborishi mumkin, bu esa optik sensor o'lchovlarining aniqligiga ta'sir qiladi.
Narxi: Ba'zi optik sensorlar, masalan, spektrometrlar va yuqori aniqlikdagi tasvir sensorlari, nisbatan qimmat bo'lishi mumkin.
Murakkablik: Optik sensor tizimlarini loyihalash va amalga oshirish murakkab bo'lishi mumkin, bu esa optika, elektronika va signallarni qayta ishlash bo'yicha maxsus bilimlarni talab qiladi.

Optik sensorlarning kelajagi

Optik sensorlar sohasi doimiy ravishda rivojlanmoqda, davom etayotgan tadqiqotlar va ishlanmalar samaradorlikni oshirish, xarajatlarni kamaytirish va qo'llanilish sohalarini kengaytirishga qaratilgan. Ba'zi asosiy tendentsiyalarga quyidagilar kiradi:

Miniatyuralashtirish: Kichikroq va ixchamroq optik sensorlarni ishlab chiqish, bu esa ularni portativ qurilmalar va taqiladigan texnologiyalarga integratsiya qilish imkonini beradi.
IoT bilan integratsiya: Optik sensorlarni Buyumlar Interneti (IoT) bilan integratsiya qilish, bu esa masofadan monitoring va ma'lumotlarni tahlil qilish imkonini beradi.
Ilg'or materiallar: Optik sensorlarning sezgirligi va tanlanuvchanligini oshirish uchun nanomateriallar va metamateriallar kabi yangi materiallardan foydalanish.
Sun'iy intellekt (SI): Optik sensor ma'lumotlarini tahlil qilishning aniqligi va samaradorligini oshirish uchun SI va mashinaviy o'rganish usullarini qo'llash. Masalan, SI algoritmlari optik sensorlar tomonidan olingan tasvirlardagi nuqsonlarni avtomatik ravishda aniqlash uchun ishlatilishi mumkin.
Biofotonika: Biologik va tibbiy sohalarda optik usullardan foydalanishning ortib borishi, bu esa diagnostika, terapevtika va shaxsiylashtirilgan tibbiyotda yutuqlarga olib keladi.

Rivojlanayotgan texnologiyalar

Giperspektral tasvirlash: Ob'ekt haqida batafsil spektral ma'lumot berib, elektromagnit spektrining keng diapazonida tasvirlarni oladi.
Optik kogerent tomografiya (OCT): Yorug'lik tarqatuvchi muhitlar (masalan, biologik to'qima) ichidan yuqori aniqlikdagi, uch o'lchovli tasvirlarni olish uchun yorug'lik to'lqinlaridan foydalanadi.
Kremniy fotonikasi: Optik funksiyalarni kremniy chiplariga integratsiya qilib, ixcham va arzon optik sensorlarni yaratish imkonini beradi.

To'g'ri optik sensorni tanlash

Muayyan dastur uchun mos optik sensorni tanlash bir nechta omillarni diqqat bilan ko'rib chiqishni talab qiladi:

O'lchov parametri: O'lchanishi kerak bo'lgan aniq parametrni aniqlang (masalan, mavjudlik/yo'qlik, masofa, rang, harorat, kimyoviy tarkib).
Sezish diapazoni va aniqligi: O'lchov uchun kerakli sezish diapazoni va aniqligini belgilang.
Atrof-muhit sharoitlari: Ishlash muhitini, jumladan harorat, namlik, tebranish va ifloslantiruvchi moddalarga ta'sirini hisobga oling.
Aniq va ishonchlilik: Dastur uchun sensorning talab qilinadigan aniqligi va ishonchliligini baholang.
Narxi va mavjudligi: Sensorning narxini va uning ishonchli yetkazib beruvchilardan mavjudligini hisobga oling.
Integratsiya talablari: Sensorni umumiy tizimga integratsiya qilish qulayligini baholang.

Global bozor tendentsiyalari

Optik sensorlar uchun global bozor turli sohalardan kelayotgan talabning ortishi hisobiga sezilarli o'sishni boshdan kechirmoqda. Asosiy bozor tendentsiyalari quyidagilardan iborat:

Avtomobilsozlikda talabning o'sishi: Haydovchiga yordam berishning ilg'or tizimlari (ADAS) va avtonom haydash kabi avtomobil ilovalarida optik sensorlarni qo'llashning ortib borishi.
Sog'liqni saqlashda qo'llashning ortishi: Diagnostika, monitoring va terapiya uchun tibbiy asboblarda optik sensorlardan foydalanishning kengayishi.
Atrof-muhit monitoringiga e'tiborning ortishi: Atrof-muhit muammolari haqida xabardorlikning ortishi va havo va suv sifati monitoringi uchun optik sensorlarga talabning ortishi.
Maishiy elektronikada kengayish: Smartfonlar, taqiladigan qurilmalar va boshqa maishiy elektronika qurilmalariga optik sensorlarning integratsiyasining davom etishi.

Optik sensorlar bozori yuqori raqobatga ega bo'lib, ko'plab kompaniyalar keng turdagi mahsulot va xizmatlarni taklif qiladi. Bozordagi asosiy ishtirokchilarga quyidagilar kiradi:

Hamamatsu Photonics K.K. (Yaponiya)
ams AG (Avstriya)
Texas Instruments Incorporated (AQSh)
ON Semiconductor Corporation (AQSh)
Vishay Intertechnology, Inc. (AQSh)

Xulosa

Optik sensorlar ko'p sonli sohalarni qamrab olgan qo'llanilishga ega bo'lgan ko'p qirrali va kuchli o'lchov va sezish vositalaridir. Ularning kontaktsiz, yuqori sezgirlikdagi va real vaqtdagi o'lchovlarni ta'minlash qobiliyati ularni zamonaviy texnologiyaning muhim tarkibiy qismlariga aylantiradi. Texnologiya rivojlanishda davom etar ekan, optik sensorlar kelajagimizni shakllantirishda tobora muhim rol o'ynaydi.