الحساسات الضوئية
تعتبر الحساسات الضوئية أجهزة متخصصة في إصدار شعاع ضوئي مرئي أو أشعة تحت الحمراء، من خلال مكون ضوئي يتواجد داخلها. وتُستخدم عادةً الحساسات الكهروضوئية من النوع العاكس للكشف عن الأشعة الضوئية المنعكسة من الأهداف، بينما تُستعمل الحساسات من نوع (Thubeam) لقياس التغييرات في كمية الضوء نتيجة عبور الهدف للحزمة الضوئية. ينبعث شعاع ضوئي من المصدر الضوئي، ومن ثم يتم استقباله بواسطة عنصر استقبال الضوء. وتأتي الحساسات الضوئية في ثلاثة نماذج رئيسية، وهي:
النموذج العاكس
يمتاز هذا النموذج بوجود عنصرين؛ الباعث للضوء والعنصر المستقبِل في وحدة واحدة، حيث يقوم الحساس باستقبال الضوء المنعكس عن الهدف.
نموذج (Thrubeam)
يتضمن هذا النموذج جهاز إرسال وجهاز استقبال مفصولين، وعندما يتواجد الهدف بينهما، ينقطع الشعاع الضوئي.
النموذج الانعكاسي
في هذا النموذج، يجمع الحساس بين العناصر الباعثة والمستقبلة للضوء في وحدة واحدة، حيث ينبعث الشعاع من العنصر الباعث إلى العاكس قبل أن يتم استقباله مجددًا. وفي حال وجود الهدف، سينقطع الشعاع.
تعتبر الحساسات الضوئية أجهزة كهروضوئية تقوم بتحويل الطاقة الضوئية، سواء كانت ضمن الطيف المرئي أو الأشعة تحت الحمراء، إلى إشارات كهربائية تتمثل في الإلكترونات. وتنقسم هذه الأجهزة إلى عدة أنواع، منها:
- الخلايا الضوئية الباعثة: هي أجهزة تقوم بإطلاق إلكترونات حرة من مادة شديدة الحساسية للضوء عند تعرضها للفوتونات ذات الطاقة الكافية. وتعتمد كمية الطاقة الناتجة على تردد الضوء؛ فعندما يرتفع التردد، تزداد طاقة الفوتون، مما يحول الطاقة الضوئية إلى كهربائية.
- خلايا التوصيل الضوئي: تعمل عن طريق تغيير مقاومتها عندما تتعرض للضوء. يحدث هذا التغير من خلال اصطدام الضوء بمادة شبه موصلة تتحكم في تيار التدفق، مما يعني أن المزيد من الضوء ينتج المزيد من التيار عند مستوى جهد معين.
- الخلايا الكهروضوئية: تقوم بتوليد فولتية تعتمد على طاقة الضوء الساقط، حيث تسقط الطاقة الضوئية على مادتين شبه موصلتين، مما ينتج عنه جهد يعادل 0.5 فولت. وتُستخدم مادة السيلينيوم بشكل شائع، لاسيما في الخلايا الشمسية.
- أجهزة التوصيل الضوئي: هي أجهزة تعتمد على المواد شبه الموصلة للتحكم في تدفق الإلكترونات من خلال الوصلات الخاصة بها، ومن أمثلتها الصمامات الثنائية الضوئية.
تُعد الحساسات الكهروضوئية نوعاً من المفاتيح، إذ تعتمد في عملها على وجود مفاتيح تتفاعل وفقاً لاستقبال الضوء أو عدمه. وتتميز هذه الحساسات بقدرتها على كشف وجود كائن أو عدمه دون الحاجة لتواصل مباشر، كما أنها خالية من الأجزاء الميكانيكية المعرضة للتآكل، ويُمكن تركيبها على مسافات واسعة. تبرز أهمية هذه المستشعرات في تطبيقات صناعية متنوعة.
حساسات الألياف الضوئية
تتضمن أنواع الحساسات الضوئية مستشعر النقطة، والمستشعر الموزع، والمستشعر الخارجي والداخلي، بالإضافة إلى مستشعر الشعاع والمستشعر الانعكاسي الناشر والانكساري. تعتمد هذه الحساسات في عملها على مكونين: جهاز إرسال، وهو المصدر البصري، وجهاز استقبال، أي الكاشف البصري. هنالك نوعان من هذه الأجهزة؛ فالمستشعر الخارجي يُعرف بما يحدث خارج كابل الألياف الضوئية، بينما يُعتبر الداخلياً إذا كانت التغييرات تتم داخل نفس الكابل.
توجد ثلاثة أنواع من أجهزة الاستشعار البصرية بناءً على طريقة الاستشعار وموقع أجهزة الإرسال والاستقبال:
- المستشعر الضوئي أحادي الاتجاه: حيث يُوضع المُرسل والمُستقبل بشكل متقابل، مما ينشئ مساراً مستقيمًا للشعاع الضوئي. يستنتج وجود الجسم عندما يمر بين الخطين ويؤدي إلى تغيير شدة الضوء.
- المستشعر الانعكاسي: تتواجد فيه المُرسل والمُستقبل في وضع متوازي، وعندما يمر جسم ما، ينعكس عليه الضوء المُرسل، الذي يقيسه جهاز الاستقبال.
- مستشعر الانعكاس الرجعي: يحتوي على المُرسل والمُستقبل في وحدة واحدة، حيث يُرسل المُرسل شعاعاً ضوئياً ينعكس عن العاكس ويستقبله المتلقي. عند دخول جسم بين مسار الشعاع، يحدث انكسار، مما يمكّن من اكتشاف الجسم اعتمادًا على اختلاف شدة الضوء.
من أبرز تطبيقات الحساسات الضوئية:
- الأقمار الصناعية.
- التصوير.
- الأدوات الطبية.
- مراقبة الجودة والعمليات.
الحساسات الارتدادية – الأشعة فوق البنفسجية
هذه المستشعرات تقيس قوة أو شدة الأشعة فوق البنفسجية، حيث يتميز هذا النوع بطول موجي أقصر من الأشعة المرئية، ولكنه أطول من الأشعة السينية. تعتمد هذه الأجهزة على استقبال نوع واحد من إشارات الطاقة، وتعتبر الإشارات الناتجة عنها إشارات كهربائية تُوجه مباشرة إلى عداد كهربائي، ويمكن تحويلها إلى محول تناظري رقمي، ثم إلى جهاز كمبيوتر لجمع البيانات وإنتاج التقارير والرسوم البيانية. تُستخدم في مجالات عدة، مثل المستحضرات الدوائية، والسيارات، والروبوتات، وكذلك في الصناعات الكيميائية.
تشمل الأنواع البارزة من هذه الحساسات:
- الأنابيب الضوئية للأشعة فوق البنفسجية: تُستخدم لمراقبة علاجات الهواء والماء بالأشعة فوق البنفسجية، وكذلك الإشعاع الشمسي.
- مستشعرات الضوء: تقيس شدة الضوء الساقط.
- مستشعرات الطيف فوق البنفسجي: تُستخدم في التصوير العلمي وقياس الطيف الذي قد يسبب حروق جلدية.
الحساسات العاكسة – الأشعة تحت الحمراء
هي أجهزة إلكترونية متخصصة في قياس واكتشاف الأشعة تحت الحمراء، وتنقسم إلى نوعين: النشطة والسلبية. تعمل الحساسات النشطة عبر انبعاث الشعاع من أجهزة الاستشعار واكتشافه، حيث تحتوي على جزئين هما الصمام الثنائي الباعث للضوء وجهاز الاستقبال. عند اقتراب جسم ما من المستشعر، ينعكس شعاع الأشعة تحت الحمراء من الصمام الثنائي إلى جهاز الاستقبال، مما يجعلها مناسبة لاستخدامها في أنظمة اكتشاف العوائق كالروبوتات. أما المستشعرات السلبية، فهي تتسم بقدرتها على اكتشاف الأشعة دون إصدار أي شعاع.
تُعتبر تطبيقات هذه الحساسات حيوية في المجالات التي تتطلب الكشف عن الحركة، مثل أنظمة الأمان المنزلية، حيث تعمل عندما يدخل جسم متحرك ضمن نطاق استشعار الكاشف، مما يُولد أشعة تحت الحمراء. يقيس الجهاز الفرق في مستويات الأشعة بين العناصر الكهربائية الحرارية، ويرسل إشارة إلكترونية لجهاز الكمبيوتر الذي يُصدر إنذارًا تحذيريًا.
حساسات الليزر
تتميز هذه الأجهزة بشدة إضاءة عالية تمكنها من قياس أو تحديد المواقع بدقة كبيرة، كما أنها سريعة في عملية القياس. تشمل أنواعها: أجهزة استشعار المسافة، وأجهزة عرض الليزر، والستائر الضوئية الليزرية، والحساسات الكهروضوئية الليزرية.
