巴魯夫如何正確的理解光電傳感器
實際的生活當中,經(jīng)常會遇到一些感應控制的裝置,這些裝置在電子電路的學科分類中是由各種各樣的傳感器組成的,這些傳感器的基本原理都是通過其他類型的信號的變化經(jīng)過量化之后轉(zhuǎn)換為一定數(shù)量的電學物理值來實現(xiàn)的,因此我們可以知道,在這樣的一種情況之下,我們生活中的很多感應裝置就是都能夠非常好的實現(xiàn)出來了。
巴魯夫在眾多的感應器件當中,光電傳感器是一種重要的傳感器類型,這是一種與光信號息息相關(guān)的裝置,我們也都知道光在我們的自然界中是一種非常奇特的物質(zhì),任何的物質(zhì)可能都會發(fā)光,或者反射光,因此光電傳感器的應用是非常廣泛的,今天我們就對于光電傳感器的一些工作過程進行一下詳細的講解,希望在講解之后大家能夠?qū)τ诠怆妭鞲衅鞯墓ぷ鬟^程有一個正確并且科學的理解。
巴魯夫光電傳感器應用:
發(fā)光二極管早出現(xiàn)在19世紀60年代,現(xiàn)在我們可以經(jīng)常在電氣和電子設備上看到這些二極管做為指示燈來用。LED就是一種半導體元件,其電氣性能與普通二極管相同,不同之處在于當給LED通電流時,它會發(fā)光。由于LED是固態(tài)的,所以它能延長傳感器的使用壽命。因而使用LED的光電傳感器能被做得更小,且比白熾燈傳感器更可靠。不象白熾燈那樣,LED抗震動抗沖擊,并且沒有燈絲。另外,LED所發(fā)出的光能只相當于同尺寸白熾燈所產(chǎn)生光能的一部分。(激光二極管除外,它與普通LED的原理相同,但能產(chǎn)生幾倍的光能,并能達到更遠的檢測距離)。LED能發(fā)射人眼看不到的紅外光,也能發(fā)射可見的綠光、黃光、紅光、藍光、藍綠光或白光。
安裝空間非常有限或使用環(huán)境非常惡劣的情況下,我們可以考慮使用光纖。光纖與傳感器配套使用,是無源元件,另外,光纖不受任何電磁信號的干擾,并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。
光纖有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一層金屬外皮。這層金屬外皮的密度比光芯要低,因而折射率低。光束照在這兩種材料的邊界處(入射角在一定范圍內(nèi),),被全部反射回來。根據(jù)光學原理,所有光束都可以由光纖來傳輸。
兩條入射光束(入射角在接受角以內(nèi))沿光纖長度方向經(jīng)多次反射后,從另一端射出。另一條入射角超出接受角范圍的入射光,損失在金屬外皮內(nèi)。這個接受角比兩倍的入射角略大,這是因為光纖在從空氣射入密度較大的光纖材料中時會有輕微的折射。光在光纖內(nèi)部的傳輸不受光纖是否彎曲的影響(彎曲半徑要大于小彎曲半徑)。大多數(shù)光纖是可彎曲的,很容易安裝在狹小的空間。
玻璃光纖
玻璃光纖由一束非常細(直徑約50μm)的玻璃纖維絲組成。典型的光纜由幾百根單獨的帶金屬外皮玻璃光纖組成,光纜外部有一層護套保護。光纜的端部有各種尺寸和外形,并且澆注了堅固的透明樹脂。檢測面經(jīng)過光學打磨,非常平滑。這道精心的打磨工藝能顯著提高光纖束之間的光耦合效率。
玻璃光纖內(nèi)的光纖束可以是緊湊布置的,也可隨意布置。緊湊布置的玻璃光纖通常用在醫(yī)療設備或管道鏡上。每一根光纖從一端到另一端都需要精心布置,這樣才能在另一端得到非常清晰的圖像。由于這種光纖費用非常昂貴并且多數(shù)的光纖應用場合并不需要得到一個非常清晰的圖像,所以多數(shù)的玻璃光纖其光纖束是隨意布置的,這種光纖就非常便宜了,當然其所得到的圖像也只是一些光。
玻璃光纖外部的保護層通常是柔性的不銹鋼護套,也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纖可用于特殊的空間或環(huán)境,其檢測頭做成不同的形狀以適用于不同的檢測要求。
玻璃光纖堅固并且性能可靠,可使用在高溫和有化學成分的環(huán)境中,它可以傳輸可見光和紅外光。常見的問題就是由于經(jīng)常彎曲或彎曲半徑過小而導致玻璃絲折斷,對于這種應用場合,我們推薦使用塑料光纖。
塑料光纖
塑料光纖由單根的光纖束(典型光束直徑為0.25到1.5mm)構(gòu)成,通常有PVC外皮。它能安裝在狹小的空間并且能彎成很小的角度。
多數(shù)的塑料光纖其檢測頭都做成探針形或帶螺紋的圓柱形,另一端未做加工以方便客戶根據(jù)使用將其剪短。邦納公司的塑料光纖都配有一個光纖刀。不像玻璃光纖,塑料光纖具有較高的柔性,帶防護外皮的塑料光纖適于安裝在往復運動的機械結(jié)構(gòu)上。塑料光纖吸收一定波長的光波,包括紅外光,因而塑料光纖只能傳輸可見光。
與玻璃光纖相比,塑料光纖易受高溫,化學物質(zhì)和溶劑的影響。
對射式和直反式光纖玻璃光纖和塑料光纖既有“單根的”-對射式,也有“分叉的”-直反式。單根光纖可以將光從發(fā)射器傳輸?shù)綑z測區(qū)域,或從檢測區(qū)域傳輸?shù)浇邮掌?。分叉式的光纖有兩個明顯的分支,可分別傳輸發(fā)射光和接收光,使傳感器既可以通過一個分支將發(fā)射光傳輸?shù)綑z測區(qū)域,同時又通過另一個分支將反射光傳輸回接收器。
直反式的玻璃光纖,其檢測頭處的光纖束是隨意布置的。直反式的塑料光纖,其光纖束是沿光纖長度方向一根挨一根布置。
光纖的特殊應用
由于光纖受使用環(huán)境影響小并且抗電磁干擾,因而能被用在一些特殊的場合,如:適用于真空環(huán)境下的真空傳導光纖(VFT)和適用于爆炸環(huán)境下的光纖。在這兩個應用中,特制的光纖安裝在特殊的環(huán)境中,經(jīng)一個法蘭引出來接到外面的傳感器上,光纖和法蘭的尺寸多種多樣。本安型傳感器,如NAMUR型的傳感器,可直接用在特殊或有爆炸性危險的環(huán)境中。
巴魯夫接近開關(guān)BESM18MI-NSC80B-S04K
光電傳感器以光電效應為基礎(chǔ),把被測量的光信號的變化,轉(zhuǎn)換成電信號或其他所需形式的信息輸出。光電傳感器具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多、傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,因此光電傳感器的應用領(lǐng)域非常廣泛,如LED照明、安防、智能家居、智能交通、智能農(nóng)業(yè)、玩具、可穿戴設備等數(shù)碼電子產(chǎn)品等。未來隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及,光電傳感器應用將滲透到人類生活的方方面面。
主要包括:低壓控制及自動化產(chǎn)品、推薦:接近開關(guān)、光電開關(guān)、接近傳感器、電容式傳感器等工控元器件。
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1.什么是線性NTC溫度傳感器?
線性溫度傳感器就是線性化輸出的負溫度系數(shù)(簡稱NTC)熱敏元件,它實際上是一種線性溫度-電壓轉(zhuǎn)換元件,就是說在通以工作電流(100uA)的條件下,元件的電壓值隨溫度呈線性變化,從而實現(xiàn)了非電量到電量的線性轉(zhuǎn)換。
2.線性NTC溫度傳感器的主要特點是什么?
這種溫度傳感器其主要特點就是在工作溫度范圍內(nèi)溫度-電壓關(guān)系為一直線,這對于二次開發(fā)測溫、控溫電路的設計,將無須線性化處理,就可以完成測溫或控溫電路的設計,從而簡化儀表的設計和調(diào)試。
3.線性NTC溫度傳感器的測溫范圍是如何規(guī)定的?
就總的而言,測溫范圍可在-200~+200℃之間,但考慮實際的需要,一般無須如此寬的溫度范圍,因而規(guī)定三個不同的區(qū)段,以適應不同封裝設計,同時在延長線的選用上亦有所不同。而對于溫度補償專用的線性熱敏元件,則只設定工作溫度范圍為-40℃~+80℃。完全可以滿足一般電路的溫度補償之用。
4.延長線的選用應遵循什么原則?
一般的在-200~+20℃、-50~+100℃宜選用普通雙膠線在100~200℃范圍內(nèi)應選用高溫線。
5.基準電壓的含義是什么?
基準電壓是指傳感器置于0℃的溫場(冰水混合物),在通以工作電流(100μA)的條件下,傳感器上的電壓值。實際上就是0點電壓。其表示符號為V(0),該值出廠時標定,由于傳感器的溫度系數(shù)S相同,則只要知道基準電壓值V(0),即可求知任何溫度點上的傳感器電壓值,而不必對傳感器進行分度。其計算公式為:
V(T)=V(0)+S×T
示例:如基準電壓V(0)=700mV溫度系數(shù)S=-2mV/℃,則在50℃時,傳感器的輸出電壓V(50)=700—2×50=600(mV)。這一點正是線性溫度傳感器優(yōu)于其它溫度傳感器的可貴之處。
6.溫度系數(shù)S的含義是什么?
溫度系數(shù)S是指在規(guī)定的工作條件下,傳感器的輸出電壓值的變化與溫度變化的比值,即溫度每變化1℃?zhèn)鞲衅鞯妮敵鲭妷鹤兓担篠=△V/△T(mV/℃)。
溫度系數(shù)是線性溫度傳感器做為溫度測量元件的物理基礎(chǔ),其作用與熱敏電阻的B值相似,這個參數(shù)在整個工作溫度范圍內(nèi)是同一值,即-2mV/℃,而且各種型號的傳感器也是同一值,這一點傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器是無可比擬的。
7.互換精度這一參數(shù)有什么意義?
互換精度是指在同一工作條件下(同一工作電流、同一溫場)對于同一個確定的理想擬合直線,每一只傳感器的電壓V(T)—溫度T曲線與該直線的最大偏差,這個偏差通常按傳感器的溫度—電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)S折合成溫度來表示。由于傳感器的輸出線性化及溫度—電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)相同,即在測溫范圍內(nèi)全程互換,所以互換精度表示了基準電壓值的離散程度,即用基準電壓值的離散值折合成溫度值的大小來描述整批傳感器之間的互換程度。一般分為三級:I級的互換偏差不大于0.3℃J級不大于0.5℃K級不大于1.0℃。
8.線性度的意義是什么?
線性度是描述傳感器的輸出電壓值隨溫度變化的線性程度,實際上也就是傳感器輸出電壓在工作溫度范圍內(nèi)相對于理想擬合直線的最大偏差。一般情況下,其線性度的典型值為±0.5%,很顯然傳感器的線性度越高(其值越?。?,對于儀表的設計就越簡單,在儀表的輸入級完全不必采用線性化處理。
9.為什么說線性溫度傳感器是規(guī)范化輸出?
所謂規(guī)范化輸出,就是在0℃溫度點上傳感器在規(guī)定的工作條件下,輸出的電壓值僅限于某一小范圍內(nèi),即使不互換,其基準電壓值僅限定在690-710mV之間,這樣在電路設計時,易于在宏觀上把握傳感器的輸出情況,不論在橋路設計還是溫度補償,只要在690-710mV之間考慮,在調(diào)試中稍加調(diào)整即可。而不象普通的熱敏電阻由于型號不同,其阻值也不同,針對不同的型號,需進行不同的設計計算。所以線性溫度傳感器的規(guī)范化輸出,可以使儀表電路實現(xiàn)規(guī)范化設計。
10.用戶如何檢驗線性溫度傳感器?
用戶在購買傳感器后,可在恒流的條件下,依溫區(qū)的大小,采用兩點或三點測試,以檢驗互換精度、線性度和溫度系數(shù)。一般情況下,比較簡單的檢驗方法只要檢驗基準電壓值即可。而所有電氣參數(shù),在交貨時均有隨貨參數(shù)表(合格證),以提供該批傳感器的詳細參數(shù)指標。
對測試條件有如下要求:
恒流源:100μA±0.5%
恒溫溫場:波動度:≤±0.05℃
測試儀表:41/2或51/2數(shù)字電壓表。
11.實際使用溫度傳感器是否一定要采用恒流源供電?
一般情況下是不必要的,橋路恒壓供電完全可以(參見16項傳感器信號處理電路)。這是因為在100μA左右的電流條件下,傳感器的溫度—電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)變化量很小,可以給一個實測數(shù)量級的概念:
在100μA時S=-2mV/℃
在40μA時S=-2.1mV/℃
在1000μA時S=-1.9mV/℃
而在實際的橋路恒壓供電時,其電流變化不會有如此大的幅度。
恒壓供電時,傳感器負載電阻值如何確定?
恒壓供電時,負載電阻接在電源與傳感器正極之間,信號從傳感器正極與負極之間輸出,設計電阻值R時,以在0C時使傳感器工作電流為100μA即可。如傳感器的基準電壓為V(0)(mV),恒壓源為VDD(mV),則R=(VDD-V(0))(mV)/0.1(mA)。對于計算出的電阻值R,如果實際的電阻沒有這種阻值,可就近阻值選用,對測溫精度沒有影響。
12.線性溫度補償元件做為電路溫度補償有什么優(yōu)越性?
這主要考慮熱敏元件的輸出規(guī)范化及溫度系數(shù)的一致性,便于設計。另外,由于溫度系數(shù)與晶體管電路中的晶體管基、射極電壓的溫度系數(shù)相同,做為穩(wěn)定晶體管電路的工作點的基極偏流元件是非常合適的。而將幾只元件串聯(lián)使用,可以通過并聯(lián)電位器方式,通過電位器的調(diào)節(jié)出不同的溫度系數(shù),以實現(xiàn)精確的溫度補償作用(參見圖3)。這種溫度系數(shù)可調(diào)的補償元件,無須繁雜設計,對元件的工作電流也無嚴格要求,這也是這種線性熱敏元件用于溫度補償?shù)囊淮髢?yōu)點。
13.穩(wěn)定性的含義是什么?
穩(wěn)定性是指傳感器的基準電壓值年漂移量,這個漂移量再按溫度—電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)折合成溫度值,即穩(wěn)定性=±△V/S/年。線性溫度傳感器的穩(wěn)定性為±0.05℃/年。這一參數(shù)描述了傳感器在各種使用條件下保持原有特性的能力。
14.長線傳輸對傳感器信號是否有影響?
應當說影響不大,一般情況下傳輸距離可達1000米以上。如果距離再遠,可以考慮將傳感器輸出的信號在當?shù)剞D(zhuǎn)換成數(shù)字量,這樣可以方便地實現(xiàn)更遠距離的傳輸。
15.民品級與工業(yè)級使用中的差異是什么?
主要是互換精度不同,對于單臺儀表進行大批量群測的應用場合,且測試精度要求較高的工業(yè)環(huán)境,建議使用工業(yè)級而一臺表僅用一支傳感器批量大可靠性要求很高的民用產(chǎn)品,建議使用民品級。
16.傳感器信號處理電路
注:該橋路是通過R2將傳感器的基準電壓值V(0)予以抵消,即調(diào)整R2上的電壓等于傳感器的基準電壓值,這樣使橋路輸出在0C時為0V,然后按-2mV/C輸出到放大器或下一級電路。如果做為控溫電路設計,則R2上的電壓輸出到比較器的同相端,傳感器的輸出接入比較器的反相端,R2的選取依控溫點的電壓而定,可用公式計算V(T)=V(0)+S×T得到,其中V(0)是傳感器的基準電壓值(出廠時給定),S為傳感器的電壓溫度系數(shù)(出廠時給定),T為控溫點溫度值。建議R2采用多圈電位器,以便對控溫點進行更準確的設定。
17.線性NTC溫度傳感器是否可取代熱敏電阻、熱電偶、及其它熱電阻?
在-200~+200C的溫度范圍內(nèi)完全可以取代,不須對原電路做重大改動,而且不用對傳感器做線性化處理,只要基準電壓值和電壓溫度系數(shù)這兩個參數(shù)就可以設計電路,這兩個參數(shù)在出廠時廠家給予標定,而且對同一用戶,不同批次的產(chǎn)品該參數(shù)不變。
影響溫度傳感器測溫效果的的三大原因,主要有以下幾點:
1.插入測量介質(zhì)的深度
重要的是測溫點的選擇,對于生產(chǎn)工藝的過程來說,測量溫度的位置,要具有典型性和代表性,不然就失去了測量的意義。在溫度插入被測量場所的時候,沿著傳感器的長度方向?qū)a(chǎn)生一些熱流。當環(huán)境溫度比較低的時候就會有熱量損失。導致溫度傳感器與被測量介質(zhì)的溫度不一致從而會產(chǎn)生測溫誤差。因此,由于熱傳導而引起的測量誤差,跟插入的深度有關(guān)。而插入深度又與保護管的材質(zhì)有關(guān)系。
在不同的材質(zhì)中,由于金屬保護管的導熱性能好,它插入深度應該深一些,而陶瓷材料絕熱性能好一些,可插入淺一些。有些方面,對于工程測溫,插入深度還跟測量對象是靜止還是流動的等一些狀態(tài)有關(guān),例如流動的液體或高速氣流溫度的測量,不會受上述限制,插入深度也可以淺一些,具體的數(shù)值應由實驗來確定
2.與測量介質(zhì)的響應時間
溫度傳感器中接觸法測溫的基本原理是測溫元件要跟被測對象達到一個熱度的平衡。所以,在測溫的時候我們需要將他們保持一定時間,才能夠讓兩者達到一個熱度平衡。而保持時間的長或短,就跟測溫元件的熱響應時間有關(guān)系了。而熱響應時間主要取決于溫度傳感器的結(jié)構(gòu)以及測量的條件,差別很大。因此,一般普通的溫度傳感器不僅跟不上被測對象的溫度變化速度出現(xiàn)滯后,而且還會因為達不到熱度平衡而產(chǎn)生一些測量誤差。
所以,我們可以選擇響應速度比較快的傳感器。對溫度傳感器而言除了保護管影響外,還有就是感溫元件的測量端直徑大小也是其主要因素,即感溫元件越細,測量端直徑越小,其熱響應時間就會越短。
3.被測介質(zhì)會使熱阻抗增加
有種情況,在高溫下使用的溫度傳感器,如果被測量的介質(zhì)形態(tài)為氣態(tài)時,那么保護管表面沉積的一些灰塵等將燒熔在保護管的表面上,使得保護管加厚,它的熱阻抗增大。如果被測介質(zhì)形態(tài)是熔體的時候,在使用的過程當中會有爐渣沉積在上面,不僅增加了溫度傳感器的響應時間,而且還會讓指示溫度偏低,從而出現(xiàn)偏差,所以,我們要定期檢定外,還要為了減少誤差,經(jīng)常抽查也是很有必要的,對溫度傳感器的使用時很有幫助。