Entendendo sensores ópticos: tipos, princípios e aplicativos
2024-05-24 9150

Os sensores ópticos desempenham um papel fundamental na moderna tecnologia eletrônica.Esses sensores detectam a localização, presença e características dos objetos emitindo e recebendo sinais de luz e são amplamente utilizados em campos como automação industrial, eletrônica de consumo, biomedicina e monitoramento ambiental.Este artigo se aprofundará nos diferentes tipos, princípios de trabalho e aplicações práticas de sensores ópticos para ajudar os leitores a entender completamente a importância e o potencial de aplicação dos sensores ópticos em vários cenários técnicos.Desde a estrutura da ponte dos sensores ópticos até as características únicas de diferentes tipos de sensores ópticos, a exemplos específicos em aplicações do mundo real, este artigo revelará a diversidade e a complexidade dos sensores ópticos.

Catálogo

Figura 1: Sensor óptico

O que é um sensor óptico?

O Sensor óptico O design é baseado no circuito da ponte Wheatstone.Na engenharia elétrica, uma ponte de Wheatstone usa uma combinação de resistores conhecidos e desconhecidos para determinar o valor do resistor desconhecido comparando a tensão.Da mesma forma, os sensores de ponte leve usam uma estrutura de ponte com quatro fotodetectores para detectar alterações na posição do feixe.

Primeiro, o operador ajusta a posição dos detectores para garantir que o feixe atinja todos os quatro detectores uniformemente.Quando o feixe é desviado, cada detector captura uma intensidade diferente da luz.O circuito então processa esses sinais para determinar a posição exata e o deslocamento do feixe.

Figura 2: Sensor óptico

Por exemplo, se o feixe se mover para a direita, o detector certo receberá mais luz e o detector esquerdo receberá menos luz.O processador de sinal do circuito reconhece e calcula rapidamente essa alteração, emitindo dados precisos de posição.O processo é rápido e altamente preciso, tornando os sensores ópticos importantes em equipamentos automatizados e sistemas de posicionamento de alta precisão.

Princípio de trabalho do sensor óptico

Os sensores ópticos detectam a localização ou presença de objetos, emitindo luz e capturando reflexões ou interrupções desses raios.O sensor usa diodos emissores de luz (LEDs) para emitir um feixe de luz.Quando esse feixe encontra um objeto, ele pode ser refletido no sensor ou bloqueado pelo objeto.

Figura 3: Princípio de trabalho do sensor óptico

Em uma linha de montagem automatizada, os operadores ajustam a posição e a sensibilidade dos sensores com base nas características do objeto, como material, tamanho e localização esperada.A capacidade do sensor de detectar objetos é independente do material, seja madeira, metal ou plástico, tornando-o ideal para ambientes de produção multimaterial.

Por exemplo, detectar garrafas de vidro transparente requer ajustar o sensor para reconhecer materiais transparentes.Objetos transparentes não refletem a luz com eficiência, portanto o sensor requer maior sensibilidade ou uma fonte de luz especial (como o infravermelho).

Como parte de seu design, o sensor avalia feixes de luz refletidos ou interrompidos.Quando um objeto bloqueia a viga, o sensor envia imediatamente um sinal para o sistema de controle, indicando a localização ou passagem do objeto.Se a luz for refletida, o sensor usa a intensidade e o ângulo da reflexão para determinar as características do objeto, como tamanho e material da superfície.

Tipos de sensores ópticos

Existem muitos tipos de sensores ópticos, cada um com princípios e aplicativos operacionais específicos.A seguir, são apresentados alguns tipos de sensores ópticos comuns usados ​​em cenários do mundo real.

Os dispositivos fotocondutivos alteram a condutividade dos materiais com base na intensidade da luz.Quando a luz atinge o sensor, os elétrons no material absorvem a energia da luz e saltam para a banda de condução, aumentando a condutividade do material.Os dispositivos fotocondutores são usados ​​em sistemas de detecção de intensidade de luz, como lâmpadas automáticas de escurecimento.Os operadores precisam considerar condições de luz ambiente e tempos de resposta para garantir controle preciso ao ajustar esses dispositivos.

As células fotovoltaicas (células solares) convertem energia luminosa diretamente em energia elétrica através do efeito fotoelétrico em materiais semicondutores.Os fótons excitam elétrons da banda de valência para a banda de condução, criando pares de orifícios de elétrons e gerando corrente elétrica.Essas baterias são amplamente utilizadas para produção de energia e alimentação de dispositivos remotos, como satélites e câmeras de vigilância ao ar livre.

Figura 4: células fotovoltaicas

Os fotodiodos usam o efeito fotoelétrico para converter a luz em corrente elétrica.Quando a luz atinge a área de ativação, sua estrutura interna pode responder rapidamente e gerar uma corrente elétrica.Esses sensores são comumente usados ​​em equipamentos de detecção e comunicação de pulso de luz, como controles remotos e sistemas de fibra óptica.

Figura 5: Fotodiodos

Os fototransistores são essencialmente fotodiodos com ganho interno.Quando a luz atinge a junção do coletor de base, uma corrente amplificada internamente é gerada, tornando-a adequada para detectar sinais de luz fracos.Esses sensores são particularmente úteis em aplicações que requerem alta sensibilidade, como equipamentos de medição óptica em laboratórios.

Figura 6: fototransistores

Sensor reflexivo

Os sensores reflexivos combinam um transmissor e receptor em um único dispositivo, permitindo que o feixe emitido seja refletido no receptor através de uma superfície refletora ou superfície do objeto.Quando um objeto entra no caminho do feixe, ele interrompe a luz, desencadeando o sensor.

Para configurar o sensor, ele precisa ser posicionado e inclinado corretamente para uma reflexão ideal.O operador deve ajustar a posição do sensor para garantir que a superfície reflexiva seja grande o suficiente e alinhada adequadamente para refletir efetivamente o feixe no receptor.

Por exemplo, em linhas de embalagem automatizadas, sensores refletivos detectam produtos que se movem em uma correia transportadora.O operador coloca o sensor em um lado da correia transportadora e o refletor liso do outro lado.Quando um produto passa e bloqueia a viga, o sensor detecta a interrupção e envia um sinal para acionar ações como interromper o transportador ou transferir o produto.

Uma das vantagens dos sensores reflexivos é a capacidade de operar por longas distâncias e sua tolerância a uma ampla gama de propriedades da superfície.Enquanto a luz suficiente for refletida, eles podem detectar objetos, independentemente da cor ou da textura da superfície.Essa versatilidade torna os sensores reflexivos ideais para tarefas de automação industrial, navegação por robôs e classificação de itens.

Sensor de vizinhança

Um sensor de vínculo consiste em dois componentes principais: um transmissor e um receptor, colocados em frente um ao outro, geralmente à distância.O transmissor envia continuamente um feixe de luz para o receptor.Quando um objeto bloqueia esse feixe, um receptor detecta a oclusão e o converte em um sinal eletrônico, que aciona uma operação de comutação.

Para configurar o sensor, o transmissor e o receptor precisam estar alinhados com precisão.Isso envolve ajustar sua posição e ângulo para que o feixe do transmissor atinja diretamente o receptor.Os operadores devem considerar fatores ambientais, como luz de fundo e fontes potenciais de interferência para evitar o acionamento falso.

Figura 7: Sensor de vizinhança

Por exemplo, na entrada de um grande armazém, os sensores de vantagem monitoram a entrada não autorizada.O transmissor e o receptor são colocados em ambos os lados da porta.Quando alguém ou um objeto passa pela porta, o feixe é interrompido e o sistema aciona um alarme.

Uma das grandes vantagens dos sensores de vantagem é a capacidade de operar por longas distâncias, tornando-as ideais para monitorar grandes áreas.A detecção é baseada na interrupção do feixe, portanto o sensor não é sensível ao tamanho, cor ou estrutura superficial do objeto.No entanto, o objeto deve ser grande o suficiente para cobrir completamente o caminho óptico entre o transmissor e o receptor.

Os sensores de vantagem são amplamente utilizados em sistemas de automação e segurança industriais, especialmente em ambientes onde são necessários monitoramento de longa distância e alta confiabilidade.Eles são ideais para detectar itens nas linhas de produção e rastrear objetos em movimento em alta velocidade.Ao entender esses detalhes operacionais, os operadores podem garantir um uso eficiente e confiável de sensores de vigas em várias aplicações.

Sensor de reflexão difusa

Sensores difusos de refletância combinam transmissor e receptor em um dispositivo.Funciona emitindo luz e recebendo luz espalhada por trás do objeto que está sendo medido.O sensor é particularmente útil para detectar objetos com superfícies ou formas complexas, como tecido, madeira ou metal de formato irregular.

Primeiro, defina a sensibilidade do sensor para corresponder às propriedades reflexivas de diferentes materiais e cores.Os operadores precisam ajustar o equipamento com base na refletividade específica do objeto.Isso garante que a luz refletida seja suficiente para o receptor capturar, evitando leituras falsas devido à luz muito forte ou muito fraca.

Figura 8: Sensor de reflexão difusa

Por exemplo, em sistemas de embalagem automatizados, os sensores de refletância difusos detectam rótulos em caixas de embalagem.O operador ajusta o sensor para que a máquina identifique com precisão cada caixa, mesmo que os rótulos tenham refletividades diferentes.Isso requer controle preciso da intensidade da luz emitida e da sensibilidade do receptor.

Os sensores difusos podem ter problemas devido à dispersão desigual de luz, especialmente quando a luz refletida na parte traseira de um objeto é mais concentrada do que a luz refletida de frente.Para resolver esse problema, o sensor foi projetado usando a tecnologia de detecção de vários pontos para reduzir erros.Os operadores devem considerar esses fatores e determinar experimentalmente o ângulo ideal de sensibilidade e emissão para garantir uma detecção precisa e confiável.

Manutenção e calibração regulares garantem operação estável a longo prazo.Isso inclui a limpeza da lente do sensor para impedir que poeira e impurezas interfiram na transmissão de luz.

Diferentes fontes de luz para sensores ópticos

A fonte de luz é muito importante para o design e a funcionalidade dos sensores ópticos.Os sensores ópticos modernos geralmente usam uma fonte de luz monocromática, que fornece luz estável e consistente, permitindo medições de alta precisão e comunicações ópticas.

Os lasers produzem raios de luz altamente coerentes por átomos emocionantes em um meio específico, como um gás, um cristal ou um vidro especial.O feixe produzido pelo laser é muito focado e pode ser transmitido a longas distâncias sem espalhamento significativo.Isso os torna ideais para aplicações que exigem comunicações precisas de posicionamento e longa distância, como comunicações de fibra óptica e equipamentos de medição de precisão.Em operação, os lasers requerem gerenciamento preciso de energia e controle ambiental para manter a produção estável.Devido aos riscos potenciais de lasers de alta intensidade, os operadores devem garantir um gerenciamento seguro a laser.

Os LEDs (diodos emissores de luz) são valorizados por seu tamanho pequeno, alta eficiência e vida longa.Eles emitem luz pela recombinação de elétrons e orifícios em um material semicondutor (geralmente regiões dopadas do tipo N e P).Os LEDs podem cobrir uma ampla gama de comprimentos de onda, do infravermelho ao ultravioleta.A luz incoerente dos LEDs é adequada para uma variedade de aplicações de iluminação e indicação, como semáforos e sistemas de iluminação inteligente.A implantação de LEDs é relativamente simples e não requer medidas de segurança complexas, como lasers.No entanto, garantir a consistência e a durabilidade das fontes de luz LED requer controle de corrente preciso.

Ambas as fontes de luz têm suas vantagens e desvantagens.A escolha depende de requisitos específicos de aplicação.Os lasers são comumente usados ​​em experimentos ópticos de precisão e comunicações ópticas de alta velocidade, enquanto os LEDs são mais comumente usados ​​em sistemas de eletrônicos e marcas de consumo.

Indicador de nível líquido com base no sensor óptico

Um indicador de nível de líquido baseado em um sensor óptico é uma ferramenta de medição de precisão que usa os princípios de refração e reflexão da luz para detectar alterações no nível do líquido.Consiste em três componentes principais: um LED infravermelho, um fototransistor e uma ponta de prisma transparente.

Figura 9: Sensor de nível óptico

Quando a ponta do prisma é exposta ao ar, a luz do LED infravermelho sofre uma reflexão interna total dentro do prisma, refletindo a maior parte da luz para o fototransistor.Nesse estado, o transistor recebe mais luz e produz um sinal mais alto.

Quando a ponta do prisma é imersa em um líquido, a diferença no índice de refração entre o líquido e o ar faz com que alguma luz escape do prisma.Isso faz com que menos luz atinja o fototransistor, reduzindo assim a luz que recebe e diminuindo o sinal de saída.

Etapas de instalação e depuração:

Verifique se está limpo: a ponta do prisma deve estar limpa e livre de contaminação para evitar leituras imprecisas.Qualquer sujeira ou resíduo afetará a reflexão da luz.

Posicione o sensor: alinhe corretamente a ponta do prisma do sensor com a faixa esperada de alterações no nível do fluido.Ajuste a posição do sensor para detectar com precisão a ascensão e queda do nível do líquido.

Esse indicador de nível é eficaz, independentemente da cor ou clareza do líquido.Funciona de maneira confiável em uma variedade de meios líquidos, incluindo líquidos turbidos ou coloridos.Os sensores ópticos fornecem um método sem contato de medição de nível de líquido, reduzindo o risco de desgaste e contaminação do sensor e, assim, prolongando a vida útil do equipamento.

Aplicação de sensores ópticos

Os sensores ópticos são usados ​​em muitos campos devido à sua alta sensibilidade e precisão.Abaixo está uma introdução a algumas áreas importantes de aplicação.

Computadores e equipamentos de automação de escritórios: em computadores e copiadoras, os sensores ópticos controlam a posição e o movimento do papel.Esses sensores garantem o avanço e a ejeção do papel corretos durante a impressão, reduzindo os compotas e erros.Eles também são usados ​​em luminárias de iluminação automatizadas, como luzes do sensor em corredores ou salas de conferências, que detectam pessoas e acendem automaticamente as luzes, economizando energia e aumentando a conveniência.

Sistemas de segurança e vigilância: Nos sistemas de segurança, os sensores ópticos são amplamente utilizados para detecção de intrusões.Eles detectam quando uma janela ou porta é aberta e aciona um alarme.Na fotografia, os sensores ópticos nos sincronizadores de flash garantem que o flash dispare no momento ideal para os efeitos ideais de iluminação.

Aplicações biomédicas: No campo médico, os sensores ópticos monitoram a respiração e a freqüência cardíaca de um paciente.Ao analisar mudanças na luz refletida, eles detectam pequenos movimentos torácicos para monitorar não invasivas a frequência respiratória.Os monitores da frequência cardíaca óptica usam LEDs para emitir luz através da pele e detectar a quantidade absorvida e refletida pelo sangue para calcular a freqüência cardíaca.

Sensor de luz ambiente: em smartphones e tablets, os sensores de luz ambiente ajustam automaticamente o brilho da tela para otimizar a tela com base nas condições de luz circundantes e economizar energia da bateria.Esses sensores requerem calibração precisa e características sensíveis de resposta para se adaptarem às condições de luz ambiente em rápida mudança e proporcionam aos usuários uma experiência visual confortável.

Conclusão

As aplicações de sensores ópticos em vários campos tecnológicos demonstram sua ampla funcionalidade e desempenho eficiente.Desde sensores ópticos a vários sensores reflexivos e através do feixe, cada tipo de sensor óptico tem vantagens únicas e pode atender às diferentes necessidades de inspeção.Na automação industrial, eles fornecem detecção e controle de alta precisão;Na eletrônica de consumo, eles melhoram a inteligência dos equipamentos;Na biomedicina e no monitoramento ambiental, eles garantem a precisão e a confiabilidade dos dados.No futuro, com o avanço e a inovação contínuos da tecnologia, os sensores ópticos desempenharão um papel mais importante em campos mais emergentes e promoverão o desenvolvimento de várias indústrias na direção da inteligência e da automação.

Perguntas frequentes [FAQ]

1. Um sensor óptico é analógico ou digital?

Os sensores ópticos podem ser analógicos ou digitais, dependendo do seu design e do tipo de sinal de saída.Sensores ópticos analógicos Sair um sinal de tensão continuamente variável que é proporcional à intensidade da luz detectada.Sensores ópticos digitais em saída sinais digitais, como códigos binários, que geralmente são convertidos de sinais analógicos através de um conversor analógico em digital interno.

2. Quais são as vantagens de um sensor óptico?

As principais vantagens dos sensores ópticos incluem:

Alta sensibilidade e precisão: capaz de detectar sinais de luz fracos e mudanças sutis de objetos.

Medição sem contato: A medição pode ser realizada sem contato ou interferência com o alvo, adequado para a detecção de substâncias frágeis ou perigosas.

Tempo rápido de resposta: capaz de responder rapidamente a mudanças ópticas no ambiente, adequadas para medições dinâmicas.

A adaptabilidade ampla: pode funcionar em uma variedade de condições ambientais, incluindo ambientes severos ou perigosos.

3. Como testar um sensor óptico?

Testar sensores ópticos normalmente envolve as seguintes etapas:

Prepare o ambiente de teste: verifique se as condições de luz ambiente atendem às especificações operacionais do sensor.

Conecte o dispositivo: conecte o sensor a um dispositivo de leitura, como um multímetro ou computador.

Calibração: calibre o sensor de acordo com as instruções do fabricante para garantir a precisão.

Aplique uma fonte de luz de teste: use uma fonte de luz de brilho conhecido para iluminar o sensor.

Leia e registre saída: registre a saída do sensor e verifique se ele reage conforme o esperado para alterações na fonte de luz.

4. Qual é a diferença entre um sensor óptico e um sensor infravermelho?

A principal diferença entre sensores ópticos e infravermelhos é a faixa de comprimentos de onda de luz que eles detectam.Os sensores ópticos geralmente se referem a sensores capazes de detectar comprimentos de onda na faixa visível.Os sensores infravermelhos detectam especificamente os comprimentos de onda de luz infravermelha, que são invisíveis para o olho humano.Os sensores infravermelhos são comumente usados ​​em câmeras de imagem térmica, equipamentos de visão noturna e alguns tipos de equipamentos de comunicação.

5. Os sensores ópticos são passivos ou ativos?

Os sensores ópticos podem ser passivos ou ativos, dependendo se exigem uma fonte de luz externa.

Sensores ópticos passivos: nenhuma fonte de luz adicional é necessária, eles funcionam detectando luz do ambiente, como luz solar ou iluminação existente.

Sensores ópticos ativos: requer uma fonte de luz externa para iluminar o alvo e, em seguida, detecte a luz refletida ou transmitida do alvo.