Роль оптических датчиков в электронных приложениях

В этой статье изложены принципы работы оптических датчиков, типы оптических датчиков, рекомендации по выбору оптических датчиков и основные приложения.

Оптические датчики - это электронные компоненты, предназначенные для обнаружения и преобразования падающих световых лучей в электрические сигналы. Эти компоненты полезны для измерения интенсивности падающего света и преобразования ее в форму, читаемую интегрированным измерительным устройством, в зависимости от типа датчика.

В этой статье описаны принципы работы оптических датчиков, типы оптических датчиков, рекомендации по выбору оптических датчиков и основные области применения.

Пример оптического датчика. Изображение предоставлено ROHM

Применение оптических датчиков

Оптические датчики - это повсеместно используемые компоненты в электронных устройствах и оборудовании, используемом в промышленности, бытовой сфере, здравоохранении и автомобилестроении.

Медицина и здравоохранение

В связи с беспрецедентной потребностью в бесконтактном зондировании в связи с глобальной пандемией, оптические датчики стали использоваться в дозаторах дезинфицирующих средств в медицинских учреждениях с длительным сроком службы для обеспечения соблюдения требований по охране здоровья и безопасности.

Другие медицинские приложения включают биомедицинские устройства для анализа дыхания и мониторинга сердечного ритма. Анализ дыхания может быть выполнен с помощью перестраиваемого диодного лазера, а отражение света обратно на датчик через кожу может точно контролировать частоту сердечных сокращений человека в процессе, известном как фотоплетизмография. В портативных носимых датчиках используются оптические датчики как для автоматического, так и для ручного отслеживания состояния здоровья и показателей жизнедеятельности пользователей.

Промышленное / коммерческое

В промышленных и коммерческих приложениях оптические датчики также используются для измерения расстояния и температуры, а также для автоматизации в приложениях Индустрии 4.0. Например, оптические датчики могут определять уровни жидкости на технологических объектах, таких как уровни нефти в резервуарных парках и нефтеперерабатывающих заводах, путем интеграции инфракрасного светодиода, светового транзистора и прозрачного наконечника призмы.

Оптические датчики также позволяют автоматизировать контроль, обнаруживая наличие компонентов на производственных площадках.

Бытовая электроника

Оптические датчики также используются для измерения внешнего освещения в бытовой электронике, такой как смартфоны, с такими преимуществами, как продление срока службы батареи и оптимизация яркости экрана в соответствии с количеством освещения в окружающей среде.

Схема ниже (рисунок 1) объединяет микроконтроллер и микросхему драйвера светодиода с автоматическим управлением для достижения выходного тока, пропорционального количеству окружающего света и имитирующего спектральную чувствительность человеческого глаза.

Рис. 1. Блок-схема ИС датчика внешней освещенности. Изображение предоставлено ROHM

Фотопрерыватели и фотодатчики отражающего типа используются для оптического считывания в принтерах и 3D-сканерах для промышленных и розничных приложений. Оптические датчики также используются в оборудовании для наблюдения в коммерческих и жилых зданиях для обнаружения злоумышленников.

Типы оптических датчиков

К наиболее распространенным типам оптических датчиков относятся:

• Фотопрерыватели трансмиссионного типа обнаруживают присутствие объектов путем перехвата света и широко используются в таких приложениях, как определение положения и измерения скорости вращения.
• Светоотражающие фотодатчики обнаруживать движение объектов путем измерения отражения света от них.
• Фотопроводящие устройства становятся электропроводными, поглощая падающие световые лучи.
• Фотодиоды преобразовывать падающий свет в электрический ток
• Фототранзисторы достигают тех же результатов, что и фотодиоды, когда переход база-коллектор освещается светом.

Работа оптических датчиков

Технологии оптического зондирования требуют для эффективного функционирования монохроматических, компактных и надежных источников света. Общие источники света, подходящие для освещения с помощью оптических датчиков, включают светодиоды и лазеры.

Светоизлучающие диоды (СИД) излучают свет, когда электроны соединяются с дырками на стыке полупроводников, легированных n- и p-примесью, чтобы способствовать высвобождению фотонов. С другой стороны, лазер создается за счет электрического возбуждения электронов в атомах определенных материалов, таких как стекло или кристаллы.

Рис. 2. Блок-схема оптического датчика приближения. Изображение предоставлено ROHM

Однако разные типы оптических датчиков работают немного по-разному.

Максимальный ток, который может выдавать фототранзистор на основе выходного каскада в фотоэлементах, зависит от количества получаемого света. Когда свет падает на фототранзистор (то есть в промежутке нет объекта), фотоэлементы демонстрируют НИЗКИЙ выход.

Рис. 3. Конструкция фотоэлемента. Изображение предоставлено ROHM

И наоборот, фотоэлементы демонстрируют ВЫСОКУЮ мощность при наличии объекта. Инженеры могут использовать возможности фото прерывателей, подключив выход к микроконтроллеру или логическому устройству для оптического управления.

Рекомендации по дизайну

Время отклика, стоимость, размер и чувствительность являются важными факторами для инженеров, которые хотят интегрировать оптические датчики в свои конструкции.

Время отклика - это время, необходимое оптическому датчику для реакции на падающий свет, и имеет решающее значение в нескольких приложениях. Более быстрое время отклика обычно приводит к более высокой эффективности оптического зондирования. Многие оптические датчики (рис. 4) включают в свои конструкции схемы измерения времени отклика, чтобы учесть их время задержки, нарастания и спада.

Рис. 4. Изображение продукта RPI-246 (слева) и RPI-44C1E (справа). Изображение предоставлено ROHM

Точно так же стоимость является важным требованием при разработке оптических датчиков. На общую стоимость конструкции оптического датчика влияют многие факторы, включая закупку оборудования / программного обеспечения, тестирование, а также исследования и разработки.

Датчики также бывают разных размеров в зависимости от их типов и конкретных применений. Например, типичные размеры корпуса фотоэлемента варьируются от 3,6 x 3,3 мм до 8 x 4,2 мм. Из-за быстрой миниатюризации дизайнеры часто выбирают оптические датчики меньшего размера, сочетающие высокую производительность и меньшую стоимость.

Более того, дизайнеры отдают предпочтение датчикам, чувствительным к более широкому спектру света, включая видимый и инфракрасный. Повышенная чувствительность до ± 40 позволяет в четыре раза быстрее выполнять измерения приближения и внешнего освещения.

Преимущества оптических датчиков

Оптические датчики имеют несколько преимуществ в различных приложениях, в том числе:

• Легкий пакет
• Устойчивость к электромагнитным помехам (EMI)
• Надежность
• Широкий динамический диапазон
• Высокая чувствительность

Кроме того, они хорошо подходят для мониторинга множества химических и физических явлений и являются химически инертными, что имеет решающее значение в опасных и горючих средах.

Более того, в свете пандемии потребность в бесконтактном зондировании находится на рекордно высоком уровне. Оптические датчики могут использоваться для разработки инновационных решений в промышленных и коммерческих средах для обеспечения соблюдения требований безопасности и здоровья.

Решения ROHM для оптических датчиков в электронных приложениях

ROHM - поставщик высокопроизводительных оптических датчиков. Датчики ROHM обладают высокой степенью чувствительности, которая имеет решающее значение в широком спектре приложений, например, в автоматизации, обнаружении движения, измерениях, безопасности, наблюдении и многих других.

Решения для оптического считывания включают датчики приближения и внешней освещенности, фотопрерыватели, инфракрасные светодиоды, фотосенсоры, фотодиоды, фототранзисторы, микросхемы датчиков внешней освещенности и детекторы с 4 направлениями. Оптические датчики ROHM имеют широкий диапазон рабочих температур (от -25 до + 85 ° C) и имеют компактные размеры для оптимальной экономии места.

Для получения дополнительной информации о решениях ROHM для оптических датчиков посетите веб-сайт.

Отраслевые статьи - это форма контента, позволяющая отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits, что не подходит для редакционного контента. Все отраслевые статьи подлежат строгим редакционным правилам с целью предлагать читателям полезные новости, технические знания или истории. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, принадлежат партнеру, а не обязательно All About Circuits или ее авторам.