اقرأ في هذا المقال
- ما هي أساسيات المستشعر البصري في الاتصالات Optical Sensor Basics؟
- أنواع أجهزة الاستشعار البصرية
- مصادر الضوء المختلفة لأجهزة الاستشعار البصرية
- تطبيقات أجهزة الاستشعار البصرية
يعمل المستشعر البصري بتحويل أشعة الضوء إلى إشارة إلكترونية، والهدف الرئيسي من المستشعر البصري هو قياس كمية الضوء الفيزيائية، واعتماداً على نوع المستشعر يقوم على ترجمتها إلى صيغة يمكن قراءته من خلال جهاز قياس متكامل، كما تُستخدم المستشعرات الضوئية للكشف عن قطع الغيار أو عدها أو تحديد مواضعها.
ما هي أساسيات المستشعر البصري في الاتصالات Optical Sensor Basics؟
يمكن أن تكون المستشعرات الضوئية داخلية أو خارجية، كما تجمع المستشعرات الخارجية وتنقل الكمية المطلوبة من الضوء، بينما تستخدم المستشعرات الداخلية غالباً لقياس الانحناءات والتغيرات الصغيرة الأخرى في الاتجاه، والقياسات المختلفة من خلال أجهزة الاستشعار البصرية المختلفة، هي درجة الحرارة والسرعة ومستوى السائل والضغط والإزاحة أي الموضع، وكذلك الاهتزازات والأنواع الكيميائية وقوة الإشعاع وقيمة الرقم الهيدروجيني والإجهاد والمجال الصوتي والمجال الكهربائي.
أنواع أجهزة الاستشعار البصرية:
هناك أنواع متعددة من أجهزة الاستشعار البصرية، وهي الأنواع الأكثر شيوعاً التي تم استخدمها في تطبيقات العالم الحقيقي.
- الأجهزة الضوئية المستعملة لإيجاد المقاومة من خلال تحويل تبديل الضوء النازل إلى تبديل المقاومة.
- تحول الخلية الكهروضوئية أي الخلية الشمسية كمية من الضوء الساقط إلى جهد الناتج.
- تقوم الثنائيات الضوئية بتحويل كمية من الضوء الساقط إلى تيار ناتج.
مبدأ التشغيل هو إرسال واستقبال الضوء في جهاز استشعار بصري، ويعكس الكائن المراد اكتشافه أو يقطع شعاع الضوء الذي يرسله الصمام الثنائي الباعث، واعتماداً على نوع الجهاز يتم تقييم انقطاع أو انعكاس شعاع الضوء، وهذا يجعل من الممكن الكشف عن الأشياء بشكل مستقل عن المواد التي تم تصنيعها منها أي خشب ومعدن وبلاستيك، كما تتيح الأجهزة الخاصة حتى باكتشاف الأجسام الشفافة أو تلك ذات الألوان المتنوعة أو الاختلافات في التباين.
أولاً: من خلال مجسات الشعاع:
يتكون النظام من مكونين مستقلين، بحيث يتم وضع المرسل والمستقبل مقابل بعضهما البعض، كما يرسل جهاز الإرسال شعاعاً ضوئياً على جهاز الاستقبال، ويتم إظهار سبب انقطاع الحزمة الضوئية على أنّه إشارة تبديل من قبل المستقبل، ولا علاقة له بمكان حدوث الانقطاع.
والميزة الرئيسية هي أنّه يمكن تحقيق مسافات تشغيل كبيرة ويكون التعرف مستقلاً عن بنية سطح الكائن أو لونه أو انعكاسه، ولضمان موثوقية التشغيل العالية يجب التأكد من أنّ الكائن كبير بما يكفي لمقاطعة شعاع الضوء تماماً.
ثانياً: مستشعرات عاكسة للضوء:
يكون كل من المرسل والمستقبل في نفس المنزل، ومن خلال عاكس يتم توجيه مجموعة الضوء المرسلة مرة أخرى إلى جهاز الاستلام، كما يؤدي توقف شعاع الضوء إلى بدء عملية التبديل، وعندما يحدث الانقطاع يكون ليس له أهمية.
وميزة هذا النوع هو أنّه تتيح المستشعرات العاكسة للرجوع مسافات تشغيل كبيرة مع نقاط تبديل، والتي يمكن استنساخها تماماً وتتطلب جهداً ضئيلاً في التركيب، كما يتم الكشف بعناية عن جميع الكائنات التي توقف شعاع الضوء بشكل مستقل عن بنية سطحها أو لونها.
ثالثاً: مجسات انعكاس منتشر:
يكون كلا المرسل والمستلم في مكان واحد، وينعكس الضوء المنبعث من خلال الكائن المراد معرفته.
وميزة هذا النوع هو شدة الضوء المنتشرة في جهاز الاستقبال بمثابة حالة التبديل، وبغض النظر عن ضبط الحساسية، يعكس الجزء الخلفي دائماً بشكل مناسب وأفضل من الجزء الأمامي، وهذا يسبب بنتيجة عمليات التحويل الخاطئة.
ملاحظة: الترانزستورات الضوئية “Phototransistors” هي نوع من الترانزستور ثنائي القطب، حيث يتعرض تقاطع جامع القاعدة للضوء، كما ينتج عن هذا نفس سلوك الثنائي الضوئي، ولكن مع مكاسب داخلية.
مصادر الضوء المختلفة لأجهزة الاستشعار البصرية:
هناك أنواع عديدة من مصادر الضوء، وكانت الشمس والضوء هُما أول مصادر الضوء المعتمدة لدراسة البصريات، كما يستمر الضوء القادم من مادة معينة، مثل اليود والكلور وأيونات الزئبق يقدم النقاط المرجعية في الطيف البصري، وأحد العناصر الرئيسية في الاتصال البصري هو مصدر الضوء أحادي اللون، وفي الاتصالات الضوئية يجب أن تكون منتجات الضوء أحادية اللون ومضغوطة وطويلة العمر، وفيما يلي نوعان مختلفان من مصادر الضوء.
أولاً: الصمام الثنائي الباعث للضوء “LED”:
خلال عملية إعادة التركيب للإلكترونات ذات الثقوب عند تقاطعات أشباه الموصلات “n-doped” و”p-doped” يتم إنتاج الطاقة على شكل ضوء، كما تكون الإثارة من خلال استعمال جهد خارجي وقد يحدث إعادة التركيب أو قد يتم تحفيزه كفوتون آخر وهذا يسهل اقتران ضوء “LED” بجهاز بصري.
- “LED” هي اختصار لـ “Light-emitting diode”.
ثانياً: الليزر أي تضخيم الضوء بواسطة إشعاع الانبعاث المحفز:
يتم تكوين الليزر، عندما تأخذ الإلكترونات المتوفرة في الذرات في زجاج خاص أو بلورات أو غازات الطاقة من تيار كهربائي وتتحول إلى نشطة، كما تنتقل الإلكترونات المثارة من مدار منخفض الطاقة إلى مدار أعلى طاقة حول نواة الذرة، وعندما ترجع إلى حالتها الطبيعية أو الأرضية يعمل ذلك على إصدر الإلكترونات أو فوتونات أي جسيمات ضوئية، وكل هذه الفوتونات لها نفس الطول الموجي ومتماسكة، كما يشتمل الضوء المرئي العادي على أطوال موجية متعددة وهو غير متماسك.
تطبيقات أجهزة الاستشعار البصرية:
يتراوح استعمال هذه المستشعرات الضوئية من أجهزة الكمبيوتر إلى أجهزة كشف الحركة، ولكي تعمل المستشعرات الضوئية بشكل فعال يجب أن تكون النوع الصحيح للتطبيق، بحيث تبقي على حساسيتها للخاصية التي توجدها، كما تُعد المستشعرات الضوئية جزءاً لا يتجزأ من العديد من الأجهزة الشائعة، بما في ذلك أجهزة الكمبيوتر وآلات النسخ ولوازم الإضاءة التي تشتغل تلقائياً في الظلام، وتتضمن بعض التطبيقات المعروفة أنظمة الإنذار والتزامن مع ومضات التصوير الفوتوغرافي والأنظمة التي تستطيع معرفة وجود الأشياء.
أولاً: مستشعرات الضوء المحيط:
في الغالب يكون هذا المستشعر على الأجهزة المحمولة، حيث ستقوم على إطالة عمر البطارية وتفعيل الشاشات سهلة العرض التي تم تحسينها للبيئة.
ثانياً: التطبيقات الطبية الحيوية:
تمتلك أجهزة الاستشعار البصرية استعمالات كثيرة في مجال الطب الحيوي، وبعض الأمثلة على تحليل التنفس باستعمال ليزر الصمام الثنائي القابل للضبط، يراقب معدل ضربات القلب البصري جهاز مراقبة معدل ضربات القلب الضوئي يقيس معدل ضربات القلب باستخدام الضوء يضيء مصباح “LED” عبر الجلد ويضبط المستشعر البصري الضوء الذي ينعكس مرة أخرى، ونظراً لأنّ الدم يمتص المزيد من الضوء يمكن ترجمة التقلبات في مستوى الضوء إلى معدل ضربات القلب، وتسمى هذه العملية باسم التصوير الضوئي.
ثالثاً: مؤشر مستوى السائل القائم على المستشعر البصري:
يتكون مؤشر مستوى السائل المستند إلى المستشعر البصري من جزأين رئيسيين مصباح “LED” يعمل بالأشعة تحت الحمراء مقترناً بترانزستور ضوئي وطرف منشور شفاف في المقدمة، ويقوم “LED” بإنتاج ضوء الأشعة تحت الحمراء إلى الخارج عندما يكون طرف المستشعر محاطاW بالهواء، ويتفاعل الضوء من خلال الرجوع مرة أخرى مع الجانب قبل العودة إلى الترانزستور، وعندما يتم إدخال المستشعر في السائل يتشتت الضوء في جميع الأنحاء ويرجع القليل إلى الترانزستور، وتؤثر كمية الضوء المنعكس على الترانزستور على مستويات النواتج، ممّا يجعل استشعار مستوى النقطة ممكناً.
