این سنسورها از نور برای تشخیص و اندازه گیری یک پارامتر فیزیکی مانند وجود یا عدم وجود یک جسم، رنگ یا شدت نور یا فاصله بین اجسام استفاده میکنند. آنها معمولا در انکودرهای نوری، بارکدخوان‌ها و بینایی ماشین استفاده می‌شوند.
سنسورهای نوری (اپتیکال) المان‌های الکترونیکی هستند که از نور برای تشخیص و اندازه گیری کمیت‌های فیزیکی مختلف مانند فاصله، موقعیت، حضور/عدم حضور یک جسم، دما، فشار و غیره استفاده میکنند. این حسگرها بر اساس تعامل بین نور و مواد یا پدیده‌های مختلف کار میکنند. آنها تغییرات در میزان، شدت، طول موج، قطبیدگی یا فاز نور را را برای تشخیص و تجزیه و تحلیل کمیت‌های فیزیکی اندازه گیری میکنند.
سنسورهای اپتیکال دارای مزایایی از قبیل درستی بالا، زمان پاسخ سریع، عملکرد بدون تماس و مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی هستند. هر سنسور نوری دارای محدوده سنجش و درستی خاصی است که مناسب بودن آن را برای کاربردهای مختلف مشخص میکند.
این سنسورها در صنایعی مانند خودروسازی، هوافضا، مراقبت های بهداشتی، تولید و نظارت بر محیط زیست و غیره کاربرد دارند.
انواع سنسورهای نوری و نحوه کار آنها
سنسورهای اپتیکال برای انتشار نور و تعامل با جسم یا محیط هدف نیاز به منبع نور دارند. منابع نور متداول شامل LEDها (دیودهای ساطع کننده نور) یا لیزر هستند که بسته به نیاز هر پروژه، میتوانند مورد استفاده قرارگیرند.
سنسورهای اپتیکال از روش‌های تشخیص متفاوتی برای تجزیه و تحلیل تغییرات نور استفاده میکنند. این روش‌ها می‌تواند شامل بازتاب، انتقال، جذب یا پخش امواج نور باشد. انتخاب یک سنسور بر اساس روش تشخیص آن، بستگی به کاربرد خاص مورد نظر و ویژگی‌های شی هدف دارد.
انواع مختلفی از حسگرهای نوری وجود دارد که هر کدام برای تشخیص جنبه‌های خاصی از نور مانند شدت، طول موج، قطبیدگی یا فاز طراحی شده‌اند. در ادامه با چند نمونه از این سنسورها و نحوه کار آنها بیشتر آشنا خواهیم شد:
فوتودیودها
فتودیود یک قطعه نیمه هادی است که هنگام قرار گرفتن در معرض نور جریان الکتریکی تولید میکند. فوتودیودها میتوانند به طول موج‌های مختلف پاسخ دهند.
هنگامی که فوتون‌ها به ناحیه تخلیه فتودیود برخورد میکنند، به دلیل جذب انرژی از نور ورودی، جفت الکترون-حفره ایجاد میکنند. الکترون‌ها و حفره‌های تولید شده، منجر به تولید جریان نوری می‌شوند که در واقع می‌تواند به عنوان پاسخی به نور فرودی تخمین زده شود.
این سنسورها را می‌توان در کاربردهایی مانند نورسنج، سیستم‌های ارتباطی نوری و اسکنر بارکد استفاده کرد.
انکودرهای نوری
انکودرهای نوری از یک منبع نور و یک حسگر برای تشخیص حرکت یا موقعیت استفاده میکنند.
آنها المان‌هایی هستند که حرکت مکانیکی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل میکنند. آنها به طور گسترده در کاربردهای مختلف برای اندازه گیری موقعیت، سرعت و جهت با استفاده ازLED، فوتودیود، و یک دیسک الگودار به نام code wheel استفاده می‌شوند.
انکودرهای نوری بر اساس اصل قطع نور کار میکنند. دیسک به کار رفته در این سنسورها، که بر روی یک شفت چرخان نصب شده است، شامل بخش‌های متناوب شفاف و مات است. همانطور که شفت می‌چرخد، بخش ها بین یک منبع نور LED و یک فوتودیتکتور عبور میکنند و الگویی از نورهای منقطع ایجاد میکنند. سپس این الگو به سیگنال های الکتریکی تبدیل می شود.
انواع انکودرهای نوری:
افزایشی: این انکودرها دارای دو کانال خروجی (A و B) هستند که سیگنال‌های موج مربعی با اختلاف فاز تولید میکنند. انکودرهای افزایشی با اندازه گیری تعداد پالس‌ها و جهت چرخش، موقعیت، سرعت و جهت را تعیین میکنند.
انکودرهای مطلق: انکودرهای مطلق یک کد دیجیتال منحصر به فرد برای هر موقعیت ارائه می‌دهند که امکان بازخوانی مستقیم اطلاعات موقعیت مطلق را فراهم میکند. آنها می توانند تک دور یا مولتی دور باشند و حتی پس از قطع برق هم میتوانند اطلاعات خود را ارائه دهند.
وضوح یک انکودر نوری به کوچکترین جابجایی زاویه‌ای که می‌تواند تشخیص دهد اشاره دارد. معمولاً بر حسب پالس در هر دور (PPR) مشخص میشود، که نشان‌دهنده تعداد بخش‌های با فاصله مساوی روی دیسک است. مقادیر بالاتر PPR منجر به دقت و درستی بیشتر انکودر میشود.
انکودرهای نوری میتوانند دقت و خطینگی بالایی داشته باشند و فیدبک دقیقی از موقعیت داشته باشند. درستی انکودرها به عواملی مانند کیفیت دیسک، اجزای نوری و مدار پردازش سیگنال بستگی دارد.
انکودرهای نوری در زمینه‌های مختلفی از جمله رباتیک، اتوماسیون صنعتی، ماشین‌های CNC، پرینترها، سیستم‌های کنترل موتور، تجهیزات پزشکی و لوازم الکترونیکی مصرفی کاربرد پیدا میکنند. از انکودرهای نوری به منظور کنترل دقیق موقعیت، تنظیم سرعت و فیدبک در این سیستم‌ها استفاده میشود.
مزایا و محدودیت‌های انکودرهای نوری :
انکودرهای نوری دارای مزایایی از قبیل وضوح بالا، زمان پاسخ سریع، عمر طولانی و مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی هستند. آنها همچنین توانایی ارائه فیدبک حتی در سرعت‌های پایین و یا در هنگام قطع برق را نیز دارند.
انکودرهای نوری ممکن است در محیط‌هایی با دمای بسیار بالا یا پایین، رطوبت یا آلاینده‌های زیاد محدودیت‌هایی داشته باشند. لرزش یا شوک بیش از حد نیز می‌تواند بر عملکرد آنها تأثیر بگذارد. در چنین مواردی، ممکن است انکودرهای با فناوری‌های دیگر مانند انکودرهای مغناطیسی یا خازنی مناسب‌تر باشند.
سنسورهای فیبر نوری
حسگرهای فیبر نوری سنسورهایی هستند که از فیبرهای نوری برای شناسایی و اندازه گیری پارامترهای فیزیکی یا محیطی استفاده میکنند. آنها از اصل انتشار نور از طریق فیبر نوری برای درک تغییرات در پارامترهای مختلف و تبدیل آنها به سیگنال‌های الکتریکی استفاده میکنند.
سنسورهای فیبر نوری بر اساس مدولاسیون نور هنگام عبور از فیبر نوری کار میکنند. تغییرات در محیط، مانند دما، فشار، کرنش، رطوبت یا وجود برخی مواد، باعث تغییراتی در سیگنال نور میشود که قابل اندازه گیری و تجزیه و تحلیل است.
انواع سنسور فیبر نوری:
سنسورهای مبتنی بر شدت: این حسگرها شدت نوری را که در فیبر منتقل یا منعکس میشود اندازه گیری میکنند. تغییر در شدت، اطلاعاتی را در مورد پارامتر مورد اندازه گیری ارائه میکند.
سنسورهای مبتنی بر فاز: این سنسورها تغییر فاز یا تداخل نور را هنگام عبور از فیبر اندازه گیری میکنند. این تغییرات فاز با پارامتر مورد اندازه گیری مرتبط است.
سنسورهای مبتنی بر قطبیدگی: این حسگرها از خواص قطبیدگی نور برای تشخیص تغییرات در محیط اطراف استفاده میکنند.
مزایای سنسورهای فیبر نوری:
- حساسیت بالا: سنسورهای فیبر نوری میتوانند حساسیت و دقت بسیار بالایی را ارائه دهند و امکان اندازه گیری دقیق را برای کاربران فراهم کنند.
- مصونیت در برابر تداخل الکترومغناطیسی: از آنجایی که حسگرهای فیبر نوری به نور متکی هستند، در برابر تداخل الکترومغناطیسی مصون هستند و آنها را برای محیط‌های سخت صنعتی مناسب میسازد.
- قابلیت استفاده برای مسافت‌های طولانی: فیبرهای نوری میتوانند سیگنال‌ها را در فواصل طولانی بدون تلفات یا تخریب قابل توجه انتقال دهند.
- تشخیص از راه دور: حسگرهای فیبر نوری به دلیل انعطاف پذیری و باریک بودن فیبرهای نوری میتوانند در مکان های صعب العبور یا خطرناک مستقر شوند.
- مولتی پلکسینگ: می‌توان چندین سنسور را در یک فیبر واحد ترکیب کرد که امکان اندازه گیری همزمان پارامترهای مختلف را فراهم میکند.
کاربرد سنسورهای فیبر نوری:
- نظارت بر سلامت سازه: سنسورهای فیبر نوری میتوانند فشار، دما و ارتعاش را در سازه‌هایی مانند پل‌ها، ساختمان‌ها و خطوط لوله نظارت کنند.
- کنترل فرآیند صنعتی: برای نظارت بر فشار، دما و سطوح مایع/گاز در فرآیندهای صنعتی برای اطمینان از عملکردی کارآمد و ایمن استفاده میشود.
- نظارت بر محیط: سنسورهای فیبر نوری میتوانند تغییرات در شرایط محیطی مانند دما، رطوبت و سطوح آلودگی را تشخیص دهند.
- سنسورهای زیست پزشکی: سنسورهای فیبر نوری در دستگاه‌های پزشکی برای سنجش غیر تهاجمی علائم حیاتی، تجزیه و تحلیل بافت و نظارت بر فرآیندهای بیولوژیکی کاربرد دارند.
- دفاع و امنیت: از این سنسورها برای امنیت محیطی، تشخیص نفوذ و تشخیص عوامل شیمیایی/بیولوژیکی استفاده میشود.
مقاومت‌های نوری (LDR)
فوتورزیستورها که با نام مقاومت‌های نوری (LDRs) نیز شناخته می‌شوند، نوعی حسگر نور هستند. ساختار اصلی یک مقاومت نوری شامل یک لایه نیمه هادی نازک با دو الکترود متصل به آن است. اصل کار مقاومت‌های نوری بر اساس پدیده‌ای به نام اثر فوتوالکتریک است.
رابطه بین مقاومتِ یک مقاومت نوری و شدت نورتابش شده بر آن، غیر خطی است و به عواملی مانند ترکیب مواد و حساسیت طیفی دستگاه بستگی دارد.
این بدان معنیست که مقاومت یک مقاومت نوری با افزایش شدت نور کاهش می‌یابد و با کاهش شدت نور افزایش می‌یابد. این ویژگی آنها را برای تشخیص میزان نور یا اندازه گیری آن مناسب میکند.
هنگامی که نور روی یک مقاومت نوری میتابد، فوتون‌هایی با انرژی کافی، الکترون‌های موجود در باند ظرفیت ماده را تحریک میکنند و باعث می‌شوند که آنها به سمت نوار رسانایی حرکت کنند و همین امر سبب ایجاد جفت الکترون-حفره میشود، جایی که الکترون‌ها آزادند تا الکتریسیته را هدایت کنند.
وجود این حامل‌های آزاد باعث کاهش مقاومت فوتورزیستور میشود. هر چه نور شدیدتر باشد، تعداد جفت الکترون-حفره‌های تولید شده نیز بیشتر میشود و در نتیجه مقاومت کمتری ایجاد میشود. و برعکس، در شرایط کم نور، مقاومت افزایش می‌یابد.
مقاومت‌های نوری معمولاً در کاربردهای مختلفی از جمله سیستم‌های روشنایی اتومات، کنترل نور فضاهای باز، دستگاه‌های صرفه‌جویی در مصرف انرژی، نورسنج عکاسی و بسیاری موارد دیگر استفاده می‌شوند. فوتورزیستورها راه حلی ساده و مقرون به صرفه برای تشخیص و پاسخ به تغییرات در سطوح نور محیط به شمار می‌روند.
لازم به ذکر است که مقاومت‌های نوری دارای محدودیت‌هایی مانند زمان پاسخ آهسته و عدم کالیبراسیون دقیق هستند. علاوه بر این، آنها ممکن است تحت تأثیر عواملی مانند تغییرات دما و فرسودگی و کهنگی قرار بگیرند. با این حال، برای بسیاری از کاربردهای عملی، مقاومت نوری به دلیل سادگی و تطبیق پذیری، انتخابی محبوب باقی مانده است.
طیف سنج ها
طیف‌سنج‌ها ابزارهایی هستند که برای اندازه گیری و تجزیه و تحلیل خواص نور یا تشعشعات الکترومغناطیسی استفاده می‌شوند. آنها به طور گسترده در زمینه‌های مختلف علمی، صنایع و برنامه‌های کاربردی تحقیقاتی استفاده می‌شوند. طیف سنج‌ها با تقسیم نور به طول موج‌های اجزای آن و اندازه گیری شدت هر طول موج کار میکنند.
انواع طیف سنج‌ها:
طیف‌سنج‌ها انواع مختلفی دارند، از جمله طیف‌سنج‌های نوری، طیف‌سنج جرمی و طیف‌سنج اشعه ایکس.
طیف سنج‌های نوری: آنها در نواحی مرئی، فرابنفش یا مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی عمل میکنند و معمولاً برای تجزیه و تحلیل مواد، نجوم، نظارت بر محیط زیست و تشخیص پزشکی استفاده می‌شوند.
طیف سنج‌های جرمی: طیف سنج‌های جرمی برای اندازه گیری جرم و فراوانی نسبی یون‌ها استفاده میشود. آنها به طور گسترده در شیمی، زیست شناسی و فیزیک برای تجزیه و تحلیل مخلوط‌های پیچیده و تعیین ترکیب مواد استفاده می‌شوند.
طیف سنج‌های اشعه ایکس: طیف سنج‌های اشعه ایکس به طور خاص برای تجزیه و تحلیل اشعه ایکس طراحی شده‌اند که در مقایسه با نور مرئی انرژی بالاتری دارند. آنها در علم مواد، شیمی و تصویربرداری پزشکی کاربرد دارند.
مزایای طیف سنج ها:
طیف سنج‌ها مزایای زیادی دارند. آنها اندازه گیری های دقیقی را ارائه می دهند و امکان تجزیه و تحلیل دقیق و تعیین خصوصیات نمونه‌ها را فراهم میکنند. آنها همه کاره هستند، زیرا میتوانند برای اندازه گیری نواحی مختلف طیف الکترومغناطیسی مناسب سازی شوند. طیف سنج‌ها غیرمخرب هستند و آنالیز را بدون ایجاد تغییر یا آسیب رساندن به نمونه‌ها امکان پذیر میکنند. آنها همچنین حساسیت بالایی دارند که این ویژگی آنها را برای تشخیص مقادیر ناچیز از مواد نیز مناسب میسازد.
مانند هر سنسور دیگری، ممکن است برای اطمینان از درستی اندازه‌گیری‌های سنسورهای اپتیکال نیز نیاز به کالیبراسیون باشند. نگهداری و رسیدگی منظم به اجزای نوری سنسور نیز برای حفظ عملکرد و طول عمر آنها مهم است.