Fizički fakultet

Univerziteta u Beogradu

Seminarski rad

Optički senzori

Student ProfesorKatarina Jevtić Doc. Dr Bećko Kasalica Broj indeksa: 3080027

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Uvod

Senzori su uređaji koji mere fizičke veličine i konvertuju ih u signal koji je čitljiv posmatraču i/ili instrumentu. Senzori imaju široku primenu u svakodnevnom životu: kod ekrana osetljivih na dodir, kod vrata i liftova, u javnim objektima, kod osvetljenja, alarma i mnogih drugih uređaja: automobila, aviona, medicinskih uređaja, robota, industrijskih mašina i drugde.

Kao primer principa rada senzora možemo uzeti termometar koji se sastoji od žive u staklenom cilindru.

Kod promene temperature dolazi do ekspanzije ili kontrakcije žive te se ta promjena može očitavati na oznakama kalibriranog cilindra (termometar).

Takođe u digitalnoj fotografiji se umesto filma koriste senzori koji optičku sliku pretvaraju u električni signal. Danas najveći broj digitalnih fotoaparata koristi CCD senzore ili CMOS senzore.

CCD senzor je elektronski uređaj na čijoj se površini nalaze milioni fotosenzitivnih dioda, poređanih u redove i kolone; slično kao i tačke, odnosno pikseli, na monitoru računara. Oni rade na prinipu gde fotodioda pretvara prikupljene fotone u električni napon. Taj napon je pretvoren u voltažu koja se pojačava do nivoa na koji može da bude procesirana od strane analogno digitalnog konvertora. Analogno Digitalni kovertor klasifikuje analognu voltažu sa piksela na nivoe osvetljenja, i dodeljuje svakom nivou binarnu oznaku, tako da slika može da bude sačuvana digitalno.

CMOS senzori za razliku od CCD senzora za svaki piksel posebno ima ugrađeno pojačalo. To omogućuje da se podaci sa svih piksela obrade u istom trenutku. Ovaj proces omogućava veću brzinu pohrane zapisa pa samim time i više snimljenih slika u sekundi.

Senzori su vrsta konvertora (pretvarača). Oni jednu fizičku veličinu pretvaraju u drugu. Zbog toga se oni mogu klasifikovati po tipu energije koju prenose:

Toplotni (Temperaturni senzori: termometar, termostat, bimetalni termometar; Toplotni senzori: kalorimetar, senzor protoka)

Elektromagnetni ( Senzori električnog otpora: ommetar, multimer; Senzori električnog otpora: ommetar, multimer; Senzori električne struje: galvanometar, ampermetar; Senzori električnog napona: voltmetar, elektroskop; Senzori električne snage: kilovat-sat merač; Magnetni senzori: magnetni kompas, magnetometer; Metal detektori; Radar )

Mehanički (Senzori pritiska: barometar, barograf, manometar, merač pritiska, indikator brzine vetra; Senzori protoka fluida: senzor protoka, gasni senzor, presostat; Senzori protoka fluida: senzor protoka, gasni senzor, presostat; Senzori gustine i viskoznosti fluida: viskozimetar, hidrometar )

Hemijski ( Senzori hemijskih elemenata; Senzori mirisa )

Optički ( Svetlosni senzori; Infracrveni senzori; Senzori blizine; Laserski skener; Fokus; Binokular; Interferometar; Skintilometar; Fiber optički senzori )

Akustički ( Akustički senzori; Zvučni senzori )

Ostali tipovi ( Senzori pokreta; Senzori orijentacije )

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Optički senzori

Princip rada optoelektronskih senzora se zasniva na promeni parametara optičkog signala sa promenom fizičke veličine. Samim tim ovi senzori nemaju galvanske ili magnetne veze, već samo optičke. Zato se često nazivaju i optički senzori.

Zahvaljujući optičkom signalu postignuti su: galvansko razdvajanje, jednostavnije šeme priključivanja, kompatibilnost merenja i prenosa signala, zaštita od šumova, mogućnost merenja fizikalnih veličina kako u oblasti malih tako i u oblasti velikih vrednosti, standardizacija izlaznog signala, te visok kvalitet statičkih i dinamičkih karakteristika.

Optički senzori u funkcionalnom pogledu su fleksibilniji, pouzdaniji i univerzalniji od klasičnih senzora, jer se mogu upotrebiti u svim uslovima delovanja jakog magnetnog polja, visoke temperature, električnih šumova i hemijske korozije. Zbog dobrih osobina optički senzori prisutni su u automatskojregulaciji tehnoloških procesa, robotici, avionici, vojnoj tehnici, medicini, specijalnim merenjima u elektroenergetici, termotehnici itd.

Osnovni parametri optičkog signala su: amplituda, frekvencija, faza, polarizacija i rasejavanje svetlosnog toka.

Promena amplitude optičkog signala tokom vremena u zavisnosti od amplitude merene fizikalne veličine jeste amplitudna modulacija. Do amplitudne modulacije dolazi bilo zbog izmene u apsorpciji ili emisiji signala bilo zbog izmene indeksa prelamanja svetlosti upotrebljenog optoelektronskog materijala. Ovo je najčešće primenjivani princip u gradnji optičkih senzora.

Promena frekvencije, odnosno talasne dužine optičkog signala u zavisnosti od amplitude merene fizikalne veličine jest frekventna modulacija. Kod frekventne modulacije apsorpcija i emisija optičkog signala, kao i indeks prelamanja svetlosti, zavise od spektra signala.

Promena faze optičkog signala srazmerno amplitudi merene fizikalne veličine predstavlja faznu modulaciju. Detekcija merenog signala vrši se merenjem faznog pomaka.

Promena polarizacije, odnosno ugla linearne polarizacije optičkog signala prema referentnoj osi srazmerno amplitudi merene fizikalne veličine predstavlja linearni tip polarizacione modulacije.

Promena stepena rasejavanja (propusnosti, dinamičke disperzije) signala kroz materijal poznatih osobina srazmerno amplitudi merene fizikalne veličine predstavlja modulaciju apsorpcijom. Detekcija merene veličine vrši se analizom vremenskog odziva optičkog signala.

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Slika 1.- Optički senzori- Svetlosni senzori

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Slika 2.- Optički senzori

Klasifikacija optičkih senzora

Optički senzori odlikuju se velikom raznovrsnošću, pa se zbog toga njihova klasifikacija može izvesti na osnovu različitih kriterijuma:

Parametra optičkog signala koji je nosilac merne informacije

Fizikalnog efekta koji dovodi do promene parametra optičkog signala u zavisnosti od merene fizikalne veličine

Načina povezivanja senzora i prenosnog medija

Tipa modulacije

Na bazi opšteg kriterijuma razlikuju se: senzori sa analognom konverzijom, senzori sa konverzijom analognog signala u signal sa promenljivim periodom ili frekvencijom i senzori sa analogno-digitalnom konverzijom.

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Slika 3.-Klasifikacija optičkih senzora

Analogni optički senzori

Izlazni signal optičkih senzora sa analognom konverzijom merene fizikalne veličine u mernu informaciju jest amplituda električne struje optičkog prijemnika.

Ulazna informacija je intenzitet svetlosti ili pozicija na fotoosetljivoj površini prijemnika na koju pada zrak svetlosti konstantnog intenziteta. Pozicija se menja zakretanjem svetlosnog zraka pomoću nekog optičkog elementa (sočiva, ogledala, proreza, prizme itd.), čije je kretanje proporcionalno merenoj fizikalnoj veličini.

Dalja podela analognih optičkih senzora zavisi od konverzije svetlosti u izlazni električni signal. Po tom osnovu postoje:

1. Senzori sa fotoelektronskom emisijom- Ovi senzori rade na principu vanjskog fotoefekta. Njihova fotokatoda prekrivena je slojem fotoemisionog materijala, čiji elektroni imaju mali izlazni rad W. Zato, kada se fotokatoda osvetli monohromatskom svetlošću talasne dužine

l = c/v, apsorbovani foton predaje elektronu dovoljno energije da savlada energetsku barijeru i sasvim napusti materijal. Kinetička energija emitovanog elektrona određena je Ajnštajnovom relacijomEk = hv – W

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Pomoću vanjskog izvora fotoelektroni se dalje ubrzavaju između anode i katode i sakupljaju na anodi. Rezultujuća fotostruja registruje se direktno ili kao pad napona na opteretnom otporu. Fotoni svetlosti manje talasne dužine imaju veću energiju, pa je pojava fotoemisije verovatnija. To je razlog što se fotokatode prave od fotoemisionih materijala osetljivih na vidljivu ili infracrvenu svetlost.

2. Senzori sa efektom fotoprovodnosti (unutrašnji fotoefekt)- Efekt se sastojiu promeni električnog otpora materijala na koji pada

svetlost.

3. Senzori sa fotonaponskim efektom (fotoelementi)- To su aktivni senzori, jer se pod uticajem svetlosti unutar p-n prelaza javljaju slobodni elektroni i šupljine, te se generiše EMS. Pri tome se p-sloj ponaša kao anoda, a n-sloj kao katoda. Tipičan fotonaponski element je solarna ćelija.

Kada se fotonaponski element inverzno polariše pomoću

vanjskog naponskog izvora, inverzna struja zasićenja postaje direktno proporcionalna jačini svetlosti. Inverzna polarizacija ima velikubrzinu odziva. Predstavnici senzora koji rade na ovom principu su fotodiode i fototranzistori. Na sličan način rade i senzori slike na bazi CCD-elemenata (Charge Coupled Devices), odnosno elemenata koji su povezani pomoću naboja.

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Slika 4.- Senzori slike CCD senzor

4. Senzori sa piroelektričnim efektom- Pod delovanjem svetla (optičke radijacije) na oblogama tanke pločice od feroelektričnog materijala menja se temperaturno polje, koje pobuđuje spontanu polarizaciju, pa se na oblogama javlja električni naboj. Bitno je da je naboj proporcionalan promeni temperature, a ne samoj temperaturi. Senzor na bazi piroelektričnog efekta je, temperaturno osetljivi kapacitet. Na izlazu je neophodan FET-tranzistor kako bi se visoki otpor piroelektričnog elementa pri veoma malom naboju transformisao u prihvatljiv izlazni otpor senzora. Senzori ovog tipa najčešće se primenjuju u infracrvenom području kao jedna subklasa termičkih senzora.

Optički senzori sa periodičkim ili frekventnim izlazom

Izlazni signal ove klase senzora je impulsni signal sa promenljivim vremenom trajanja ili sapromenljivom frekvencijom pojave. Impulsi nastaju skaniranjem ulaznog signala.Pretvaranje ulaznog signala u impulse vrši se na bazi linearnog ili nelinearnog elektrooptičkog efekta, magnetooptičkog ili akustičkooptičkog efekta.

Kao primer za ove senzore može se navesti poluprovodnički laser (laserska dioda), kod kojeg je izvor napajanja modulator optičkog signala. Izvor napajanja služi za dovođenje modulirajućeg

15

Optički senzori Katarina Jevtić

signala (koji je u funkciji merene fizikalne veličine) ali i za dovođenje pretpobude. Za pobudu izlaznog optičkog signala laserske diode potrebne su relativno velike struje, pa se struja pretpobude postavlja na vrednost ispod struje praga. Pretpobuda se reguliše u zavisnosti odrazlike srednjih vrednosti modulirajućeg signala i optičkog signala. Blok za formiranje pretpobude uzima u obzir temperaturu okoline, budući da se struja praga laserske diode menja sa promenom temperature. Nedostaci senzora sa periodičkim ili frekventnim izlaznim signalom su glomaznost, složena realizacija i ograničene funkcionalne mogućnosti.

Optički senzori sa analogno-digitalnom konverzijom

Izlazni signal ovih senzora je kod, koji je proporcionalan promeni analognog ulaznog signala. Senzori sa A/D konverzijom su najperspektivniji optički senzori. Dele se u dve velike grupe.

U prvu grupu spadaju senzori sa sekvencijalnim kodiranjem. Opseg merene veličine je skup sastavnih delova – prirastaj merene veličine – i svakom delu pridružene odgovarajuće jedinice najnižeg cifarskog mesta u kodu. Računajući priraste, dobija se cifarski ekvivalent merene veličine. Proračun se izvodi bilo promenom koda u odnosu na prethodno stanje (sumirajući, inkrementalni koder). U drugu grupu spadaju senzori sa paralelnim kodiranjem jer se izlazni signal dobija istovremenim očitavanjem vrednosti svih cifarskih mesta (apsoltni koder).

Karakteristike optičkih senzora

Odzivnost (responsivity) je mera sposobnosti optičkog senzora da konvertuje optički fluks u električni merljiv ulaz , obično je to napon ili struja. Ova sposobnost zavisi od talasne dužine svetlosti.

Snaga ekvivalentna šumu - U načelu, poželjno je da odzivnost senzora bude što veća. Međutim, odzivnost kao parametar ne daje informacije o tome koliki je najmanji optički fluks koji se detektuje. Limitirajući faktor u tom pogledu je šum. Snaga ekvivalentna šumu – NEP (Noise

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Equivalent Power) jeste izvedeni parameter što određuje minimalni iznos optičkog fluksa koji senzor može da detektuje.

Detektivnost i spektralna detektivnost- Detektivnost je recipročna vrednost ekvivalentne snage šuma D = 1/ NEP, pa je direktno proporcionalna kvalitetu optičkog senzora.

Dinamičke karakteristike- Konverzija svetlosnog fluksa u električni signal ne odvija se trenutno. Razlog je u ograničenjima koja se javljaju u procesu detekcije. Ova ograničenja su: vreme života nosilaca naboja nastalih delovanjem fotona svetlosti je konačno; vreme prolaza generisanih naboja elektriciteta kroz materijal senzora je konačno i zavisi od vrste i dimenzije materijala; pojava termičkog kapaciteta kod termičkih (optičkih) senzora, koji se javlja zbog toga što je potrebno izvesno vreme da materijal od kojeg je senzor napravljen promeni temperaturu nakon delovanja optičkog fluksa; frekventna propusnost pretpojačavača i pojačavača; modulacija optičkog fluksa koja se provodi skaniranjem ili čopovanjem kako bi se smanjio šum ili pokrilo vidno polje.Kao rezultat ovih ograničenja, svi prethodno definisani pokazatelji optičkih senzora su frekventno zavisni.

Način gradnje optičkih senzora

Optički senzori sastoje se od tri dela: izvora, prijemnika optičkog zračenja i prenosnog medija. Između izvora i prijemnika veze mogu biti optičke ili električne.

Optički izvor kao senzor

Kao izvori svetlosti najčešće se primenjuju LED-diode i laserske diode (LD). Zajedničko im je da emitovanje fotona nastaje prelaskom elektrona sa višeg na niži energetski nivo, tj. sa prelaskom iz provodne u valentnu zonu. Međutim, kod lasera se radi o stimulisanoj emisiji, a kod LED-dioda o spontanoj emisiji. Zbog toga laser ima manju vremensku konstantu, daje snažniji optički signal sa užim frekventnim sadržajem, ali zbog impulsnog režima ima slabije

15

Optički senzori Katarina Jevtić

pokazatelje pouzdanosti. Za praktičnu primenu u tehnici senzora povoljnije su, ipak, LED-diode zbog linearnije karakteristike. Poželjno je da svetlost koju zrače LED-diode i laserske diode bude koherentna, tj. određene talasne dužine. LED-diode koje služe za indikaciju emituju najčešće zelenu, crvenu ili žutu svetlost.

Slika 5.- LED diode

U gradnji optičkih senzora takođe se primenjuju LED-diode i laserske diode koje emituju vidljivu svetlost, ali se primenjuju i diode koje emituju svetlostnevidljivog dela spektra. Na slici 6. prikazane su optička oblast elektromagnetnog spektra i podoblasti optičkog dela spektra od interesa u tehnici senzora.

Slika 6.- Optički spektar

Prijemnici svetlosti kao optički senzori

Prijemnik kao optički sensor konvertuje optičku energiju u električnu veličinu (struja, napon, otpor, kapacitet ili naboj). Razlikuju se dve velike grupe senzora optičkog zračenja. Senzori prve grupe (kvantni detektori) detektuju optičku radijaciju na bazi fotoelektričnih efekata, koji se manifestuju u stvaranju slobodnih elektrona usled apsorpcije diskretnih vrednosti energije (fotona):Fotoemisija: apsorbovani fotoni stvaraju slobodne elektrone, koji napuštaju površinu materijalaFotoprovodnost: apsorbovani fotoni stvaraju slobodne nosioce elektriciteta u materijalu

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Fotonapon: apsorbovani fotoni na p-n prelazu stvaraju parove elektrona i šupljina i time menjaju potencijalnu barijeru p-n prelazaFotoprelaz: apsorbovani fotoni dovode do promene električnih parametara u elementima tipa dioda ili tranzistorFotojonizacija: količina kretanja apsorbovanih fotona dovodi do pojave slobodnih nosilaca u poluprovodnom materijalu.

Senzori grupe fotoprovodnosti apsorbuju fotone, pri čemu apsorbovana energija dovodido promene temperature u materijalu od kojeg je napravljen senzor (termički detektori). Najpoznatiji predstavnici ove grupe optičkih senzora su: termistor, temperaturno osetljivi resistor sa negativnim temperaturnim koeficijentom bolometar, temperaturno osetljivi otpornik termopar (termoelektrična baterija), piroelektrični senzor, temperaturno osetljivi kapacitivni senzor sapiroelektričnim materijalom između elektroda, Golejeva ćelija.

Optičko vlakno kao senzor

Optička vlakna sve više se upotrebljavaju u sistemima komunikacija. Razlozi su sledeći:mali gubitci u prenosu; mogućnost prenosa širokog opsega frekvencija; velika stabilnost parametara i neosetljivost na delovanje vanjskih smetnji kao što su: vlaga, temperatura i hemijska agresija sredine; ne provode električnu struju, pa stoga nema pojave elektromagnetneindukcije i smetnji koje ona izaziva; izvanredna izolacija, pa su neosetljivi na delovanje razlike potencijala, što omogućava primenu u eksplozivno opasnom prostoru (svojstvo samosigurnosti);povoljne mehaničke osobine (tanki, laki i elastični); praktično neograničeni resursi materijala za proizvodnju.

Optičko vlakno je cilindrični dielektrični provodnik svetlosti, napravljen od kvarcnog (optičkog) stakla. Obično optičko vlakno sastoji se od unutrašnjeg cilindra (jezgra) i omotača. Vlakno je zaštićeno elastičnim zaštitnim omotačem.Zbog svojih dobrih karakteristika opzička vlakna predstavljanju glavne elemente u specijalnim senzorima za praćenje akustičkih i magnetnih veličina, temperature, pritiska, brzine, ubrzanja itd.

Postoje dve osnovne grupe senzora na bazi optičkog vlakna: Interferometarski ; merena fizikalna veličina izaziva interferencijske efekte Amplitudni; merena fizikalna veličina modulira intenzitet svetlosti.

Za praktične potrebe prihvatljivija je podela prema načinu detekcije i merenju fizikalne veličine.

Prema ovoj klasifikaciji senzori se dele prema sledećim karakteristikama:

neposredni prijem optičkog signala i njegov prenos optičkim vlaknom,

detekcija merene fizikalne veličine na bazi promene parametara optičkog vlakna,

15

Optički senzori Katarina Jevtić

detekcija na osnovu optičkih svojstava drugih materijala i prenos signala optičkim vlaknom,

detekcija pomoću klasičnih optičkih, mehaničkih ili elektromehaničkih senzora i prenos signala optičkim vlaknom.

Upotreba optičkih senzora

Optički senzori imaju širok spektar upotebe u mnogim područijima industrije, tehnologije, robotike, termotehnike, medicine, vojne tehnike itd.

Svetlosni senzori (fotodetektori) se koriste kod digitalnih fotoaparata, gde je svetlosni senzor zauzeo ulogu koju je ranije imao film (CCD senzor, CSMOS senzor, Feveon senzor). Takodje svetlosni senzori se koriste u kvantnoj fizici za dektetovanje individualnih fotona, hemijski detektor koji se koristi kao faktografske ploče osetljive na svetlost, foto-diode koje proizvode napon pri osvetljenju itd.

Infracrveni senzori koriste infracrvene zrake za detekciju predmeta u okruženju izvora toplote. Koriste se u industrijskoj automatizaciji. Digitalni infracrveni senzor služi za detekciju prisustva nekog objekta, gde je opseg detekcije od 20 do 150 cm, dok analogni infracrveni senzori detektuje predmete na manjoj udaljenosti od 4 do 30 cm.

Senzori blizine koriste se kod mobilnih telefona, detektora papira kod uredjaja za fotokopiranje, u sekvencijskom upravljanju u tehnickim postrojenjima za nadzor i osiguranje procesa itd.

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Zaključak

Usled razvoja tehnologije dolazi do potrebe razvoja uređaja koji čoveka zamenjuju na onim mestima gde se mašine pokazuiju kao efikasnije i produktivnije.

Uz mogućnosti koje se pružaju integracijom senzora i njuhovom širokom primenom i fleksibilnošću moguće je vrlo povoljno i efikasno osmisliti donedavno nezamisliva rešenja za automatsko upravljanje, nadzor i kontrolu proizvodnje.

Rasprostranjenost senzora i njihova pristupačnost dovele su do toga da se u skoro sve napredne elektroničke uređaje ugrađuju senzori, od ručnih satova I mobilnih uređaja do robotike.

Usled širokog spektra upotrebe optičkih senzora i senzora uopšte, može se sa sigurnošću reći da bi svakodnevnica čoveka u 21. veku bila nezamisiva bez senzora.

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Sadžaj

Uvod............................................................................................................................................................1

Optički senzori............................................................................................................................................2

Klasifikacija optičkih senzora......................................................................................................................4

Analogni optički senzori..........................................................................................................................5

Optički senzori sa periodičkim ili frekventnim izlazom..........................................................................7

Optički senzori sa analogno-digitalnom konverzijom..............................................................................7

Karakteristike optičkih senzora...................................................................................................................8

Način gradnje optičkih senzora...................................................................................................................9

Optički izvor kao senzor..........................................................................................................................9

Prijemnici svetlosti kao optički senzori.................................................................................................10

Optičko vlakno kao senzor....................................................................................................................11

Upotreba optičkih senzora.........................................................................................................................12

Zaključak...................................................................................................................................................13

Literatura...........................................................................................................................................15

15

Optički senzori Katarina Jevtić

Literatura

1. “Senzori i merenja’’ Dr. Mladen Popović

2. http://sr.wikipedia.org/sr/Senzor