یک سنسور نور، شدت یا حضور نور را تشخیص داده و اندازه گیری میکند. از انواع سنسورهای نور می‌توان به فتودیود، ترانزیستورهای نوری و حسگرهای نور محیط و.. اشاره کرد. فوتودیودها نور را به جریان تبدیل میکنند، ترانزیستورهای نوری جریان را تقویت میکنند و سنسورهای نور محیط، میزان کلی نور را تشخیص می‌دهند.
سنسورهای نور المان‌هایی هستند که شدت نور را در محیط اطراف خود تشخیص داده و اندازه گیری میکنند. آنها را می‌توان در دستگاه‌های الکترونیکی مختلف مانند دوربین‌ها، تلفن‌های هوشمند و حتی سیستم‌های روشنایی اتومات یافت.
آشنایی با انواع سنسورهای نور و نحوه کار آنها
سنسورهای نور در انواع مختلفی از جمله فوتودیود، ترانزیستورهای نوری (فوتو ترانزیستور) و مقاومت نوری (فوتورزیستور) وجود دارند که هر کدام خواص و کاربردهای منحصر به فرد خود را دارند. این حسگرها معمولاً در مواردی که نیاز به تشخیص دقیق نور و شدت آن باشد، مورد استفاده قرار میگیرند، مانند سیستم‌های روشنایی در فضای باز، سنجش نور محیط برای نمایشگرها و در فرآیندهای اتوماسیون صنعتی.
این سنسورها عموماً با تبدیل نور دریافتی به سیگنال الکتریکی کار میکنند. سپس این سیگنال به منظور دستیابی به پاسخی مناسب، توسط دستگاهی پردازش و تجزیه و تحلیل میشود. به عنوان مثال، یک دوربین ممکن است از یک حسگر نور برای تنظیم تنظیمات نوردهی بر اساس نور موجود استفاده کند که در نتیجه عکس‌هایی متعادل و با نور مناسب ایجاد میشود.
همانطور که میدانید جزئیات بیشتر درباره نحوه کار هر سنسور بسته به نوع آن متفاوت خواهد بود. در اینجا، به‌طور خلاصه به بررسی چند نمونه از سنسورهای نور رایج و اصول کار آنها میپردازیم:
سنسورهای نور محیط
سسورهای نور محیط که با نام ALS نیز شناخته می‌شوند، المان‌های الکترونیکی هستند که میزان نور محیط را تشخیص می‌دهند. این سنسورها شدت نور را اندازه گیری کرده و این اطلاعات را در اختیار دستگاهی که در آن به کار رفته‌اند، قرار می‌دهند.
انواع مختلفی از سنسورهای نور محیطی وجود دارد، یکی از انواع رایج آنها فوتودیوها هستند. فتودیود یک قطعه نیمه هادی است که وقتی در معرض نور قرار میگیرد جریان الکتریکی تولید میکند. در سنسورهای نور محیط، فتودیودها معمولاً با فیلتری پوشانده می‌شوند که تنها به طول موج‌های خاصی از نور اجازه عبور میدهد. هنگامی که نور روی سنسور نور محیط می‌افتد، فتودیود جریانی متناسب با شدت نور تولید میکند. سپس این جریان توسط یک مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) درون دستگاه به سیگنال دیجیتال تبدیل میشود.
بر اساس خوانش‌های سنسور نور محیط، دستگاه می تواند تنظیمات خود را انجام دهد. به عنوان مثال، در گوشی‌های هوشمند، روشنایی صفحه نمایش اغلب به طور خودکار بر اساس سطح نور محیطی که توسط سنسور تشخیص داده میشود، تنظیم میشود. اگر محیط روشن باشد، میتواند
روشنایی صفحه را افزایش دهد و اگر محیط تاریک باشد، میتواند روشنایی صفحه کاهش دهد. این کار علاوه براینکه به بهینه سازی مصرف انرژی کمک میکند باعث میشود تا کاربر، بهتر و راحت‌تر صفحه نمایش را ببیند.
فوتودیوها
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.
فوتو ترانزیستور
فوتوترانزیستور یک کلید کنترل شونده با نور است که سوئیچینگ انجام میدهد. فوتوترانزیستورها مشابه فتودیودها عمل میکنند با این تفاوت که حساسیت بالاتری دارند و میتوانند جریان را تقویت کنند. هنگامی که نور به ناحیه پایه فوتوترانزیستور برخورد میکند، سبب میشود تا جریان بیشتری بین پایانه‌های کلکتور و امیتر جریان یابد و باعث میشود نسبت به فوتودیودها حساسیت بیشتری به نور داشته باشد.
فوتوترانزیستورها در دو نوع دو پایه و سه پایه موجود هستند. پایه‌های یک فوتو ترانزیستور دو پایه شامل کلکتور و امیتر میباشد، در فوتوترانزیستورهای سه پایه هم علاوه بر این دو پایه یک پایه اختیاری قرار داده شده است که موجب میشود بتواند مانند هر ترانزیستور معمولی در شرایط بدون نور استفاده شود.
از فوتوترانزیستورها اغلب در مواردی مانند چراغ‌های اتوماتیک خیابان، سنسورهای مجاورت و سیستم‌های اعلام سرقت استفاده میشود.
فوتورزیستور (مقاومت نوری-LDR)
فوتورزیستورها که با نام مقاومت‌های نوری (LDRs) نیز شناخته می‌شوند، نوعی سنسور 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 پدیده ای 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.
سنسورهای تشخیص رنگ (RGB)
سنسورهای تشخیص رنگ (RGB سنسورها) که به عنوان سنسورهای سه رنگ نیز شناخته می‌شوند، سنسورهایی هستند که شدت نور قرمز، سبز و آبی را در یک محیط تشخیص داده و اندازه گیری میکنند. این سنسورها از ترکیبی ازفوتودیتکتورها و فیلترها برای تشخیص طول موج‌های مختلف نور استفاده میکنند.
سنسورهای تشخیص رنگ معمولاً از سه فتودیود مجزا تشکیل شده‌اند که هر کدام با فیلتر متفاوتی پوشیده شده‌اند که تنها به طول موج خاصی از نور اجازه عبور میدهد. فتودیود پوشیده شده با فیلتر قرمز، نور قرمز را تشخیص میدهد، دیودی که با فیلتر سبز پوشانده شده است نور سبز را تشخیص میدهد و آن که با فیلتر آبی پوشانده شده است نور آبی را تشخیص میدهد.
هنگامی که نور روی سنسور تشخیص رنگ RGB میتابد، شدت هر رنگ توسط فتودیود مربوطه آن اندازه گیری میشود. سپس سنسور این اندازه‌گیری‌ها را به مقادیر دیجیتال تبدیل میکند که معمولاً به صورت شدت رنگ قرمز، سبز و آبی (RGB) نشان داده می‌شوند.
این مقادیر شدت رنگ RGB را می‌توان در موارد مختلفی استفاده کرد. برای مثال، در سیستم‌های تشخیص رنگ، سنسورهای رنگ RGB میتوانند رنگ‌های مختلف را با مقایسه مقادیر شدت با محدوده‌های رنگی از پیش تعریف‌شده شناسایی کرده و تشخیص دهند. همچنین امروزه در نمایشگرها و سیستم‌های نورپردازی نیز برای تنظیم تعادل رنگ یا ایجاد جلوه‌های نوری پویا بر اساس شرایط نور محیط نیز از این مقادیر استفاده میشود.
سنسورهایUV
سنسورهای UV که به عنوان سنسورهای فرابنفش نیز شناخته می‌شوند، سنسورهایی هستند که برای تشخیص حضور و شدت نور UV طراحی شده‌اند. آنها معمولاً از یک یا مجموعه‌ای از فتودیودها تشکیل شده اند که نور UV را به یک سیگنال جریان الکتریکی یا ولتاژ تبدیل میکند.
نور UV بر اساس طول موج به سه دسته اصلی تقسیم میشود: UVA (315-400 نانومتر)، UVB (280-315 نانومتر) و UVC (100-280 نانومتر). سنسورهای UV ممکن است به طور خاص برای تشخیص یک یا چند مورد از این محدوده‌ها طراحی شوند.
سنسورهای UV در زمینه‌های مختلفی کاربرد دارند. برخی از کاربردهای رایج آنها شامل نظارت و کنترل بر اشعه ماوراء بنفش هنگام قرار گرفتن در معرض نور خورشید برای مراقبت‌های پوستی، تجزیه و تحلیل کیفیت آب و هوا، فرآیندهای استریل کردن و.. میباشد.
میزان حساسیت این سنسورها به طول موج‌های مختلف نور UV، متفاوت است. برخی از آنها ممکن است نسبت به UVA یا UVB حساس‌تر باشند، در حالی که برخی دیگر ممکن است طیف وسیع‌تری از نور UV را تشخیص دهند.
معمولا سنسورهای UV، به منظور ارائه‌ی اندازه‌گیری‌های درست، به کالیبراسیون دوره‌ای نیاز دارند تا اطمینان حاصل شود که خوانش‌هایشان دقیق و ثابت باقی می‌ماند.
سنسورهای مادون قرمز(IR)
سنسورهای IR با تشخیص و اندازه گیری تابش مادون قرمز ساطع شده یا منعکس شده توسط اجسام کار میکنند. این سنسورها از اجزای تخصصی مانند دیودهای نوری یا ترموپیل‌ها برای تبدیل تابش مادون قرمز به سیگنال الکتریکی استفاده میکنند.
این سنسورها را می‌توان بر اساس اصل عملکردشان به دو نوع اصلی طبقه بندی کرد: فعال و غیرفعال. سنسورهای IR فعال، از خود تابش مادون قرمز ساطع کرده و سیگنال‌های بازتاب شده یا جذب شده را اندازه گیری میکنند. حسگرهای مادون قرمز غیرفعال، تشعشعات مادون قرمز طبیعی ساطع شده از اجسام را بدون اینکه خود هیچ تشعشعی ساطع کنند، تشخیص می‌دهند.
این سنسورها کاربردهای گسترده ای دارند. از کاربردهای متداول آنها می‌توان به تشخیص اشیا و تشخیص مجاورت، تشخیص حرکت برای سیستم‌های امنیتی، اندازه گیری دما، تشخیص شعله، ریموت‌ها و.. اشاره کرد.
سنسورهای IR ممکن است برای حفظ دقت در اندازه‌گیری‌هایشان، به کالیبراسیون دوره ای نیاز داشته باشند. این کار به حفظ عملکرد و قابلیت اطمینان آنها در طول زمان کمک میکند.
کالیبراسیون و درستی سنسورهای نور
به طور کلی اغلب سنسورهای نور ممکن است برای حفظ درستی اندازه‌گیری‌هایشان به کالیبراسیون دوره‌ای نیاز داشته باشند. عواملی مانند افزایش سن، دما و عوامل خارجی میتوانند بر عملکرد این سنسورها در طول زمان تأثیر بگذارند.
عوامل متعددی میتوانند بر دقت سنسورهای نور تأثیر بگذارند، مانند تغییرات دمای محیط، رطوبت و مشخصه طیفی منبع نوری که اندازه گیری میشود. علاوه بر اینها، افزایش سن اجزای سنسور و فرسودگی نیز در طول زمان میتواند بر درستی سنسور تأثیر بگذارد.
برای حفظ درستی سنسور، رسیدگی و کالیبراسیون منظم لازم است. این کار کمک میکند تا این اطمینان حاصل شود که سنسور محدوده تلرانس خود را حفظ کرده و عملکرد خود را به خوبی انجام میدهد.
فرآیند کالیبراسیون معمولاً شامل قرار دادن سنسور نور در معرض منابع نور از پیش تعیین شده با شدت‌های دقیق و مشخص، میباشد. سپس پاسخ سنسور با مقادیر مورد انتظار مقایسه میشود و در صورت لزوم تنظیمات لازم انجام میگیرد.
هنگام کالیبراسیون و استفاده از سنسورهای نور، باید عوامل محیطی مانند شرایط نور محیط را در نظر گرفت. استفاده از تکنیک‌های محافظتی، مانند استفاده از بافل یا فیلتر، میتواند تداخل ناشی از تابش‌های ناخواسته را به حداقل برساند.
سنسورهای نور جبرابیت
در ادامه، لیستی از سنسورهای نوری که توسط تیم GebraBit برای سهولت کار شما عزیزان، طراحی و تولید شده‌اند برایتان آورده شده است. شما می‌توانید با کلیک بر روی عنوان هر یک از این سنسورها اطلاعات بیشتری درباره آنها کسب کنید.
