美國(guó)邦納光電傳感器是一種小型電子設(shè)備,各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件。它主要是利用光的各種性質(zhì),檢測(cè)物體的有無(wú)和表面狀態(tài)的變化等的傳感器。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn),因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得廣泛應(yīng)用。
美國(guó)邦納光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。 把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化,然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。
光電元件是光電傳感器中重要的組成部分,它的核心工作原理是不同類型的光電效應(yīng)。根據(jù)波粒二象性,光是由光速運(yùn)動(dòng)的光子所組成, 當(dāng)物體受到光線照射時(shí),其內(nèi)部的電子吸收了光子的能量后改變狀態(tài),自身的電性質(zhì)也會(huì)發(fā)生改變,這樣的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。
根據(jù)電屬性狀態(tài)的不同變化,將光電效應(yīng)分為以下三種:
1)外光電效應(yīng)
在光線作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?;谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管,光電倍增管等
2)光電導(dǎo)效應(yīng)
半導(dǎo)體內(nèi)的電子吸收光子后不能躍出半導(dǎo)體,使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化,或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏應(yīng)?;诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻,光敏晶體管等
3)光生伏應(yīng)
在光線作用下,物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏應(yīng)?;诠馍鼞?yīng)的光電元件有光電池和光敏二極管、三極管等
基于不同的光電效應(yīng),我們來(lái)看一下他們分別是如何工作的:
利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件,一般都是真空的或充氣的光電器件,如光電管和光電倍增管。
以光電管為例,當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí),單個(gè)光子把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子,從而使自由電子的能量增加。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功時(shí),它就可以克服金屬表面束縛而逸出,形成電子發(fā)射,這種電子稱為光電子。 只有當(dāng)入射光的頻率高于極限頻率時(shí),才會(huì)產(chǎn)生光電子。
光電子產(chǎn)生之后,被真空管中的陽(yáng)極所吸收,從而產(chǎn)生電流。若此時(shí)增加光照強(qiáng)度,更多的光子將會(huì)照射到陰極材料,從而產(chǎn)生更多光電子,光電流也會(huì)相應(yīng)增加。在電阻R值確定的情況下,回路中的光電流與入射光的光照強(qiáng)度成函數(shù)關(guān)系,從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)化,通過(guò)測(cè)量電路讀取電流數(shù),即可算出光照強(qiáng)度。
利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件,常見(jiàn)的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。
根據(jù)能帶理論,自由原子中電子具有的能量狀態(tài)不是任意的,電子只能存在在一定的能級(jí)上。能帶分為價(jià)帶、禁帶和導(dǎo)帶。電子可以在導(dǎo)帶中流動(dòng),不可以在價(jià)帶中流動(dòng),在外界影響下,電子可由價(jià)帶越過(guò)帶隙進(jìn)入到導(dǎo)帶,從而改變導(dǎo)體的電阻。
不同導(dǎo)體的帶隙厚度不一樣,如下圖所示,絕緣體的帶隙較寬,導(dǎo)致電子很難從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶,所以其電阻很大;金屬導(dǎo)體沒(méi)有帶隙,其價(jià)帶和導(dǎo)帶相連,因此導(dǎo)電性能好。
電子吸收光子能量后,由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶從而改變導(dǎo)體電阻的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。利用該效應(yīng)可以制作光敏電阻,通過(guò)觀察電阻的變化來(lái)確定被測(cè)光量。
光生伏應(yīng)簡(jiǎn)稱光伏效應(yīng),指的是物體在受到光照之后產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。光電池是一種自發(fā)電式的光電元件,它受到光照時(shí)自身能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì),在不加電源的情況下,只要接通外電路,便有電流通過(guò)。具體的工作原理如下:
光伏電池在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成的一個(gè)大面積PN結(jié),P區(qū)有大量的空穴,N區(qū)有大量的電子。
當(dāng)光照射P區(qū)表面時(shí),若光子能量大于硅的禁帶寬度,則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子—空穴對(duì),P區(qū)表面吸收的光子越多,激發(fā)的電子空穴越多,越向PN結(jié)區(qū)越少。
由于PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的方向是由N區(qū)指向P區(qū)的,它使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子—空穴對(duì)分離,光生電子被推向N區(qū),光生空穴被留在P區(qū)。從而使N區(qū)帶負(fù)電,P區(qū)帶正電,形成光生電動(dòng)勢(shì)。若用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū),電路中就有光電流流過(guò)。
光電傳感器按檢測(cè)方式分為漫反射型、反射板型、對(duì)射型:
根據(jù)相應(yīng)的檢測(cè)方式有下列這些不同結(jié)構(gòu)的光電傳感器:
⑴槽型光電傳感器
把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地裝在一個(gè)槽的兩側(cè)的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見(jiàn)光,在無(wú)阻情況下光接收器能收到光。但當(dāng)被檢測(cè)物體從槽中通過(guò)時(shí),光被遮擋,光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作。輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào),切斷或接通負(fù)載電流,從而完成一次控制動(dòng)作。槽形開(kāi)關(guān)的檢測(cè)距離因?yàn)槭苷w結(jié)構(gòu)的限制一般只有幾厘米。
⑵對(duì)射型光電傳感器
若把發(fā)光器和收光器分離開(kāi),就可使檢測(cè)距離加大。由一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器組成的光電開(kāi)關(guān)就稱為對(duì)射分離式光電開(kāi)關(guān),簡(jiǎn)稱對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)。它的檢測(cè)距離可達(dá)幾米乃至幾十米。使用時(shí)把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測(cè)物通過(guò)路徑的兩側(cè),檢測(cè)物通過(guò)時(shí)阻擋光路,收光器就動(dòng)作輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
⑶反光板型光電開(kāi)關(guān)
把發(fā)光器和收光器裝入同一個(gè)裝置內(nèi),在它的前方裝一塊反光板,利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開(kāi)關(guān)。正常情況下,發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來(lái)被收光器收到;一旦光路被檢測(cè)物擋住,收光器收不到光時(shí),光電開(kāi)關(guān)就動(dòng)作,輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。
⑷擴(kuò)散反射型光電開(kāi)關(guān)
它的檢測(cè)頭里也裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)收光器,但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當(dāng)檢測(cè)物通過(guò)時(shí)擋住了光,并把光部分反射回來(lái),收光器就收到光信號(hào),輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。
光電傳感器的基本特性包括輸出電流與接收器兩端電壓之間的關(guān)系曲線、輸出電流與發(fā)射器輸入電流之間的關(guān)系曲線、輸出電流隨溫度變化的關(guān)系曲線、脈沖響應(yīng)特性曲線等。
在工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中有下列特點(diǎn):
1、檢測(cè)距離長(zhǎng)
如果在對(duì)射型中保留10m以上的檢測(cè)距離等,便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段(磁性、超聲波等) 無(wú)法遠(yuǎn)距離檢測(cè)。
2、對(duì)檢測(cè)物體的限制少
由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理,所以不象接近傳感器等將檢測(cè)物體限定 在金屬,它可對(duì)玻璃.塑料.木材.液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)。
3、響應(yīng)時(shí)間短
光本身為高速,并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成,所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間,響應(yīng)時(shí)間非常短。
4、分辨率高
能通過(guò)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn),或通過(guò)構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng),來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢測(cè)。
5、可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè)
可以無(wú)須機(jī)械性地接觸檢測(cè)物體實(shí)現(xiàn)檢測(cè),因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成損傷。因此,傳感器能長(zhǎng)期使用。
6、可實(shí)現(xiàn)顏色判別
通過(guò)檢測(cè)物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線波長(zhǎng)和檢測(cè)物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì),可對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。
7、便于調(diào)整
在投射可視光的類型中,投光光束是眼睛可見(jiàn)的,便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行調(diào)整。
光電傳感器使用前的選型需考慮下列因素:
檢測(cè)物體
1、對(duì)射型(物體被測(cè)面尺寸)
2、回歸反射型(物體被測(cè)面尺寸,光澤反射能力強(qiáng)弱)
3、擴(kuò)散反射型(物體被測(cè)面尺寸,被測(cè)物體顏色)
檢測(cè)方式
1、對(duì)射型(投光器+受光器),
2、回歸反射型(反射板+投受光器),
3、擴(kuò)散反射型(靠物體將投出的光線反射回受光器,固需要確認(rèn)是否有背景物體)
輸出形態(tài)
1、常開(kāi)(NO)2、常閉(NC)3、常開(kāi)(NO)+常閉(NC)4、常開(kāi)(NO)或常閉(NC)
檢測(cè)距離
1、對(duì)射型(投光器到受光器的距離),
2、回歸反射型(反射板到投受光器的距離),
3、擴(kuò)散反射型(被測(cè)物體到投受光器的距離)
控制輸出
1、晶體管輸出(NPN低電平輸出,PNP高電平輸出)
2、繼電器接點(diǎn)輸出
工作電源
1、直流
2、交流
3、交直流通用
安裝連接方式
1、導(dǎo)線引出型(默認(rèn)導(dǎo)線長(zhǎng)度1.2m)
2、 接插件型(配接插線需要確認(rèn)直線性或L字型,導(dǎo)線長(zhǎng)度)
其他功能
延時(shí)功能(E3JM)
附 件
反射板,安裝配件(固定安裝傳感器使用)
隨著自動(dòng)化生產(chǎn)程度的不斷提高,對(duì)傳感器的要求也在不斷提高,這就促使光電傳感器不得不隨著時(shí)代步伐而更新,改善光電傳感器性能必須朝著高靈敏度?高度?響應(yīng)速度快?互換性好的方向發(fā)展?
在選擇壓力的時(shí)候我們要考慮他的綜合精度,而壓力傳感器的精度受哪些方面的影響呢?其實(shí)造成傳感器誤差的因素有很多,下面我們注意說(shuō)四個(gè)無(wú)法避免的誤差,這是傳感器的初始誤差。
首先的偏移量誤差:由于壓力傳感器在整個(gè)壓力范圍內(nèi)垂直偏移保持恒定,因此變換器擴(kuò)散和激光調(diào)節(jié)修正的變化將產(chǎn)生偏移量誤差。
其次是靈敏度誤差:產(chǎn)生誤差大小與壓力成正比。如果設(shè)備的靈敏度高于典型值,靈敏度誤差將是壓力的遞增函數(shù)。如果靈敏度低于典型值,那么靈敏度誤差將是壓力的遞減函數(shù)。該誤差的產(chǎn)生原因在于擴(kuò)散過(guò)程的變化。
第三是線性誤差:這是一個(gè)對(duì)壓力傳感器初始誤差影響較小的因素,該誤差的產(chǎn)生原因在于硅片的物理非線性,但對(duì)于帶放大器的傳感器,還應(yīng)包括放大器的非線性。線性誤差曲線可以是凹形曲線,也可以是凸形曲線稱重傳感器。
最后是滯后誤差:在大多數(shù)情形中,壓力傳感器的滯后誤差完全可以忽略不計(jì),因?yàn)楣杵哂泻芨叩臋C(jī)械剛度。一般只需在壓力變化很大的情形中考慮滯后誤差。
壓力傳感器的這個(gè)四個(gè)誤差是無(wú)法避免的,我們只能選擇高精度的生產(chǎn)設(shè)備,利用高新技術(shù)來(lái)降低這些誤差,還可以在出廠的時(shí)候進(jìn)行一點(diǎn)的誤差校準(zhǔn),盡最大的可能來(lái)降低誤差以滿足客戶的需要。
選擇壓力傳感器的時(shí)候需要注意很多問(wèn)題,只有了解了壓力傳感器的作業(yè)方式才干更好的選擇壓力傳感器。比方,壓力傳感器的量程、精度、壓力傳感器的溫度特性,化學(xué)特性都是要考慮的而壓力傳感器的作業(yè)方式也是需要考慮的重要問(wèn)題。
例如傳感器用于氣體壓力的丈量與液體壓力的丈量時(shí)情況便不同。氣體是可壓縮流體,增奪時(shí)會(huì)貯存一定的壓縮能,減壓時(shí)又以動(dòng)能釋放出來(lái),給傳感器彈性膜施加沖擊波。要求壓力傳感器有較大的過(guò)載能力。液體是不可壓縮流體,壓力傳感器裝置時(shí),擰緊螺拴又無(wú)可壓縮空間則可使液體壓力升高超越彈性膜的耐壓極限,導(dǎo)致彈性膜破裂。由于這種情況屢屢發(fā)生,也要求壓力傳感器有較大的過(guò)壓能力。
壓力傳感器的工作環(huán)境惡劣時(shí),例如有大的振動(dòng)、沖擊,大的電磁干擾,對(duì)傳感器提出更為嚴(yán)格的要求。不只過(guò)壓能力強(qiáng),而且要求機(jī)械密封可靠,防松動(dòng),傳感器裝置正確。傳感器自身的引線、引腳以及外導(dǎo)線都應(yīng)加以電磁屏蔽,并將屏蔽良好接地。
此外,應(yīng)考慮壓力傳感器與所測(cè)流體介質(zhì)的相容性問(wèn)題。例如傳感器的彈性膜結(jié)構(gòu)應(yīng)與腐蝕性介質(zhì)相隔開(kāi),此時(shí)采有不銹鋼波紋套傳感器,傳感器內(nèi)用硅油作傳壓介質(zhì)。傳感器檢測(cè)易燃、易爆介質(zhì)壓力時(shí),使用小激勵(lì)電流,防止彈性膜破裂時(shí)產(chǎn)生火花、火星,并增加壓力傳感器外套的耐壓能力。
風(fēng)速傳感器是可連續(xù)監(jiān)測(cè)上述地點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)量(風(fēng)量=風(fēng)速x橫截面積)大小,能夠?qū)λ幭锏赖娘L(fēng)速風(fēng)量進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,是礦井通風(fēng)安全參數(shù)測(cè)量的重要儀表。其傳感器組件由風(fēng)速傳感器、風(fēng)向傳感器、傳感器支架組成。
原理
超聲波渦接測(cè)量原理
超聲波風(fēng)速傳感器是利用超聲波時(shí)差法來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的測(cè)量。聲音在空氣中的傳播速度,會(huì)和風(fēng)向上的氣流速度疊加。
若超聲波的傳播方向與風(fēng)向相同,它的速度會(huì)加快;反之,若超聲波的傳播方向若與風(fēng)向相反,它的速度會(huì)變慢。因此,在固定的檢測(cè)條件下,超聲波在空氣中傳播的速度可以和風(fēng)速函數(shù)對(duì)應(yīng)。
通過(guò)計(jì)算即可得到精確的風(fēng)速和風(fēng)向。
由于聲波在空氣中傳播時(shí),它的速度受溫度的影響很大;本風(fēng)速儀檢測(cè)兩個(gè)通道上的兩個(gè)相反方向,因此溫度對(duì)聲波速度產(chǎn)生的影響可以忽略不計(jì)。
通過(guò)壓差變化原理
在流動(dòng)方向上設(shè)置一個(gè)固定的障礙物(孔板、噴嘴等),這樣根據(jù)流速不同便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)壓差。通過(guò)測(cè)量壓差,可以轉(zhuǎn)換成流速的測(cè)量。
熱量轉(zhuǎn)移原理
根據(jù)卡曼渦街理論,在無(wú)限界流場(chǎng)中垂直插入一根無(wú)限長(zhǎng)的非線性阻力體(即旋渦發(fā)生體C,風(fēng)速傳感器的探頭橫桿),當(dāng)風(fēng)流流經(jīng)旋渦發(fā)生體C時(shí),在漩渦發(fā)生體邊緣下游側(cè)會(huì)產(chǎn)生兩排交替的、內(nèi)旋的旋渦列(即氣流旋渦),而旋渦的產(chǎn)生頻率f正比于流速V,用公式表示如下:
f=St V/d;
因此超聲波風(fēng)速傳感器就是利用超聲波旋渦調(diào)制的原理來(lái)測(cè)定旋渦頻率的 。
主要適用于煤礦井下具有瓦斯爆炸危險(xiǎn)的各礦井通風(fēng)總回風(fēng)巷、風(fēng)口、井下主要測(cè)風(fēng)站、扇風(fēng)機(jī)井口、掘進(jìn)工作面、采煤工作面等處,以及相應(yīng)的礦產(chǎn)企業(yè)。