الحساسات الضوئية

الحساسات الضوئية هي أجهزة متطورة تعمل على إصدار شعاع ضوئي مرئي أو أشعة تحت الحمراء، حيث تتكون من عنصر emitting light. تُستخدم عادةً مستشعرات كهروضوئية من النوع العاكس للكشف عن الشعاع الضوئي المُنعكس عن الأهداف، بينما تُستخدم المستشعرات من نوع (Thrubeam) لقياس التغيرات في كمية الضوء الناتجة عن مرور الأجسام خلال المسار البصري. يتم إصدار شعاع من الضوء من العنصر الباعث، ويقوم عنصر استقبال الضوء باستقباله. تمتاز الحساسات الضوئية بوجود ثلاثة نماذج رئيسية، وهم كما يلي:

النموذج العاكس

يحتوي هذا النموذج على عناصر بواعث للضوء وعناصر استقبال في حجرة واحدة، حيث يعمل المستشعر على استقبال الضوء المُنعكس من الهدف، مما يُسهل عملية الكشف.

نموذج (Thrubeam)

يتضمن هذا النموذج جهاز إرسال وجهاز استقبال مفصولين عن بعضهما البعض. في حالة تواجد الهدف بين المُرسل والمُستقبل، يتم قطع الشعاع الضوئي، مما يُشير إلى وجود الهدف.

النموذج الانعكاسي

في هذا النموذج، يتواجد كل من عناصر الباعثة للضوء وعناصر استقبال الضوء في حجرة واحدة. عندما يتم إرسال الضوء من عنصر الباعث، ينعكس نحو عنصر الاستقبال، وحين يمر جسم ما خلال شعاع الضوء، يحدث انقطاع في الإشارة.

بالتالي، تُعد الحساسات الضوئية أجهزة كهروضوئية تقوم بتحويل الطاقة الضوئية، سواءً كانت مرئية أو تحت الحمراء، إلى إشارات كهربائية على شكل إلكترونات. تُصنّف هذه الأجهزة إلى عدة أنواع كما يلي:

• الخلايا الضوئية الباعثة للضوء: هي أجهزة تُطلِق إلكترونات حرة من مواد حساسة للضوء عند تصادمها بفوتونات ذات طاقة كافية، ويعتمد مقدار الطاقة على تردد الضوء، حيث يزداد طاقة الفوتون مع زيادة التردد.
• خلايا التوصيل الضوئي: تغير مقاومتها عند تعرضها للضوء، وتحدث الناقلية الضوئية من خلال تفاعل الضوء مع مادة شبه موصلة مثل كبريتيد الكادميوم المستخدم في الخلايا الضوئية من نوع (LDR).
• الخلايا الكهروضوئية: تولِّد هذه الخلايا جهدًا يتناسب مع طاقة الضوء المُستقبل، وعادةً ما تُستخدم مادة السيلينيوم في الخلايا الشمسية، وتنتج جهدًا يبلغ 0.5 فولت.
• أجهزة التوصيل الضوئي: تُستخدم الضوؤ للتحكم في تدفق الإلكترونات عبر الوصلة الخاصة بها، ومن بين الأمثلة صمامات ثنائية ضوئية.

المستشعر الكهروضوئي يُعتبر نوعاً من أنواع المفاتيح، حيث يعتمد على مبدأ التشغيل الذي يستند إلى وجود مفاتيح تعمل أو تتوقف بناءً على تلقي الضوء. من مزايا هذه المستشعرات أنها تستطيع الكشف عن وجود الأجسام دون الحاجة لتلامس مباشر، إضافةً إلى عدم وجود أجزاء ميكانيكية متآكلة. يمكن تركيبها على مسافات بعيدة، مما يجعلها مناسبة لتطبيقات صناعية متنوعة.

حساسات الألياف الضوئية

تتضمن أنواع المستشعرات الضوئية المستشعر النقطة، المستشعر الموزع، المستشعر الخارجي، المستشعر الداخلي، ومستشعر الأشعة. تعتمد هذه المستشعرات على مكونين رئيسيين: جهاز الإرسال (المصدر البصري) وجهاز الاستقبال (الكاشف البصري). هناك نوعان: المستشعر البصري الخارجي يُعد كذلك إذا تم خروج شعاع الضوء من كابل الألياف الضوئية دون مواصلة المسار، بينما يعرف المستشعر البصري الداخلي إذا استمر الشعاع ضمن نفس الكابل.

توجد ثلاثة أنواع من أجهزة الاستشعار الضوئية بناءً على طريقة الكشف البصري ومكان جهاز الإرسال والاستقبال:

• مستشعر ضوئي أحادي الاتجاه: يتم وضع المُرسل والمُستقبل بحيث يشيران لبعضهما البعض، وينشئان مسارًا مستقيمًا لشعاع الضوء، وعند مرور جسم بين هذه النقطة، تتغير شدة الضوء مما يشير إلى وجود الجسم.
• المستشعر الانعكاسي: يكون المُرسل والمُستقبل متوازيين، وعند مرور جسم ما، يُنعكس الضوء المُرسل ويقوم جهاز الاستقبال بقياس الانعكاس.
• مستشعر الانعكاس الرجعي: يتم وضع المُرسل والمُستقبل في حجرة واحدة، بحيث يُرسل المُرسل شعاعًا ضوئيًا ينعكس إلى المُستقبل، وعند دخول جسم بين مسار الضوء، ينكسر الشعاع ويُمكن اكتشافه من خلال تتبع تغير شدة الضو.

تشمل أبرز تطبيقات الاستشعارات الضوئية ما يلي:

• الأقمار الصناعية.
• التصوير.
• المعدات الطبية.
• مراقبة الجودة وتطبيقات العمليات.

الحساسات الارتدادية – الأشعة فوق البنفسجية

تقيس هذه الحساسات شدة الأشعة فوق البنفسجية، وتمتاز بموجاتها القصيرة مقارنة بالأشعة المرئية، رغم كونها أطول من الأشعة السينية. تستقبل هذه الحساسات نوعًا واحدًا من إشارات الطاقة، وتحول الإشارات الناتجة عنها إلى إشارات كهربائية تُوجه إلى عداد كهربائي، ويمكن تحويل هذه الإشارات إلى مُحوِّل تناظري رقمي ثم إلى جهاز كمبيوتر لجمع البيانات وإعداد التقارير والرسوم البيانية. تُستخدم في مجالات متعددة مثل الصناعات الدوائية والسيارات والروبوتات والصناعات الكيميائية.

من أبرز أنواعها:

• الأنابيب الضوئية للأشعة فوق البنفسجية التي تُستخدم في مراقبة معالجة الهواء والماء.
• مستشعرات الضوء التي تقيس شدة الإضاءة الساقطة.
• مستشعرات طيف الأشعة فوق البنفسجية التي تُستخدم لقياس الطيف الذي يمكن أن يضر جلد الإنسان.

الحساسات العاكسة – الأشعة تحت الحمراء

هذه الأجهزة الإلكترونية تقوم بقياس والكشف عن الأشعة تحت الحمراء، وتنقسم إلى نوعين: النشطة والسلبية. تعمل المستشعرات النشطة عبر انبعاث الأشعة واكتشافها، حيث تحتوي على مكونات مثل الصمام الثنائي الباعث للضوء وجهاز الاستقبال. عند اقتراب جسم من المستشعر، ينعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء ليقوم جهاز الاستقبال بالتحكم فيه. بينما المستشعرات السلبية تمتاز بكونها قادرة على اكتشاف الأشعة دون emitir الأشعة من الصمام الثنائي.

تتمثل أهم تطبيقاتها في الأنظمة التي تتطلب الكشف عن الحركة، مثل أنظمة الأمان المنزلية. حيث تعمل تلك المستشعرات عندما يدخل جسم متحرك ضمن نطاقها، ومن خلال قياس الفرق في مستويات الإشعاع، ترسل المستشعرات إشارةً إلى الكمبيوتر، مما يُنتج إنذارًا تحذيريًا.

حساسات الليزر

يمتاز هذا النوع بشدة الإضاءة العالية التي تتيح قياس أو تحديد المواقع بدقة متناهية، كما تتميز بسرعة قياسها. تشمل أنواعها: أجهزة استشعار المسافة، أجهزة عرض الليزر، ستائر الضوء الليزرية، والحساسات الكهروضوئية بالليزر.