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温度传感器的应用 如何挑选购买传感器

时间:2020-08-27    来源:仪多多仪器网    作者:仪多多商城     
  温度传感器的应用

  温度传感器的性能还由其应用领域的许多因素决定,如外部环境(物理和电学 的)、电源供电方式等。总的来说,温度传感器主要应用于以下几个领域。

   (1)感测应用。温度传感器的热转换方式经常被用来测量物理量(如流量、辐 射、气体压力、气体种类、湿度、热化学反应等)。这些传感器的测量值都是以热 形式为媒介并以电信号的方式输出。

   (2)生物医学应用。生物医学的应用必须使用特殊的温度传感器,其中重要 的特性是要求低功耗、长期稳定性好、可靠性高以及在32~44℃之间,度小 于0.1℃。

   (3)太空应用。热敏电阻以及硅PN结已经使用于太空温度测量。利用分立的模拟和数字接口电路从感测元件读取温度信息对于低成本、低质量的使用情况 越来越不适用.尤其在微米/纳米卫星中更难满足需要。具有数字输出功能的智 能温度传感器可应用于未来的卫星设计中.并能传送与微处理器兼容的数字 信息。

   (4)工业应用。集成温度传感器在自动化应用和微生物体热检测应用已有报 道,尽管它们的特性和需求根据每个特殊的应用而变化非常大.对于低成本、长期 稳定性和可靠性、强大的数字接口以及通信系统等这些特殊的应用需求,目前的智 能温度传感器都可满足。

   (5)消费产品应用。低成本集成温度传感器与变送器已经出现,而且被应用于 消费产品中,如洗衣机、冰箱、空调等。低成本、无需外部部件、制造时简单的片 上校正等是消费产品应用的特殊需求.并且在一20一100℃之间测量精度要能达 到0.5℃。

   三、温度传感器的前景及发展方向

   目前,国际上新型温度传感器正从模拟式向数字式,由集成化向智能化、网络 化的方向发展。温度传感器是各种传感器中为常用的一种.现代温度传感器外形 非常小,这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中,也为人们的生活提供了 无数的便利和功能。温度传感器市场份额大大超过了其他的传感器。温度传感器技 术朝着高精度、高可靠性、宽测量范围、微型化及微功耗方向发展.并不断开发出 一些能在特殊环境下工作的温度传感器,如可在高低温(一200一2000℃)、化学腐 蚀性强、电磁干扰严重的恶劣环境中工作的光纤温度传感器。此外为适应微集成系 统的发展,温度传感器技术正趋向于数字化、集成化和智能化发展的发展方向。

   数字化表示温度传感器的输出不再是单一的模拟信号,信号经过放大、A/D 转换、线性化后变成纯数字信号.该数字信号可以通过各种标准的接口形式(如 IZC、USB等)与微控制器相连。集成化表示温度传感器将辅助电路中的元件 与传感元件集成在同一块芯片上,使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功 能,其测量准确度高、体积小、功耗小、成本低,更适合应用于集成电路系统。 智能化表示温度传感器是一种带微处理器的传感器,是微型计算机和传感器 相结合的成果,它兼有检测、判断和信息处理功能,与传统温度传感器相比有很 多特点:①具有判断和信息处理功能,能对测量值进行修正、误差补偿.因而提 高了测量精度;②可实现多点温度测量;③测量数据可存取.便于进一步提高设 备分析、预测的智能化程度;④有标准数据通信接口,能与微型计算机直接 通信。

   进人21世纪之后,智能温度传感器正朝着高精度、多功能、总线标准化、高 可靠性及安全性、开发虚拟传感器和网络传感器、研制中片测温系统等高科技的方 向迅速发展。

原理:在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥,即为基础扭矩传感器;在轴上固定着:(1)能源环形变压器的次级线圈,(2)信号环形变压器初级线圈,(3)轴上印刷电路板,电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着:
(1)激磁电路
(2)能源环形变压器的初级线圈(输入)
(3)信号环形变压器次级线圈(输出)
(4)信号处理电路
工作过程中的使用方法:
    给传感器提供±15V电源,激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源,通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈,得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源,该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源,该电源既作为电桥电源,又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时,应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号,再通过V/F转换器LM131变换成频率信号,通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈,再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号,该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动--静环之间只有零点几毫米的间隙,加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内,形成有效的屏蔽,因此具有很强的抗干扰能力。 
    传感器输出的频率信号在零点时为10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为5KHz。即满量程变量为5000个数/每秒。转速测量采用光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法,轴每旋转一周可产生60个脉冲,高速或中速采样时可以用测频的方法,低速采样时可以用测周期的方法。此传感器精度可达±0.2%~±0.5%(F•S)。由于传感器输出为频率信号,所以无需AD转换即可直接送至计算机进行数据处理。 

 光电传感器是一种小型电子设备,它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备,发射器带一个校准镜头,将光聚焦射向接收器,接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。

  LED(发光二极管)

  发光二极管比较早出现在19世纪60年代,现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。LED就是一种半导体元件,其电气性能与普通二极管相同,不同之处在于当给LED通电流时,它会发光。由于LED是固态的,所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小,且比白炽灯传感器更可靠。不象白炽灯那样,LED抗震动抗冲击,并且没有灯丝。另外,LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。(激光二极管除外,它与普通LED的原理相同,但能产生几倍的光能,并能达到更远的检测距离)。LED能发射人眼看不到的红外光,也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。

  经调制的LED传感器

  1970年,人们发现LED还有一个比寿命长更好的优点,就是它能够以非常快的速度来开关,开关速度可达到KHz。将接收器的放大器调制到发射器的调制频率,那么它就只能对以此频率振动的光信号进行放大。

  我们可以将光波的调制比喻成无线电波的传送和接收。将收音机调到某台,就可以忽略其他的无线电波信号。经过调制的LED发射器就类似于无线电波发射器,其接收器就相当于收音机。

  人们常常有一个误解:认为由于红外光LED发出的红外光是看不到的,那么红外光的能量肯定会很强。经过调制的光电传感器的能量的大小与LED光波的波长无太大关系。一个LED发出的光能很少,经过调制才将其变得能量很高。一个未经调制的传感器只有通过使用长焦距镜头的机械屏蔽手段,使接收器只能接收到发射器发出的光,才能使其能量变得很高。相比之下,经过调制的接收器能忽略周围的光,只对自己的光或具有相同调制频率的光做出响应。

  未经调制的传感器用来检测周围的光线或红外光的辐射,如刚出炉的红热瓶子,在这种应用场合如果使用其它的传感器,可能会有误动作。

  如果一个金属发射出的光比周围的光强很多的话,那么它就可以被周围光源接收器可靠检测到。周围光源接收器也可以用来检测室外光。

  但是并不是说经调制的传感器就一定不受周围光的干扰,当使用在强光环境下时就会有问题。例如,未经过调制的光电传感器,当把它直接指向阳光时,它能正常动作。我们每个人都知道,用一块有放大作用的玻璃将阳光聚集在一张纸上时,很容易就会把纸点燃。设想将玻璃替换成传感器的镜头,将纸替换成光电三极管,这样我们就很容易理解为什么将调制的接收器指向阳光时它就不能工作了,这是周围光源使其饱和了。

  调制的LED改进了光电传感器的设计,增大了检测距离,扩展了光束的角度,人们逐渐接受了这种可靠易于对准的光束。到1980年,非调制的光电传感器逐步就退出了历史舞台。

  红外光LED是效率最高的光束,同时也是在光谱上与光电三极管最匹配的光束。

  但是有些传感器需要用来区分颜色(如色标检测),这就需要用可见光源。

  在早期,色标传感器使用白炽灯做光源,使用光电池接收器,直到后来发明了高效的可见光LED。现在,多数的色标传感器都是使用经调制的各种颜色的可见光LED发射器。经调制的传感器往往牺牲了响应速度以获取更长的检测距离,这是因为检测距离是一个非常重要的参数。未经调制的传感器可以用来检测小的物体或动作非常快的物体,这些场合要求的响应速度都非常快。但是,现在高速的调制传感器也可以提供非常快的响应速度,能满足大多数的检测应用。

  超声波传感器

  声波传感器所发射和接收的声波,其振动频率都超过了人耳所能听到的范围。它是通过计算声波从发射,经被测物反射回到接收器所需要的时间,来判断物体的位置。对于对射式超声波传感器,如果物体挡住了从发射器到接收器的声波,则传感器就会检测到物体。与光电传感器不同,超声波传感器不受被测物透明度和反光率的影响,因此在许多使用超声波传感器的场合就不适合使用光电传感器来检测。

  光纤

  安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下,我们可以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用,是无源元件,另外,光纤不受任何电磁信号的干扰,并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。

  光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯,光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯要低,因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处(入射角在一定范围内,),被全部反射回来。根据光学原理,所有光束都可以由光纤来传输。

  两条入射光束(入射角在接受角以内)沿光纤长度方向经多次反射后,从另一端射出。另一条入射角超出接受角范围的入射光,损失在金属外皮内。这个接受角比两倍的最大入射角略大,这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响(弯曲半径要大于最小弯曲半径)。大多数光纤是可弯曲的,很容易安装在狭小的空间。

  玻璃光纤

  玻璃光纤由一束非常细(直径约50μm)的玻璃纤维丝组成。典型的光缆由几百根单独的带金属外皮玻璃光纤组成,光缆外部有一层护套保护。光缆的端部有各种尺寸和外形,并且浇注了坚固的透明树脂。检测面经过光学打磨,非常平滑。这道精心的打磨工艺能显著提高光纤束之间的光耦合效率。

  玻璃光纤内的光纤束可以是紧凑布置的,也可随意布置。紧凑布置的玻璃光纤通常用在医疗设备或管道镜上。每一根光纤从一端到另一端都需要精心布置,这样才能在另一端得到非常清晰的图像。由于这种光纤费用非常昂贵并且多数的光纤应用场合并不需要得到一个非常清晰的图像,所以多数的玻璃光纤其光纤束是随意布置的,这种光纤就非常便宜了,当然其所得到的图像也只是一些光。

  玻璃光纤外部的保护层通常是柔性的不锈钢护套,也有的是PVC或其他柔性塑料材料。有些特殊的光纤可用于特殊的空间或环境,其检测头做成不同的形状以适用于不同的检测要求。

  玻璃光纤坚固并且性能可靠,可使用在高温和有化学成分的环境中,它可以传输可见光和红外光。常见的问题就是由于经常弯曲或弯曲半径过小而导致玻璃丝折断,对于这种应用场合,我们推荐使用塑料光纤。

  塑料光纤

  塑料光纤由单根的光纤束(典型光束直径为0.25到1.5mm)构成,通常有PVC外皮。它能安装在狭小的空间并且能弯成很小的角度。

  多数的塑料光纤其检测头都做成探针形或带螺纹的圆柱形,另一端未做加工以方便客户根据使用将其剪短。邦纳公司的塑料光纤都配有一个光纤刀。不像玻璃光纤,塑料光纤具有较高的柔性,带防护外皮的塑料光纤适于安装在往复运动的机械结构上。塑料光纤吸收一定波长的光波,包括红外光,因而塑料光纤只能传输可见光。

  与玻璃光纤相比,塑料光纤易受高温,化学物质和溶剂的影响。

  对射式和直反式光纤玻璃光纤和塑料光纤既有“单根的”-对射式,也有“分叉的”-直反式。单根光纤可以将光从发射器传输到检测区域,或从检测区域传输到接收器。分叉式的光纤有两个明显的分支,可分别传输发射光和接收光,使传感器既可以通过一个分支将发射光传输到检测区域,同时又通过另一个分支将反射光传输回接收器。

  直反式的玻璃光纤,其检测头处的光纤束是随意布置的。直反式的塑料光纤,其光纤束是沿光纤长度方向一根挨一根布置。

  光纤的特殊应用

  由于光纤受使用环境影响小并且抗电磁干扰,因而能被用在一些特殊的场合,如:适用于真空环境下的真空传导光纤(VFT)和适用于爆炸环境下的光纤。在这两个应用中,特制的光纤安装在特殊的环境中,经一个法兰引出来接到外面的传感器上,光纤和法兰的尺寸多种多样。本安型传感器,如NAMUR型的传感器,可直接用在特殊或有爆炸性危险的环境中。

 



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