تقنية الكشف الكهروضوئي - الجزء الثاني

مقدمة عن تقنية الاختبار الكهروضوئي
تُعدّ تقنية الكشف الكهروضوئي إحدى التقنيات الرئيسية في مجال تكنولوجيا المعلومات الكهروضوئية، وتشمل بشكل أساسي تقنية التحويل الكهروضوئي، وتقنية اكتساب المعلومات الضوئية وقياسها، وتقنية معالجة المعلومات المقاسة كهروضوئياً. وتُستخدم هذه التقنية في العديد من تطبيقات القياس الفيزيائي، مثل القياس في ظروف الإضاءة المنخفضة، والقياس بالأشعة تحت الحمراء، والمسح الضوئي، وتتبع الضوء، والقياس بالليزر، والقياس بالألياف الضوئية، وقياس الصور.

تجمع تقنية الكشف الكهروضوئي بين التكنولوجيا البصرية والتكنولوجيا الإلكترونية لقياس كميات مختلفة، وتتميز بالخصائص التالية:
1. دقة عالية. تتميز القياسات الكهروضوئية بأعلى دقة بين جميع تقنيات القياس. فعلى سبيل المثال، تصل دقة قياس الطول باستخدام التداخل الليزري إلى 0.05 ميكرومتر/متر؛ ويمكن قياس الزاوية باستخدام طريقة أهداب موير المحززة. كما تصل دقة قياس المسافة بين الأرض والقمر باستخدام طريقة تحديد المدى بالليزر إلى متر واحد.
2. السرعة العالية. يعتمد القياس الكهروضوئي على الضوء كوسيط، والضوء هو أسرع المواد انتشارًا، وهو بلا شك الأسرع في الحصول على المعلومات ونقلها بالطرق البصرية.
3. مسافة طويلة، مدى واسع. يُعد الضوء الوسيلة الأنسب للتحكم عن بعد والقياس عن بُعد، مثل توجيه الأسلحة، والتتبع الكهروضوئي، والقياس عن بُعد عبر التلفزيون، وما إلى ذلك.
4. القياس بدون تلامس. يمكن اعتبار الضوء المسلط على الجسم المراد قياسه بمثابة قوة قياس معدومة، وبالتالي لا يوجد احتكاك، ويمكن تحقيق القياس الديناميكي، وهو الأكثر كفاءة من بين طرق القياس المختلفة.
5. عمر طويل. من الناحية النظرية، لا تتلف الموجات الضوئية أبدًا، طالما تم تحقيق قابلية التكرار بشكل جيد، فيمكن استخدامها إلى الأبد.
٦- بفضل قدرات معالجة المعلومات والحوسبة القوية، يمكن معالجة المعلومات المعقدة بالتوازي. كما أن طريقة المعالجة الكهروضوئية سهلة التحكم وتخزين المعلومات، وسهلة التنفيذ الآلي، وسهلة الاتصال بالحاسوب، وسهلة التطبيق.
تُعد تقنية الاختبار الكهروضوئي تقنية جديدة لا غنى عنها في العلوم الحديثة والتحديث الوطني وحياة الناس، وهي تقنية جديدة تجمع بين الآلة والضوء والكهرباء والحاسوب، وتُعد واحدة من أكثر تقنيات المعلومات الواعدة.
ثالثًا، تكوين وخصائص نظام الكشف الكهروضوئي
نظراً لتعقيد وتنوع الأجسام المختبرة، فإن بنية نظام الكشف تختلف. يتكون نظام الكشف الإلكتروني العام من ثلاثة أجزاء: المستشعر، ومُكيّف الإشارة، ووصلة الإخراج.
يُعدّ المستشعر محوّلاً للإشارات عند نقطة التقاء الجسم المراد فحصه ونظام الكشف. فهو يستخلص المعلومات المقاسة مباشرةً من الجسم، ويستشعر تغيراته، ويحوّلها إلى معايير كهربائية يسهل قياسها.
الإشارات التي ترصدها أجهزة الاستشعار هي إشارات كهربائية في الغالب. ولا يمكنها تلبية متطلبات الإخراج مباشرةً، بل تحتاج إلى مزيد من التحويل والمعالجة والتحليل، أي من خلال دائرة تكييف الإشارة لتحويلها إلى إشارة كهربائية قياسية، ثم إخراجها إلى وصلة الإخراج.
وفقًا لغرض وشكل مخرجات نظام الكشف، فإن وصلة الإخراج هي بشكل أساسي جهاز العرض والتسجيل، وواجهة اتصال البيانات، وجهاز التحكم.
تُحدد دائرة معالجة الإشارة الخاصة بالمستشعر بنوع المستشعر ومتطلبات إشارة الخرج. تختلف إشارات الخرج باختلاف المستشعرات. يُمثل خرج مستشعر التحكم في الطاقة تغيرًا في المعاملات الكهربائية، والذي يتطلب تحويله إلى تغير في الجهد بواسطة دائرة جسرية. تكون إشارة الجهد الخارجة من الدائرة الجسرية صغيرة، بينما يكون جهد الوضع المشترك كبيرًا، مما يستدعي تضخيمه بواسطة مضخم قياس. تحتوي إشارات الجهد والتيار الخارجة من مستشعر تحويل الطاقة عادةً على إشارات ضوضاء كبيرة. لذا، يلزم وجود دائرة ترشيح لاستخلاص الإشارات المفيدة وتصفية إشارات الضوضاء غير المفيدة. علاوة على ذلك، يكون سعة إشارة الجهد الخارجة من مستشعر الطاقة العام منخفضة جدًا، ويمكن تضخيمها بواسطة مضخم قياس.
بالمقارنة مع النظام الإلكتروني، يزداد تردد النظام الكهروضوئي عدة مراتب. هذا التغيير في التردد يُحدث نقلة نوعية في طريقة التنفيذ، ويرفع من كفاءة النظام الكهروضوئي بشكل ملحوظ. ويتجلى ذلك بشكل أساسي في زيادة سعة الإشارة، وتحسين الدقة الزاوية، ودقة المدى، والدقة الطيفية، مما يجعله واسع الاستخدام في مجالات القنوات، والرادار، والاتصالات، والتوجيه الدقيق، والملاحة، والقياس، وغيرها. ورغم اختلاف أشكال النظام الكهروضوئي المستخدمة في هذه التطبيقات، إلا أنها تشترك في خاصية أساسية، وهي وجود وصلة بين جهاز الإرسال، والقناة الضوئية، وجهاز الاستقبال الضوئي.
تُقسم الأنظمة الكهروضوئية عادةً إلى فئتين: نشطة وسلبية. في النظام الكهروضوئي النشط، يتكون جهاز الإرسال الضوئي بشكل أساسي من مصدر ضوئي (مثل الليزر) ومُعدِّل. أما في النظام الكهروضوئي السلبي، فيُصدر جهاز الإرسال الضوئي إشعاعًا حراريًا من الجسم المراد اختباره. وتتشابه القنوات الضوئية والمستقبلات الضوئية في كلا النظامين. وتشير القناة الضوئية بشكل رئيسي إلى الغلاف الجوي والفضاء وتحت الماء والألياف الضوئية. ويُستخدم المستقبل الضوئي لجمع الإشارة الضوئية الساقطة ومعالجتها لاستعادة معلومات الموجة الحاملة الضوئية، ويتضمن ثلاث وحدات أساسية.
تُجرى عملية التحويل الكهروضوئي عادةً باستخدام مجموعة متنوعة من المكونات والأنظمة البصرية، كالمرايا المستوية، والشقوق البصرية، والعدسات، والموشورات المخروطية، والمستقطبات، وألواح الموجات، وألواح التشفير، والمحززات، والمعدلات، وأنظمة التصوير البصري، وأنظمة التداخل البصري، وغيرها، وذلك لتحويل الإشارة المقاسة إلى معلمات بصرية (كالسعة، والتردد، والطور، وحالة الاستقطاب، وتغيرات اتجاه الانتشار، إلخ). ويتم ذلك بواسطة أجهزة تحويل كهروضوئي مختلفة، مثل أجهزة الكشف الكهروضوئي، وأجهزة الكاميرات الكهروضوئية، وأجهزة التسخين الكهروضوئي، وغيرها.