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光学传感器是做什么的?

2022-10-18 10:15| 发布者: 光执事| 查看: 449| 评论: 0

摘要: 光学传感器检测和测量光强度,将光线转化为电信号。传感器连接到对光线变化敏感的电子触发器。光学传感器应用在很多设备中,包括计算机和运动探测器。本文将会讨论已有的光学探测器的类型及其应用。

光学传感器检测和测量光强度,将光线转化为电信号。传感器连接到对光线变化敏感的电子触发器。光学传感器应用在很多设备中,包括计算机和运动探测器。本文将会讨论已有的光学探测器的类型及其应用。



光学传感器的分类

传感器的主要原理是光的传输和接收。光线被目标物体反射或者中断的光由若干类型的光学设备根据材料类型进行评估,例如:木材,金属,塑料,透明或者彩色产品。


光学传感器使用不同类型的光源,这些光源必须是单色的,持久和紧凑的。两种常见的光源是LEDs和Laser。


光学传感器置于设备外或者设备内。置于外部的光学传感器也被称为外部传感器,用于收集和传输一定量的光。相反,置于内部或者内部传感器通常用于测量弯曲和与光的方向相关的其他变化。


根据应用的不同,采用不同类型的光学传感器。例如,光敏设备中,光学传感器通过将入射光变化转化为电阻的变化来测量电阻。


在太阳能电池中传感器将入射光转化为输出电压。光电二极管将入射光转化为输出电流。光电晶体管是一种双极型晶体管,其功能类似于光电二极管但又内部增益。


光束透射型传感器

在光束透射型传感器中,两个称为发射器和接收器的两个组件被放置在彼此对面。光的中断被接收器解释为开关信号。


这种传感器覆盖相当大的工作距离并且可以独立探测物体的表面,结构和颜色。


背向反射型传感器

在背向反射型传感器中,发射器和接收器被放置在同一系统中。类似于光束透射型传感器,背向反射型传感器也通过开关操作启动并且覆盖很大的工作距离。所有中断光束的物体都可以被这种探测器独立且精确地探测到。


漫反射型传感器

在漫反射型传感器中接收器和发射器被安置在同一系统中。这种传感器可以探测物体的反射光。


光学传感器最新进展

光学传感器被应用在各种设备中,包括计算机和复印机。他们在灯具中使用,用于在黑暗中自动开灯。


光学传感器也使用在警报系统和摄影闪光灯中。下面讨论光学传感器最近的一些应用。


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生物医学和医疗保健应用

光电容积描记法(Photoplethysmography):心率检测


光学传感器如今已经广泛应用于生物医学领域,包括使用光进行光学心率检测的发展。这种设备,通过LED聚焦于皮肤,然后光学传感器分析反射光。当血液吸收更多的光,光强波动就可以转化为心率。这个过程也被称之为光电容积描记法。


非接触式洗手液分配器

新冠病毒(COVID-19)的流行创造了前所未有的非接触式传感器的需求。在这方面,光学传感器的常见应用就包括应用于医疗保健设施的非接触式洗手液分配器。


呼吸分析

呼吸分析可以通过使用可调谐的激光二极管实现。


人血清中生物标记物的探测和量化

血清是蛋白组织学分析的关键,因为它携带有整体健康状态的关键标记。然而,由于血清中的动态浓度使得检测一些诊断性的生物标志物(尤其是低分子量的多肽因子(low-molecular-weight LMW)和循环蛋白质组(circulatory))极具挑战。


最近提出了一种提高低分子量氨基酸检测的新策略。该方法结合中红外和近红外光谱数据来检测复杂血清矩阵中的低分子化合物。


农业应用


图片来源:Hryshchyshen Serhii/Shutterstock.com


光学传感器使得在农产品现场检测农药残留称为可能。光学传感技术的最新进展包括:靶向反应水凝胶,荧光传感器,管酶联免疫吸附试验,酶光纤生物传感器,横向流动免疫分析法,基于可穿戴手套的传感器,双信号荧光策略以及纸基传感器,这些技术使现场检测食品中的农药残留成为可能。


环境应用

土壤中的镉等重金属的污染极大影响食品安全和人类健康。


尽管基于荧光光谱法(XRF)的微电子传感器频繁使用在土壤重金属探测中,但其精度和灵敏度收到质疑。


一种高探测效率的光二极管(HDEPD)被开发出来,大大提高了分析仪的准确度。


工业和商业应用

光学传感器用于检测工程设施中的液位。例如,光学传感器可以检测碳氢化合物精炼厂和储罐中的石油含量。环境光传感系统使用在了只能手机设备中,增加了电池寿命。此外,通过光学传感器可以依据环境中光量实现最佳屏幕亮度。


光学工业的未来

通过分析光学传感器需求增长,估计从2022年到2032年复合年增长率(CAGR)的总体增长约为9.5%


随着自动灯、位置传感器、智能手机和光电传感器的发现,光学传感器受到了广泛关注,特别是在电子工业中。


由于用于关键生物医学分析的各种光学传感器可以以低成本开发,该行业的未来看起来很有前景。生物识别市场的显著增长,与航空航天、国防和智能家居开发光纤传感器的部署有关,引发了光学传感器的销售。


参考和扩展阅读

Gu, H. and Wang, L. (2022) A High-Detection-Efficiency Optoelectronic Device for Trace Cadmium Detection. Sensors, 22(15), pp.5630. https://doi.org/10.3390/s22155630


Veettil, T.C.P. and Wood, B.R. (2022) A Combined Near-Infrared and Mid-Infrared Spectroscopic Approach for the Detection and Quantification of Glycine in Human Serum. Sensors, 22(12), pp.4528. https://doi.org/10.3390/s22124528

Umapati, R. et al. (2022) Advances in optical-sensing strategies for the on-site detection 

of pesticides in agricultural foods. Trends in Food Science and Technology, 119, pp. 69-89. https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.11.018

Saha, S. Optical Sensor Market. (2022) [Online] Available at: https://www.futuremarketinsights.com/reports/optical-sensor-market

Pirzada, M. and Altintas, Z. (2020) Recent Progress in Optical Sensors for Biomedical Diagnostics. Micromachines, 11(4), pp. 356. https://doi.org/10.3390/mi11040356

Regtien, P and Dertien, E. (2018) Optical sensors. Sensors for Mechatronics, pp. 183-243. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-813810-6.00007-0

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