إن أجهزة الاستشعار الضوئية هي حجر الزاوية في التشغيل الآلي الصناعي، إذ توفر الكشف غير المتنازع والسريع عن السوائل والمواد الجمردية، وتضع إشارات الضوء على نحو مضلل، وتضع إشارات الضوء على الشاشة، وتحلل انعكاسها، أو انقطاعها، أو استيعابها، وتسمح هذه الحساسيات برصد دقيق لمستويات التعبئة، والوجود، والحدود البصرية.

Understanding Ambient Light Interference

ويحدث تدخل خفيف عندما تكون المصادر الخارجية - مستمرة أو مقلية - مثل جهاز الاستشعار الضوئي، وتنتج صورة غير واضحة من إشارة جهاز الاستشعار نفسه، وتختلف حدة التدخل على عدة عوامل: كثافة الضوء المحيط وتكوينه الطفيف، والتصميم البصري لرأس الاستشعار، وخط التدفق المباشر للضوء، ومتوسط الاضواء الفوقية في النور الصناعي.

وهناك ثلاث آليات رئيسية يعطل من خلالها الضوء المحيط الاستشعار من المستوى البصري:

  1. Saturation of the photodetector — extremely bright ambient light drives the receiver into saturation, making it unable to distinguish the sensor’s modulated signal from background noise.
  2. Photocurrent compensate] - يضيف ضوء المحيط المستمر تحيزاً من العاصمة إلى ناتج جهاز الاستقبال، ويحول عتبة الدافع ويتسبب إما في إيجابيات زائفة (مكتشفة من الناحية المادية عندما لا يوجد أحد) أو سلبيات زائفة (مفقودة مادية).
  3. Modulated interference] — flickering light sources (e.g., 50/60 Hz fluorescent ballasts, PWM-driven LEDs, or welding arcs) can mimic the sensor’s own modulation frequency, alias into the signal band and corrupting demodulation.

فهم هذه الآليات هو الخطوة الأولى نحو اختيار وتنفيذ تقنيات التخفيف التي تحافظ على سلامة القياس.

المصادر المشتركة للضوء

  • - ضوء الشمس (التوجه والنشر) - أقوى التطبيقات في الهواء الطلق مثل مزارع الصهاريج، والمستودعات المفتوحة، وأحزمة النقل تحت أضواء السماء.
  • مصابيح تفريغ عالية الدقة - تستخدم في المستودعات والمرافق ذات الأجر العالي؛ وتنتج ضوءا واسع النطاق بمحتوى كبير من الأشعة تحت الحمراء.
  • الإضاءة الفلورسنتية والتجهيزات المضبوطة - وهي موزعة في الأماكن الصناعية الداخلية؛ ويمكن أن تشتعل هذه الأشعة على تردد خطي (50/60 Hz) أو على نسق أرفع، لا سيما عندما تهشم.
  • وينتج قطع اللحام والبلازما نبضات ضوئية شديدة النطاق ذات نطاق واسع يمكن أن تحجب أجهزة الاستشعار التي تعمل في نطاق واضح أو شبه مباشر.
  • ويمكن أن تؤدي الأسطح المنعكسة - المعادن المكبوتة، أو الطلاء المشرق، أو الزجاج إلى " التركيز " على ضوء مشرق على رأس جهاز الاستشعار، مما يزيد من التدخل حتى عندما لا يكون المصدر الأصلي واضحاً بصورة مباشرة.

أنواع أجهزة الاستشعار من المستوى الضوئي وإمكانية قبولها

وتصنف أجهزة الاستشعار على المستوى الضوئي على نطاق واسع بمبدأ عملها: من خلال الحزم (النقل)، والانتقال (القابلية)، والنشر (القابلية)، وتظهر كل هيكل ضعف مختلف أمام الضوء المحيط، ويسترشد فهم هذه الاختلافات باختيار أجهزة الاستشعار لبيئة محددة.

من خلال الشعاع (المصرح)

وفي تشكيلة من خلال الحزم، يوضع المركب والمتلقي في وحدات منفصلة، ويتواءم مع ذلك بحيث ينتقل الشعاع الخفيف مباشرة من واحد إلى آخر، ويكسر الشعاع، ويتسبب في حدوث حادث اكتشاف، حيث أن جهاز الاستلام يقع في موقع معبر، فإنه معرض لجميع الضوء المحيط الذي يدخل الثغرة، ويمكن أن يكون ذلك مثيرا للمشاكل عندما يتحول ضوء الشمس إلى ملامح مباشرة.

أجهزة الاستشعار الانعكاسية (Reflex)

ويجمع أجهزة الاستشعار الاصطناعية التي تعمل بالترددات الرجعية بين المركب والمتلقي في مسكن واحد، باستخدام جهاز مفكر متحرك مثبت أمام جهاز الاستشعار، حيث أن أجهزة الاستشعار التي تبث الضوء وتُستخدم في المرشّح وتُعاد إلى جهاز الاستلام، وعندما يقطع الجسم المظلم المنضب، يُخفض الضوء المُعاد أو يُغلق، لأن المجسّد هو جهاز استشعار ذو كفاءة عالية (الذرة).

أجهزة الاستشعار (الحماية)

كما أن أجهزة الاستشعار التي تعمل بالهدم تكون مجهزة ومستقبلاً متكاملاً، ولكنها تعتمد على الضوء الذي ينعكس مباشرة على سطح الهدف، ولا تستخدم أجهزة الاستشعار المستقلة، وهي أكثر أجهزة الاستشعار عرضة للتدخل في الضوء الساطع، لأن جهاز الاستقبال يجب أن يكتشف انعكاسات ضعيفة نسبياً من الهدف، كما أن الضوء الملموس يمكن أن يتغلب بسهولة على الإشارة، ويستخدم أجهزة الاستشعار التي تعمل بالأشعة الخلفية الرافعة الرافعة الرافضة (مثلان).

Fiber Optic and Waveguide Sensors

وتستخدم أجهزة الاستشعار البصرية ذات المستوى الفيبري الألياف البصرية لنقل الشعاع الخفيف من طرف صغير ومن طرفه، ولأن أجهزة الاستشعار المحمولة والمستقبل يمكن أن تكون موجودة عن بعد (مثلا داخل خزانة التحكم)، فإن معلومة الاستشعار أصغر ويمكن وضعها في أماكن ضيقة، فالمجسات الضوئية الفيبرية تتمتع عموما بحصانة خفيفة ممتازة، شريطة أن تكون الكابلات الألياف محمية جيدا وأن تكون البيئة المثالية معزولة.

الاستراتيجيات الرامية إلى التقليل إلى الحد الأدنى من التدخل في الضوء المحيط

إن العديد من التقنيات - التي تُستمد من التدابير الميكانيكية البسيطة إلى التصفية الإلكترونية المتطورة - يمكن أن تقلل بشكل كبير من تأثير الضوء المحيطي، ويتوقف النهج الأمثل على نوع الاستشعار، وخصائص الضوء المتقطع، والوقت اللازم للاستجابة.

Modulated Light Sources and Synchronous Detection

أما التقنية الأساسية فيتمثل في تعديل جهاز الاستشعار بتواتر محدد، عادة في نطاق التردد الكهرمائي، ثم استخدام الخفض المتزامن في جهاز الاستقبال، ويستهدف جهاز الاستلام الاستجابة فقط للنبضات الخفيفة التي تضاهي نمط الضبط (الاستعراض النبض، التردد، ودرجة التواتر) وترفض بشكل فعال التدخل المستمر أو غير المنتظم في المعالم.

التصوير الضوئي

وبالإضافة إلى ذلك، فإن أجهزة الاستشعار الضوئية التي توضع أمام أجهزة الاستشعار الضوئية التي تعمل على الموجات الأموية خارج نطاق الانبعاث الضيقة للمصدر، وعلى سبيل المثال، تستخدم أجهزة الاستشعار ذات الترددات الحمراء جهازاً مضاهاة للثدييات (مثلاً 850 نانو متراً أو 940 نانو متراً) لا تنقل سوى الضوء القريب من الأرض بينما تقطع أشواطؤها الظاهرية التي تقلل فيها الموجات المفاجئة.

الشحن والإغلاق

فالحواجز المادية والضغوط المتخصصة يمكن أن تمنع الضوء الضئيل من الوصول إلى جهاز استقبال أجهزة الاستشعار، كما أن الأغطية البسيطة أو الأنابيب أو البكلاء المثبتة حول غطاء النافذة المغلقة، أما بالنسبة للتطبيقات الخارجية، فإن أي سكن مقاوم للطقس مع بقع مثبتة يمكن أن يزيل ضوء الشمس مباشرة على العدسة، وفي بيئات الغبار أو الضباب، فإن نظاما للمسح الجوي يمنع أيضا من النور.

تحديد مواقع أجهزة الاستشعار والارتطام بها

أما وضع أجهزة الاستشعار الدقيق بالنسبة للمصادر الخفيفة المرنة فهو تخفيف منخفض التكلفة ولكنه شديد القوة، حيث يمكن تجنب توجيه جهاز الاستشعار مباشرة نحو النوافذ أو الأضواء الساطحة أو الأبواب المفتوحة، وإذا كان ذلك غير قابل للإبطال، فإن تركيب جهاز للفحص المزود بالأجهزة فوق السطحية أو التصوير بالضوء، وعند الصهاريج الخارجية، أو توجيه جهاز الاستشعار بحيث تكون محوره الافتراضي متسمّق إلى حد بعيد.

تعديل الحداد الديناميكي ومكافحة الغنائم

ويضم جهاز الاستشعار البصري الحديث دوائر إلكترونية تقوم باستمرار برصد مستوى الضوء المحيط وتعديل عتبة الكشف أو كسب أجهزة الاستلام في الوقت الحقيقي، وعلى سبيل المثال، يمكن للمستشعر أن يقيس جهاز التصوير الأساسي أثناء فترة " الدار " من دورة العزل )عندما تكون المرارة متوقفة( ويخفض هذه القيمة من الإشارة المقيسة خلال فترة الكشف " مباشرة " .

التكنولوجيات المتقدمة للاستشعار من المستوى الآلي

ونظراً إلى أن التشغيل الآلي الصناعي يتطلب مزيداً من الموثوقية وسرعة الاستجابة، فإن صناعات أجهزة الاستشعار تدمج تجهيزات الإشارات الرقمية المتقدمة وأغورام التعلم الآلاتي لزيادة الحد من تأثير الضوء المحيط.

تجهيز الإشارات الرقمية والتصويب

وبدلا من الكشف عن الكمائن البسيطة، تقوم أجهزة الاستشعار القائمة على أساس نظام المعلومات الإدارية برقمنة جهاز الاستلام وتطبيق خوارزميات التقارب التي تقارن الموجة الواردة مع نموذج مخزن لتسلسل التعبئة المرسل، ويحدّد هذا النهج، المعروف باسم " التصفية المجهزة " ، نسبة الإشارات إلى الأنابيب ويمكنه أن يستخرج إشارة ضعيفة مدفونة في ضوضاء شديدة الارتداد.

مجسّدات لدار فور

وتقيس أجهزة الاستشعار في وقت الرحلة وقت المسافات المستديرة لنبض قصير لتحديد المسافة، لأنها تستخدم نبضات ضيقة جداً (الثانيات) ذات قوة ذروة عالية، وتقيس الوقت بدلاً من السعة، فإن أجهزة الاستشعار الضوئية تكون في جوهرها محصنة لقياس الضوء الفاتح فقط " النهب " بالنسبة لجهاز الاستشعار عن بعد خلال نافذة زمنية قصيرة جداً (قليل من الثانية).

Intelligent Event-Triggered Algorithms

ويظهر بعض أجهزة الاستشعار الصناعية الآن معلومات استخبارية عند الحافة: فهي تعلم النمط المتوقع للضوء المحيط بمرور الوقت )مثلا بسبب الدورات النهارية/الليلية أو الجداول الزمنية للآلات( وتتحول تلقائيا بين مختلف أساليب الكشف، مثلا، خلال ساعات النهار عندما يستحدث ضوء السماء ضوضاء، قد يزيد جهاز الاستشعار من عمقه أو يتحول إلى تردد أعلى.

دراسات الحالات الإفرادية

خزانات تخزين المواد الكيميائية مع التعرض المباشر للضوء الشمسي

وبالإضافة إلى ذلك، فإن خزانات التخزين الخارجية للأحماض والمذيبات تحتاج إلى اكتشاف عالي الدقة لنظم الوصل بين الوصلات الآمنة، وقد واجه المرفق أشعة الشمس الشديدة )حتى ٠٠٠ ٩٠ لتر في الجانب الجنوبي من الدبابات( وظل السحب المتكررة التي أحدثت تغيرات سريعة في ضوء الترددات المتحركة.

خط القوارب تحت الإضاءة العالية الكثافة

كما أن خط التعبئة باستخدام أجهزة الاستشعار الضوئية ذات النطاق الترددي (Nelluse) للكشف عن وجود قناني PET قبل ملء المرفق قد أُشعل بواسطة مصباح صوديوم مرتفع الضغط (الضوء الخافت) الذي أحدث 60 جهازاً للتشغيل المزود بالأجهزة الاستنشاقية، وكانت أجهزة الاستشعار الموجودة تستخدم جهاز كشف أساسي للأجهزة المزودة بأجهزة الاستنشاق بالأجهزة الضوئية ذات الترددات العالية التردد (99)

خاتمة

ولا يزال التدخل الضوئي في الهواء من أكثر المسائل شيوعاً وتحدياً في نشر أجهزة الاستشعار البصرية عبر التطبيقات الصناعية، فاختيار أجهزة الاستشعار الصحيحة، من خلال الأشعة العكسية، أو الارتداد بالأشعة العكسية، أو الارتداد بالأجهزة الكهربائية، أو الارتداد بالأجهزة الضوئية، أو حتى في ضوء المعالم، يمكن أن يزيل المقاييس الضوئية ويضمن تطويراً قوياً.