أنواع الحساسات الضوئية ووظائفها

الحساسات الضوئية

الحسّاسات الضوئية هي أجهزة تُصدر شعاعاً ضوئياً مرئياً أو أشعة تحت الحمراء، وذلك من عنصر انبعاث الضوء المتواجد فيه، وعادةً ما يُستخدم مستشعر كهروضوئي من النوع العاكس للكشف عن شعاع الضوء المُنعكس من الهدف، كما يُستخدم مستشعر من نوع (Thubeam) لقياس التغيّر في كمية الضوء، والذي يحدث بسبب عبور الهدف للمحور البصري، إذ ينبعث شعاع من الضوء من العنصر الباعث للضوء، ثمّ يستقبله عنصر استقبال الضوء، وللحسّاس الضوئي 3 نماذج، وهي كالآتي:

النموذج العاكس

يحتوي هذا النموذج على العناصر الباعثة للضوء وعناصر استقبال الضوء في حجرة واحدة، حيث يستقبل المستشعر الضوء الذي ينعكس من الهدف.

نموذج (Thrubeam)

يحتوي هذا النموذج على جهاز إرسال وجهاز استقبال مفصولين عن بعضهما البعض، وعندما يكون الهدف واقعاً بين المُرسل والمُستقبل فإنّ الضوء ينقطع.

النموذج الانعكاسي

وهذا النموذج يضمّ كلاً من العناصر الباعثة للضوء وعناصر استقبال الضوء في حجرة واحدة، وعندما ينبعث الضوء من العنصر الباعث إلى العاكس، ينعكس ويعود إلى عنصر استقبال الضوء، وعندما يكون الهدف موجوداً فإنّ الضوء ينقطع.

وعليه فإنّ مستشعرات الضوء هي أجهزة كهروضوئية تُحوّل الطاقة الضوئية التي تكون على شكل فوتونات سواءً كانت مرئية أو أشعة تحت الحمراء إلى إشارات كهربائية على شكل إلكترونات، وتُصنّف هذه الأجهزة إلى عدّة أنواع في ما يأتي بعض منها:

• الخلايا الضوئية الباعثة للضوء: هي أجهزة ضوئية تُطلق إلكترونات حرّة من مادة حسّاسة للضوء، وذلك عندما تصطدم بفوتون له طاقة كافية، حيث تعتمد كمية الطاقة التي يمتلكها الفوتون على تردد الضوء، إذ إنّه كلما زاد التردد زادت طاقة الفوتون الذي يُحوّل الطاقة الضوئية إلى كهربائية.
• خلايا التوصيل الضوئي: تعمل من خلال تغيير مقاومتها عند تعرّضها للضوء، وتحدث الناقلية الضوئية من خلال اصطدام الضوء لمادة شبه موصلة تتحكم في تدفّق التيار عندما يمرّ من خلالها، ممّا يعني أنّ مزيداً من الضوء يُنتج مزيداً من التيار عند جهد معيّن، وأكثر المواد الموصلة شيوعًا هي كبريتيد الكادميوم الذي يُستخدم في الخلايا الضوئية من نوع (LDR).
• الخلايا الكهروضوئية: تُولّد هذه الخلايا قوة تتناسب مع طاقة الضوء المُشعّة المُستقبلَة، إذ تسقط الطاقة الضوئية على مادتين من أشباه الموصلات، وينتج عنها جهد 0.5 فولت، وغالباً ما تستخدم مادة السيلينيوم خاصّة في الخلايا الشمسية.
• أجهزة التوصيل الضوئي: وهي أجهزة أشباه موصلات، تستخدم الضوء للتحكّم في تدفّق الإلكترونات عبر الوصلة الخاصّة بها، ومن أمثلتها الصمام الثنائي الضوئي.

يُعدّ المُستشعر الكهروضوئي نوعاً من أنواع المفاتيح، حيث تعتمد في مبدأ عملها على وجود مفاتيح تعمل وتتوقّف اعتماداً على تلقّي الضوء أو عدم تلقيه، وتمتاز هذه المُستشعرات بأنّها تكشف عن وجود كائن أو عدم وجوده بدون اتصال مباشر، كما أّنها لا تحتوي على أجزاء ميكانيكية تتآكل، ويُمكن تركيب هذه المفاتيح على بُعد مسافة كبيرة، ويُشار إلى أنّ هذه المستشعرات تدخل في تطبيقات واسعة في مجال الصناعة.

حساسات الألياف الضوئية

تضمّ أنواع المستشعرات الضوئية مستشعر النقطة، والمُستشعر الموزّع، والمُستشعر الخارجي، والمُستشعر الداخلي، ومستشعر الشعاع، والمستشعر الانعكاسي الناشر ، ومستشعر الانعكاس الرجعي، ويعتمد في مبدأ عمله على مكونَين؛ هما جهاز الإرسال أي المصدر البصري، وجهاز الاستقبال أي الكاشف البصري، وهناك نوعان من هذه الأجهزة تعتمد على مكان تغيير شعاع الضوء بهدف الاستشعار؛ فالمُستشعر البصري الخارجي يُعرف بذلك إن ترك شعاع الضوء كابل الألياف الضوئية قبل أن يستمرّ في مساره، ولكن إن استمرّ في كابل الألياف الضوئية وغُيّر في داخل نفس الكابل فإنّه يُعرف بالمستشعر البصري الداخلي.

يوجد ثلاثة أنواع من أجهزة الاستشعار البصرية بناءً على طريقة الاستشعار البصري ووضع جهاز الإرسال والاستقبال؛ وهذه الأنواع كالآتي:

• مستشعر ضوئي أحادي الاتجاه: وضع المُرسل والمُستقبل في مستشعر الضوء، حيث يُشيران لبعضهما البعض، ويُنشئان مساراً مستقيماً لشعاع الضوء، وعندما يمرّ الجسم بين هذا المسار فإنّ شدّة الضوء تتغيّر ممّا يعني اكتشاف هذا الجسم.
• المُستشعر الانعكاسي: يكون المُرسل والمُستقبل متوازيين، وعندما يمّر الجسم ينعكس على الضوء المُرسل، فيقيس جهاز الاستقبال هذا الانعكاس.
• مُستشعر الانعكاس الرجعي: يُوضع المُرسل والمُستقبل في حجرة واحدة، بحيث يُرسل المرسل شعاعاً ضوئياً ينعكس من خلال العاكس ويستقبله المُستقبل، وإن دخل جسم بين مسار شعاع الضوء فإنّه ينكسر، وبالاعتماد على الاختلاف في شدّة الضوء وبعض العوامل الأخرى يُمكن اكتشاف الجسم.

ومن أهمّ تطبيقات الاستشعارات الضوئية ما يأتي:

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

الحساسات الارتدادية - الأشعة فوق البنفسجية

تقيس هذه المُستشعرات قوة أو شدة الأشعة فوق البنفسجية، ويمتاز هذا النوع بأنّ طوله الموجي أقصر من الأشعة المرئية بالرغم من أنّه أطول من الأشعة السينية، ويُشار إلى أّنها تستقبل نوعاً واحداً من إشارات الطاقة، وتُعتبر الإشارات الخارجة عنها إشارات كهربائية تُوجّه مباشرة لعدّاد كهربائي، ويُمكن تحويل هذه الإشارات إلى مُحوّل تناظري رقمي، ومن ثمّ إلى جهاز كمبيوتر لجمع البيانات وإنشاء التقارير والرسوم البيانية، وتستخدم في عدة مجالات مثل: المُستحضرات الدوائية، والسيارات، والروبوتات، كما تُستخدم أيضاً في الصناعات الكيميائية.

ومن أبرز أنواعها ما يأتي:

• الأنابيب الضوئية للأشعة فوق البنفسجية: وتُستخدم لمراقبة علاجات الهواء بالأشعة فوق البنفسجية، وعلاج الماء بالأشعة ذاتها، والإشعاع الشمسي.
• مستشعرات الضوء: وتُستخدم لقياس شدة الضوء الساقط.
• مستشعرات طيف الأشعة فوق البنفسجية: وهي أجهزة تُستخدم في التصوير العلمي، وقياس طيف الأشعة الذي يحرق جلد الإنسان.

الحساسات العاكسة - الأشعة تحت الحمراء

وهو جهاز إلكتروني يقيس ويكشف الأشعة تحت الحمراء، ولهذه الأجهزة نوعان هما: النشطة والسلبية، وتعمل المستشعرات النشطة من خلال انبعاث الأشعة من أجهزة الاستشعار النشطة وتكتشفها، نظراً لاحتوائها على جزئين هما: الصمام الثنائي الباعث للضوء، وجهاز الاستقبال، فعندما يقترب أي جسم من المُستشعر ينعكس ضوء الأشعة تحت الحمراء من الصمام الثنائي الباعث للضوء ويكتشفه جهاز الاستقبال، وتُستخدم بشكل كبير في أنظمة اكتشاف العوائق مثل الروبوتات، أمّا المستشعرات السلبية فإنّها تكتشف الأشعة ولا تنبعث منها الأشعة من الصمام الثنائي الباعث للضوء.

ومن أهمّ تطبيقاتها الأعمال التي تتطلّب اكتشاف الحركة، مثل: أنظمة الأمان داخل المنزل، وتعمل عندما يدخل جسم متحرك، حيث يُولّد أشعة تحت حمراء في نطاق استشعار الكاشف، فإنّ الجهاز يقيس الفرق في مستويات الأشعة بين العنصرين الكهربائييَن الحرارييَن، ثمّ يُرسل المستشعر إشارةً إلكترونيةً إلى جهاز الكمبيوتر الخاص، والذي يُصدر إنذاراً تحذيرياً.

حساسات الليزر

يمتاز هذا النوع بشدة الإضاءة العالية التي تسمح بإعطاء قياس أو تحديد المواقع بدقة شديدة، كما أنّه سريع القياس، ومن أنواعه: أجهزة استشعار المسافة، أجهزة عرض الليزر، ستائر الضوء الليزرية، حساسات الليزر الكهروضوئية.