حسگر نوری و نحوه عملکرد آن

حسگرهای نوری
حسگرهای نوری می توانند برای طیف وسیعی از برنامه ها از تشخیص ساده فاصله تا تامین دید مصنوعی یا سیستمی برای تشخیص اشیا مورد استفاده قرار گیرند. همچنین می توان از حسگرهای مادون قرمز برای تشخیص فاصلها بر پایه تشخیص نور تعدیل شده استفاده کرد . حسگرهای نوری دسته ای از تجهیزات هستند که شکلی مختلف از فعل و انفعالات (فوتون) ماده نوری را برای آشکارسازی استفاده می کنند .
حسگرهای نوری در بسیاری از محصولات روشنایی از پروژکتور ال ای دی ، پروژکتور 100 وات ، وال واشر ، چراغ خطی ، چراغ خیابانی و... کاربرد زیادی دارد و یه ویژه در خانه های هوشمند این خاصیت بسیار استفاده می شود.

قسمت های تشکیل دهنده
بیشتر سیستم های جابه جایی و سنجش نیرو مبتنی بر حسگرها که بر اساس اصول نوری کار می کنند از سه قسمت اساسی منبع نور ، یک حسگر نور و محیط انتقال تشکیل شده اند که بیشتر در این فرآیند به کمک تجهیزاتی از جمله عدسی ها ، موج برهای نوری ، آینه ها فیلترها ، پلارایزرها و .... نیاز است. برای مثال یک حسگر جابه جایی نوری به گونه ای ساخته شده است که تغییر فاصله بین دو قسمت حسگر یا حرکت یک قسمت حسگر و یک جسم متحرک منجر به تغییر در انتقال بازتاب جذب پراکندگی یا پراش پرتوی نور و واکنش حسگر می شود. با توجه به مطالب بیان شده می توان به روشنی دریافت که اصول کار حسگرهای نوری بر اساس قوانین الکترونیک نوری بوده و جهت تسلط کامل بر آنها شناخت و ادراک مناسبی از قوانین اپتیکی لازم است.

کاربرد ها
حسگرهای نوری برای کاربردهای مختلف در صنایع و مکان های مختلف استفاده می شوند. برای مثال در سیستم های مکاترونیک برای اندازه گیری جابه جایی یا فاصله قسمت های سازه به کار رفته و از خروجی آنها برای کنترل عملکرد صحیح سیستم ، به عنوان مثال حرکت و چرخش یا برای حفظ یک شرایط مشخص استفاده می شود .

انواع حسگر نوری
مشخصات کلی حسگرهای نوری که مورد استفاده قرار می گیرند عبارت اند از:

مقاومت تابع نور
کوچک ، ارزان ، حساس به نور مریی و مادون قرمز ، بدون حساسیت جهت دار ، کند (زمان پاسخ بالا)

دیود نوری(فتو دیود)
کوچک ، ارزان ، حساس به نور مریی و مادون قرمز ، حساسیت جهت دار ، متوسط زمان پاسخ سریع به عنوان ردیاب ربع ( چهار دیود در یک پوشش ) نیز موجود است.

ترانزیستور نوری (فتوترانزیستور)
شبیه فتودیود تا حدی کندتر

دیود آرایه ای
آرایه ای از دیودهای نوری از چند (در یک پوشش ) تا بیش از ۴۰۰۰ عنصر (روی تراشه)

دیود حساس به موقعیت (PSD)
ویژگی های رادیومتری به عنوان فتودیود.

دوربین CCD (اسکن سطح)
وضوح تا ۲۰۴۸ در ۲۰۴۸ عنصر تایم فریم تا ۱۰۰۰ در ثانیهبرای انواع با وضوح پایین

دوربین CMOS (اسکن سطح)
وضوح بالاتر در مقایسه با دوربین CCD عملکرد نویز تا حدودی ضعیف تر

منابع نور برای حسگرهای نوری
منابع نور زیادی وجود دارند . خورشید و نور ناشی از شعله ور شدن مشعل نخستین منابع نوری هستند که برای مطالعه نوری مورد استفاده قرار گرفته اند. در حقیقت نور ناشی از ماده معینی ( به عنوان مثال ید کلر و یون جیوه ) هنوز نقاط مرجع را در طیف نوری فراهم می کند.
یکی از مولفه های اصلی در ارتباط نوری منبع نور تک رنگ است در ارتباطات نوری منابع نور باید تک رنگ مرتب و ماندگار باشند. در اینجا دو نوع منبع نور مختلف وجود دارد .

دیود ساطع کننده نور
در طی فرآیند باز ترکیب انرژی به صورت نور آزاد می شود . تحریک با اعمال ولتاژ خارجی انجام میشود دیود های منتشر کننده نور به طور معمول از کریستال نیم رسانا گالیم - آرسناید ساخته می شوند . در بایاس مستقیم به دلیل ترکیب الکترون و حفره ها در لایه سد نور تولید می شود. بنابراین در این دیود ها لایه سد را به منظور خروج نور نمی پوشانند. نکته دیگر در مورد این بلور آن است که آزاد شدن انرژی در هر بازترکیب ، به صورت تابش یک فوتون نوری است.



لیزر ( تقویت نور توسط تابش تحریک شده)
هنگامی که الکترون های موجود در اتم ها در لیوان های مخصوص کریستال ها با گازها از جریان الکتریکی جذب می شوند، لیزر ایجاد می شود. الکترون های تحریک شده از مدار کم انرژی به مدار با انرژی بالاتر در اطراف هسته اتم حرکت می کنند . هنگامی که به حالت عادی یا زمینی خود برگردند ، این منجر به انتشار الکترون های فتون (ذرات نور) می شود . این فوتون ها همه در طول موج یکسان و یک پارچه هستند در حالی که نور مربی معمولی دارای طول موج های مختلفی است و یک پارچه نیست .



حسگر نوری یا فتوالکتریک چیست؟
حسگر های فتوالکتریک تغییرات اشیا در شرایط سطح و سایر موارد را از طریق انواع خواص نوری تشخیص می دهند . یک حسگر فتوالکتریک در درجه نخست از یک منتشر کننده برای انتشار نور و یک گیرنده برای دریافت نور تشکیل شده است. هنگامی که نور منتشر شده توسط شی سنجشی قطع یا بازتاب داده می شود ، میزان نوری را که به گیرنده می رسد تغییر می دهد . گیرنده این تغییر را تشخیص داده و آن را به یک خروجی الکتریکی تبدیل می کند. منبع نور برای حسگرهای فتوالکتریک نور مادون قرمز یا مربی به طور معمول قرمز یا سبز / آبی برای شناسایی رنگ ها است.

نحوه تولید سیگنال
یک حسگر نور با اندازه گیری انرژی تابشی که در یک فرکانس بسیار باریک وجود دارد و به طور کلی به آن « نور» گفته می شود، سیگنال خروجی تولید می کند و فرکانس متغیر آن از فروسرخ ( مادون قرمز ) تا فرا بنفش قابل رویت است. حسگر نوری از نوع حسگرهای غیر فعال است که این انرژی نور را چه قابل مشاهده و چه در قسمت های طیف مادون قرمز به یک سیگنال خروجی الکتریکی تبدیل می کند. حسگرهای نوری بیشتر به عنوان دستگاه های فتوالکتریک شناخته می شوند؛ زیرا انرژی نور فوتون را به الکتریسیته (الکترون) تبدیل می کنند.

دسته بندی حسگر نوری
در زیر به معرفی این فتوالکتریک ها اشاره شده است.

سلول های فتوامیسیو
این قطعات نوری الکترون های آزاد یک ماده حساس به نور مانند سزیم را وقتی که فوتون با انرژی کافی به آن برخورد می کند رها می کنند. میزان انرژی فوتون ها به فرکانس نور بستگی دارد و هر چه فرکانس بیشتر باشد انرژی بیشتر است .

سلول های فتوکنداکتور
مقاومت الکتریکی این قطعات نوری وقتی در معرض نور قرار می گیرند تغییر می کنند. رسانایی نوری در نتیجه برخورد نور با یک ماده نیمه هادی ایجاد می شود که جریان گذرنده از آن را کنترل می کند برای یک ولتاژ مشخص هر چه مقدار نور افزایش پیدا کند جریان نیز بیشتر می شود. رایج ترین ماده فتوکنداکتیو کادمیوم سولفید است که در فتوسل مورد استفاده قرار می گیرد .

سلول های فتوولتاییک
این قطعات نوری متناسب با نوری که به آنها می تابد ولتاژی را تولید می کنند. انرژی نوری به دو ماده نیمه هادی فشرده شده به هم می تابد و به طور تقریبی ولتاژی برابر با 0.5 ولت تولید می کند. رایج ترین ماده فتوولتاییک سلنیوم است که در سلول های فتوولتاییک مورد استفاده قرار می گیرد .

قطعات پیوندی نوری (فتوجانکشن)
این قطعات نوری قطعات نیمه هادی کاملی از قبیل دیودها و ترانزیستور های نوری هستند که از نور برای کنترل شارش الکترون ها و حفره های پیوند PN بهره می برند. فتوجانکشن ها یا قطعات پیوندی نوری بیشتر برای کاربردهای آشکارسازی و نفوذ نور با پاسخ طیفی تنظیم شده با نورتابشی مورد استفاده قرار می گیرند .

مقاومت تابع نور
مقاومت در برابر نور یا مقاومت وابسته به نور عنصری است که به نور حساس است. هنگامی که نور بر روی آن می افتد مقاومت تغییر می کند. مقادیر مقاومت تابع نور در بسیاری از مقادیر بزرگی ممکن است تغییر کند ، میزان مقاومت در اثر افت سطح نور در حال کاهش است. معمول نیست که مقادیر مقاومت یک مقاومت نوری چند مگا اهمی در تاریکی باشد و سپس در نور روشن به چند صد اهم بیفتد. با چنین تغییر گسترده ای در مقاومت تابع نور به راحتی قابل استفاده هستند و مدارهای مقاومت تابع نور بسیاری در دسترس است. مقاومت های تابع نور از مواد نیمه هادی ساخته شده اند تا بتوانند خاصیت حساس به نور خود را داشته باشند .

انواع مقاومت نوری
در ادامه شما را با انواع مقاومت نوری آشنا می سازیم.

مقاومت نوری ذاتی
مقاومت نوری های ذاتی از مواد نیمه هادی بدون ناخالصی شامل سیلیکون یا ژرمانیوم استفاده می کنند. فوتون ها روی الکترون های برانگیخته LDR قرار می گیرند که آنها را از باند ظرفیت به باند انتقال می رسانند در نتیجه این الکترون ها قادر به انتقال بار الکتریکی هستند. هر چه نور بیشتری روی دستگاه بیفتد الکترون های بیشتری آزاد و از باند هدایت می شوند و این باعث میشود مقدار مقاومت کمتر شود .

مقاومت نوری خارجی
مقاومت نوری خارجی از مواد نیمه هادی که به آن ناخالصی افزوده شده است، ساخته می شوند. این ناخالصی ها یک باند انرژی جدید در بالای باند ظرفیت موجود ایجاد می کنند. در نتیجه الکترون ها به دلیل وجود شکاف انرژی کمتری برای انتقال به باند انتقال نیاز به انرژی کمتری دارند. صرف نظر از نوع مقاومت وابسته به نور یا مقاومت در برابر نور هر دو نوع با افزایش سطح نور افزایش در هدایت یا افت مقاومت دارند .

فتودیود
فتودیود نوعی از ادوات آشکارساز نور است که برای تبدیل نور به جریان یا ولتاژ الکتریکی بسته به مد عملکرد مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع دیود از فیلترهای نوری ، لنزهای داخلی و نواحی سطحی تشکیل شده است. در این دیود زمانی که سطح بیرونی افزایش یابد زمان پاسخ دهی کندتر می شود . فتودیود ها مانند دیود های نیمه رسانای معمولی هستند اما این نوع دیود باید در معرض دید باشد تا نور به قسمت مشخصی از آن وارد شود. برخی از دیود هایی که به منظور استفاده به عنوان فتودیود تولید میشوند از پیوند PIN به جای پیوند معمول PN استفاده میکنند. بعضی از فتودیود ها ظاهری شبیه به دیودهای منتشر کننده نور دارند. این دیود ها دارای دو ترمینال در انتهای خود هستند که پایه کوتاه تر ترمینال کاتد و پایه بلندتر، ترمینال آند را مشخص می کند.

انواع فتودیود
اگر چه انواع مختلفی از فتودیود ها وجود دارد اما همه آنها تحت اصول کاری یکسانی کار می کنند و تنها عملکرد برخی از آنها توسط عوامل دیگری بهبود یافته است. با وجود این که بعضی از فتودیود ها گویا به طریق متفاوتی کار می کنند اما عملکرد اصلی در آنها ثابت باقی مانده است. دیود ها بر اساس عملکرد و ساختار به انواع فتودیود PN ، فتودیود شاتکی ، فتودیود PIN و فتودیود های بهمنی طبقه بندی می شوند.
این دیود ها در مواردی که تشخیص نور ، رنگ ، موقعیت و شدت مورد نیاز باشند ، دارای کاربرد های بسیار متنوعی هستند.

مهم ترین ویژگی دیود ها
- دارای منحنی مشخصه خطی خوبی نسبت به نور دریافتی هستند.
- دارای نویز بسیار پایین هستند.
- پاسخ با طیف گستره دارند.
- به لحاظ مکانیکی محکم و مقاوم هستند.
- وزن آنها سبک است و ساختاری فشرده دارند.
- طول عمر طولانی دارند.

فتوترانزیستور
یک قطعه پیوندی نوری جایگزین برای دیود نوری ترانزیستور نوری یا فتوترانزیستور است. که به طور کلی از یک فتودیود با قابلیت تقویت کنندگی تشکیل شده است. حسگر نوری فتوترانزیستور هنگام قرار گرفتن در معرض نور یک بایاس معکوس پیوند PN کلکتور بیس دارد.

نحوه کار
فتوترانزیستورها مشابه فتودیود ها عمل می کنند با این تفاوت که بهره جریان دارند و نسبت به فتودیودها حساس ترند به گونه ای که جریان آنها ۵۰ تا ۱۰۰ برابر بزرگتر از فتودیود های استاندارد است. هر ترانزیستور عادی را میتوان با اتصال یک فتودیود بین کلکتور و بیس به سادگی به یک حسگر نور فتوترانزیستوری تبدیل کرد .

ساختار و مدل ها
فتوترانزیستور ها به طور معمول از یک ترانزیستور NPN دو قطبی با ناحیه بیس بزرگی تشکیل شده اند که اتصالی ندارد. البته برخی فتوترانزیستور ها اتصال پایه بیس را برای کنترل حساسیت دارند که در آن از فوتون های نور برای تولید یک جریان بیس استفاده می شود و به نوبه خود سبب برقراری جریان در کلکتور - امیتر خواهد شد. اغلب ترانزیستورهای نوری از نوع NPN هستند که پوشش بیرونی آنها شفاف است یا یک لنز شفاف برای تمرکز نور به پیوند بیس برای افزایش حساسیت دارند .
در ترانزیستور نوع NPN کلکتور نسبت به امیتر بایاس مثبت شده و به همین دلیل ، پیوند بیس امیتر بایاس معکوس شده است. بنابراین وقتی پیوند در معرض نور قرار نگیرد جریان تاریکی یا نشتی از آن میگذرد که بسیار کوچک است. وقتی نور به پایه بیس بتابد ، زوج الکترون - حفره های بیشتری در این ناحیه تشکیل شده و جریان تولیدی در اثر این عمل توسط ترانزیستور تقویت خواهد شد. به طور معمول حساسیت یک فتوترانزیستور تابعی از بهره جریان DC ترانزیستور است؛ بنابراین حساسیت کلی تابعی از جریان کلکتور است و می توان آن را با اتصال مقاومت بین بیس و امیتر کنترل کرد ، اما برای هرگونه کاربرد آن در اپتوکوپلرهای با حساسیت بسیار زیاد از فتوترانزیستورهای دارلینگتون استفاده می شود.

خواص نور
مبحث نهایی که باید در مورد حسگر ها به آن اشاره شود ویژگی های نور می باشد ، که به شکل خلاصه به آن پرداخته ایم.

انتشار مستطیل
هنگامی که نور از طریق هوا یا آب حرکت می کند همیشه در یک خط مستقیم حرکت می کند. شکاف در قسمت خارجی یک حسگر از طریق پرتو که برای ردیابی اشیاء کوچک استفاده می شود نمونه ای از چگونگی استفاده از این اصل برای استفاده های عملی است .

شکست
انکسار پدیده تابش نور است زیرا به طور ناخوشایند از مرز بین دو رسانه با شاخصهای مختلف انکسار عبور می کند . سرعت نور در محیط های مختلف متفاوت است. بیشترین سرعت نور در خلا و به طور دقیق برابر ۷۹۲،۴۵۸، ۲۹۹ متر بر ثانیه است که در روابط و محاسبات به صورت تقریبی ۳۰۰،۰۰۰ کیلومتر بر ثانیه لحاظ می شود. در محیط های دیگر مانند آب و شیشه و ... سرعت نور کم تر از این مقدار است . زیرا وقتی که محیط حرکت نور از نظر غلظت تغییر می کند ، سرعت نور نیز تغییر می یابد . با افزایش غلظت سرعت کاهش و با کاهش آن سرعت کاهش پیدا می کند . به این ترتیب علت شکست نور هنگام عبور از یک محیط شفاف تغییر سرعت آن هنگام وارد شدن به محیط شفاف دوم است.

ویژگی های اصلی نور
دو مورد بعدی از ویژگی های مهم نور محسوب می شود که اثر آن بیش از موارد قبلی می باشد.

بازتاب ( بازتاب منظم ، بازتاب ، بازتاب گسترده )
بازتاب به تغییر مسیر نور پس از برخورد با یک شی گفته میشود و مقدار نور بازتاب شده از سطح شی با توجه به میزان نورتابشی را توضیح می دهد. وقتی نور به سطح برخورد می کند قسمتی از آن بازتاب قسمتی جذب و قسمتی از سطح آن عبور می کند. بازتاب همیشه در سطح ماده اتفاق می افتد البته برای مواد نیمه شفاف بازتاب در درون ماده نیز اتفاق می افتد. بازتابش به موارد مختلفی از جمله طول موج نور ، زاویه ی تابش و بازتابش ، قطبش نور جنس ماده ( فلز ، پلاستیک و .... ) ترکیب شیمیایی ، ساختار ماده و حالت ماده و سطح آن ( دما ، سختی سطح آن ، درجه ی اکسیداسیون و ... ) بستگی دارد.

قطبش نور
نور می تواند به عنوان موجی نمایش داده شود که به صورت افقی و عمودی در حال نوسان است. حسگر های فتوالکتریک به طور تقریبی همیشه از دیود منتشر کننده نور به عنوان منبع نور استفاده می کنند . نوری که از دیود منتشر کننده نور ساطع می شود در جهت های عمودی و افقی نوسان می کند و به آن نور غیر قطبی گفته می شود . فیلتر های نوری وجود دارند که نوسانات نور غیر قطبی را فقط در یک جهت محدود می کند این ها به عنوان فیلترهای قطبی شناخته می شوند. نور یک دیود منتشر کننده نوری که از یک فیلتر پلاریزه عبور می کند تنها در یک جهت نوسان می کند و به عنوان نور قطبی ( دقیق تر آن ، نور قطبی شده خطی ) گفته می شود.