光学センサーの理解：タイプ、原則、およびアプリケーション
2024-05-24 9199

光学センサーは、最新の電子技術において重要な役割を果たします。これらのセンサーは、光信号を放出および受信することにより、オブジェクトの位置、存在、特性を検出し、産業自動化、家電、生物医学、環境監視などの分野で広く使用されています。この記事では、さまざまな技術シナリオにおける光学センサーの重要性とアプリケーションの可能性を読者が完全に理解できるように、光学センサーのさまざまなタイプ、動作原則、および実用的なアプリケーションを掘り下げます。光学センサーのブリッジ構造から、さまざまなタイプの光学センサーのユニークな特性まで、実際のアプリケーションの特定の例まで、この記事では、光学センサーの多様性と複雑さを明らかにします。

カタログ

図1：光学センサー

光学センサーとは何ですか？

光学センサー 設計は、ホイートストーンブリッジ回路に基づいています。電気工学では、ホイートストーンブリッジは、既知の抵抗と未知の抵抗の組み合わせを使用して、電圧を比較することにより未知の抵抗器の値を決定します。同様に、ライトブリッジセンサーは、4つの光検出器を備えたブリッジ構造を使用して、ビーム位置の変化を検出します。

まず、オペレーターは検出器の位置を調整して、ビームが4つの検出器すべてに均等にヒットするようにします。ビームが偏向すると、各検出器は異なる強度の光をキャプチャします。次に、回路はこれらの信号を処理して、ビームの正確な位置とオフセットを決定します。

図2：光学センサー

たとえば、ビームが右に移動すると、右側の検出器がより多くの光を受信し、左検出器の受信光が少なくなります。回路の信号プロセッサは、この変更を迅速に認識して計算し、正確な位置データを出力します。このプロセスは高速で非常に正確であり、自動化された機器と高精度の位置決めシステムで光学センサーを重要にしています。

光学センサーの作業原理

光学センサーは、光を放出し、これらの光線の反射または中断をキャプチャすることにより、オブジェクトの位置または存在を検出します。センサーは、発光ダイオード（LED）を使用して光線を放出します。このビームがオブジェクトに遭遇すると、センサーに反映されるか、オブジェクトによってブロックされます。

図3：光学センサーの作業原理

自動化された組立ラインでは、演算子は、材料、サイズ、予想される場所など、オブジェクトの特性に基づいてセンサーの位置と感度を調整します。オブジェクトを検出するセンサーの能力は、木材、金属、プラスチックであろうと、材料に依存しないため、マルチマテリアルの生産環境に最適です。

たとえば、透明なガラスボトルを検出するには、透明な材料を認識するためにセンサーを調整する必要があります。透明なオブジェクトは光を効率的に反映していないため、センサーはより高い感度または特別な光源（赤外線など）を必要とします。

設計の一部として、センサーは反射または中断された光ビームを評価します。オブジェクトがビームをブロックすると、センサーはすぐにコントロールシステムに信号を送信して、オブジェクトの位置または通過を示します。光が反射すると、センサーは反射の強度と角度を使用して、サイズや表面材料などのオブジェクトの特性を決定します。

光学センサーの種類

それぞれが特定の動作原理とアプリケーションを備えた光学センサーには多くの種類があります。以下は、実際のシナリオで使用される一般的な光学センサータイプです。

光伝導デバイスは、光強度に基づいて材料の導電率を変化させます。光がセンサーに衝突すると、材料の電子が光エネルギーを吸収し、伝導帯にジャンプして材料の導電率を高めます。光伝導デバイスは、自動調光ランプなどの光強度検出システムで使用されます。オペレーターは、これらのデバイスを調整するときに正確な制御を確保するために、周囲の光条件と応答時間を考慮する必要があります。

太陽電池（太陽電池）は、半導体材料の光電効果を通じて、光エネルギーを電気エネルギーに直接変換します。光子は、原子価帯から伝導帯に電子を励起し、電子穴のペアを作成し、電流を生成します。これらのバッテリーは、エネルギーの生産や衛星や屋外監視カメラなどのリモートデバイスの電源に広く使用されています。

図4：太陽光発電細胞

フォトダイオードは光電効果を使用して、光を電流に変換します。光が活性化領域に当たると、その内部構造は迅速に応答し、電流を生成できます。これらのセンサーは、一般的に、リモートコントロールや光ファイバーシステムなどの光パルス検出および通信機器で使用されます。

図5：Photodiodes

フォトトランジスタは、本質的に内部ゲインのフォトダイオードです。光がベースコレクタージャンクションに衝突すると、内部に増幅された電流が生成され、弱い光信号の検出に適しています。これらのセンサーは、実験室の光学測定装置など、高い感度を必要とするアプリケーションで特に役立ちます。

図6：PhotoTransistors

反射センサー

反射センサーは、単一のデバイスに送信機とレシーバーを組み合わせて、放出されたビームを反射面またはオブジェクトの表面から受信機に反射できるようにします。オブジェクトがビームの経路に入ると、ライトが中断され、センサーがトリガーされます。

センサーをセットアップするには、最適な反射のために正しく配置および傾斜する必要があります。オペレーターは、センサーの位置を調整して、反射面が十分に大きく、レシーバーにビームを効果的に反映するために適切に整列していることを確認する必要があります。

たとえば、自動化されたパッケージラインでは、反射センサーがコンベアベルトに移動する製品を検出します。オペレーターは、センサーをコンベアベルトの片側に置き、反対側に滑らかな反射器を置きます。製品が通過してビームをブロックすると、センサーは中断を検出し、コンベアの停止や製品の転送などのアクションをトリガーする信号を送信します。

反射センサーの利点の1つは、長距離で動作する能力と、広範囲の表面特性に対する耐性です。十分な光が反映されている限り、色や表面のテクスチャに関係なく、オブジェクトを検出できます。この汎用性により、反射センサーは、産業用自動化、ロボットナビゲーション、アイテム分類タスクに最適です。

スルービームセンサー

スルービームセンサーは、通常は遠くにある互いに反対側に配置されたトランスミッターと受信機の2つの主要なコンポーネントで構成されています。送信機は、レシーバーに光のビームを連続的に送信します。オブジェクトがこのビームをブロックすると、受信機はオクルージョンを検出し、それを電子信号に変換し、スイッチング操作をトリガーします。

センサーをセットアップするには、送信機と受信機を正確に整列させる必要があります。これには、送信機のビームがレシーバーに直接ヒットするように、位置と角度を調整することが含まれます。オペレーターは、誤ったトリガーを避けるために、バックグラウンド光や潜在的な干渉源などの環境要因を考慮する必要があります。

図7：スルービームセンサー

たとえば、大規模な倉庫への入り口では、不正なエントリを介して介したビームセンサーモニターを監視します。送信機とレシーバーは、ドアの両側に配置されます。誰かまたはオブジェクトがドアを通過すると、ビームが中断され、システムがアラームをトリガーします。

スルービームセンサーの大きな利点の1つは、長距離にわたって操作する能力であり、それらを広い領域の監視に最適であることです。検出はビームの中断に基づいているため、センサーはオブジェクトのサイズ、色、または表面構造に敏感ではありません。ただし、オブジェクトは、送信機と受信機の間の光学パスを完全に覆うのに十分な大きさでなければなりません。

スルービームセンサーは、産業用自動化とセキュリティシステム、特に長距離監視と高い信頼性が必要な環境で広く使用されています。これらは、生産ラインのアイテムを検出し、高速移動オブジェクトを追跡するのに最適です。これらの運用の詳細を理解することにより、オペレーターはさまざまなアプリケーションでスルービームセンサーの効率的かつ信頼できる使用を確保できます。

拡散反射センサー

びまん性反射センサーは、1つのデバイスに送信機と受信機を組み合わせます。光を放出し、測定されているオブジェクトから散らばった光を受け取ることによって機能します。センサーは、布、木材、または不規則な形状の金属など、複雑な表面または形状のオブジェクトを検出するのに特に便利です。

まず、さまざまな材料と色の反射特性に合わせてセンサーの感度を設定します。オペレーターは、オブジェクトの特定の反射率に基づいて機器を調整する必要があります。これにより、反射光がレシーバーがキャプチャするのに十分であり、強すぎたり弱すぎたりするために誤った測定値を避けます。

図8：拡散反射センサー

たとえば、自動化されたパッケージングシステムでは、拡散反射センサーがパッケージボックスのラベルを検出します。オペレーターは、ラベルに異なる反射率がある場合でも、マシンが各ボックスを正確に識別するようにセンサーを調整します。これには、放出された光の強度と受信機の感度を正確に制御する必要があります。

びまん性センサーは、特にオブジェクトの背面から反射された光が前面から反射される光よりも濃縮されている場合、不均一な光散乱のために問題を起こす可能性があります。この問題を解決するために、センサーはマルチポイント検出技術を使用してエラーを減らすために設計されています。オペレーターはこれらの要因を考慮し、正確で信頼できる検出を確保するために、最適な感度と排出角を実験的に決定する必要があります。

定期的なメンテナンスとキャリブレーションは、長期的な安定した動作を確保します。これには、粉塵や不純物が光感染を妨げるのを防ぐためのセンサーレンズの洗浄が含まれます。

光学センサーのさまざまな光源

光源は、光学センサーの設計と機能にとって非常に重要です。最新の光学センサーは通常、単色の光源を使用します。これは、安定した一貫した光を提供し、高精度測定と光学通信を可能にします。

レーザーは、ガス、結晶、特別なガラスなど、特定の培地でエキサイティングな原子によって非常にコヒーレントな光線を生成します。レーザーによって生成されるビームは非常に焦点が合っており、大きな拡散せずに長距離にわたって送信できます。これにより、光ファイバー通信や精密測定装置など、正確な位置決めと長距離通信が必要なアプリケーションに最適です。動作中、レーザーは、安定した出力を維持するために、正確な電力管理と環境制御を必要とします。高強度レーザーの潜在的な危険により、オペレーターは安全なレーザー管理を確保する必要があります。

LED（軽い発光ダイオード）は、サイズが小さい、高効率、長寿命について評価されます。それらは、半導体材料（通常はnおよびp型ドープ領域）の電子と穴の再結合によって光を放出します。LEDは、赤外線から紫外線まで、広範囲の波長をカバーできます。LEDの一貫性のない光は、信号機やスマート照明システムなど、さまざまな照明や適応症アプリケーションに適しています。LEDの展開は比較的単純であり、レーザーなどの複雑な安全対策を必要としません。ただし、LED光源の一貫性と耐久性を確保するには、正確な電流制御が必要です。

両方の光源には、利点と短所があります。選択は、特定のアプリケーション要件に依存します。レーザーは一般に、精密光学実験と高速光通信で使用されますが、LEDは家電システムとマーキングシステムでより一般的に使用されています。

光学センサーに基づく液体レベルインジケーター

光学センサーに基づく液体レベルのインジケーターは、屈折と光の反射の原理を使用して液体レベルの変化を検出する精密測定ツールです。これは、3つの主要なコンポーネントで構成されています：赤外線LED、フォトトランジスタ、透明なプリズムチップ。

図9：光レベルセンサー

プリズムの先端が空気にさらされると、赤外線LEDからの光がプリズム内で完全な内部反射を受け、光の大部分をフォトトランスリストルに反映します。この状態では、トランジスタはより多くの光を受信し、より高い信号を出力します。

プリズムの先端が液体に浸されると、液体と空気の間の屈折指数の違いにより、何らかの光がプリズムから逃げます。これにより、光吸引装置に到達する光が少なくなり、受信する光が減少し、出力信号が低下します。

インストールとデバッグ手順：

きれいであることを確認してください。プリズムのヒントは、不正確な測定値を防ぐために、きれいで汚染がない必要があります。汚れや残留物は、光の反射に影響します。

センサーの配置：センサーのプリズムチップを、予想される流体レベルの変化の範囲に正しく整列させます。センサーの位置を調整して、液体レベルの上昇と下降を正確に検出します。

このレベルのインジケータは、液体の色や明快さに関係なく効果的です。濁った液体や色付き液体など、さまざまな液体媒体で確実に機能します。光学センサーは、液体レベルの測定の非接触方法を提供し、センサーの摩耗と汚染のリスクを減らし、それにより機器の寿命を延ばします。

光学センサーの適用

光学センサーは、高感度と精度のために多くのフィールドで使用されます。以下は、いくつかの主要なアプリケーション領域の紹介です。

コンピューターとオフィスの自動化機器：コンピューターとコピー機では、光学センサーが紙の位置と動きを制御します。これらのセンサーは、印刷中に正しい紙の前進と排出を確保し、ジャムとエラーを減らします。また、廊下や会議室のセンサーライトなど、自動化された照明器具にも使用され、人を検出し、自動的にライトをオン /オフにし、エネルギーを節約し、利便性を高めます。

セキュリティおよび監視システム：セキュリティシステムでは、侵入検知に光学センサーが広く使用されています。窓やドアが開いたときに検出し、アラームをトリガーします。写真では、フラッシュ同期の光学センサーが最適な照明効果のために最適な瞬間にフラッシュが発火するようにします。

生物医学的アプリケーション：医療分野では、光学センサーが患者の呼吸と心拍数を監視します。反射光の変化を分析することにより、それらは小さな胸の動きを検出して、非侵襲的に呼吸速度を監視します。光学心拍数モニターは、LEDを使用して皮膚に光を放出し、血液によって吸収および反射される量を検出して心拍数を計算します。

周囲の光センサー：スマートフォンとタブレットでは、周囲の光センサーが画面の輝度を自動的に調整して、周囲の光条件に基づいてディスプレイを最適化し、バッテリーエネルギーを節約します。これらのセンサーは、急速に変化する周囲光条件に適応し、ユーザーに快適な視覚体験を提供するために、正確なキャリブレーションと敏感な応答特性を必要とします。

結論

さまざまな技術分野での光学センサーのアプリケーションは、幅広い機能と効率的なパフォーマンスを示しています。光学センサーからさまざまな反射センサーやスルービームセンサーまで、各タイプの光学センサーには独自の利点があり、さまざまな検査ニーズを満たすことができます。産業用自動化では、高精度の検出と制御を提供します。コンシューマーエレクトロニクスでは、機器のインテリジェンスを改善します。生物医学と環境監視では、データの精度と信頼性を確保します。将来、テクノロジーの継続的な進歩と革新により、光学センサーはより多くの新興分野でより重要な役割を果たし、インテリジェンスと自動化の方向におけるさまざまな産業の発展を促進します。

よくある質問[FAQ]

1。光学センサーアナログまたはデジタルですか？

光学センサーは、設計と出力信号の種類に応じて、アナログまたはデジタルにすることができます。アナログ光学センサーは、検出された光強度に比例する連続的に変化する電圧信号を出力します。デジタル光学センサーは、通常、組み込みのアナログからデジタルコンバーターを介してアナログ信号から変換されるバイナリコードなどのデジタル信号を出力します。

2。光学センサーの利点は何ですか？

光学センサーの主な利点は次のとおりです。

高感度と精度：弱い光信号と微妙なオブジェクトの変化を検出できます。

非接触測定：壊れやすいまたは危険な物質の検出に適した、ターゲットとの接触または干渉なしに測定を実行できます。

高速応答時間：動的測定に適した環境の光学的変化に迅速に応答することができます。

幅広い適応性：過酷な環境や危険な環境など、さまざまな環境条件で機能します。

3.光学センサーをテストする方法は？

光学センサーのテストには、通常、次の手順が含まれます。

テスト環境の準備：周囲の光条件がセンサーの動作仕様を満たしていることを確認してください。

デバイスを接続します。マルチメーターやコンピューターなどのセンサーを読み取りデバイスに接続します。

キャリブレーション：精度を確保するために、メーカーの指示に従ってセンサーを校正します。

テスト光​​源を適用します：既知の輝度の光源を使用して、センサーを照らします。

出力の読み取りと記録：センサーの出力を記録し、光源の変化に予想どおりに反応することを確認します。

4.光学センサーと赤外線センサーの違いは何ですか？

光学センサーと赤外線センサーの主な違いは、それらが検出する光波長の範囲です。光学センサーは、一般に、可視範囲で波長を感知できるセンサーを指します。赤外線センサーは、人間の目には見えない赤外線波長を特異的に検出します。赤外線センサーは、通常、サーマルイメージングカメラ、ナイトビジョン機器、およびいくつかの種類の通信機器で使用されます。

5。光学センサーは受動的またはアクティブですか？

光学センサーは、外部の光源が必要かどうかに応じて、受動的またはアクティブにすることができます。

パッシブ光学センサー：追加の光源は必要ありません。それらは、日光や既存の照明などの環境から光を検出することで機能します。

アクティブな光学センサー：ターゲットを照らすために外部光源を必要とし、ターゲットから反射または送信される光を検出します。