Snímače (senzory)

download report

Transcript Snímače (senzory)

Snímače
dle fyzikálního principu
Rozdělení dle fyzikálního principu
Aktivní (generátorové) - Při působení
měřené (neelektrické) veličiny se chovají jako
zdroj energie
Pasivní (parametrické) - Při působení
měřené (neelektrické) veličiny se mění některý
parametr
Druhy aktivních (generátorových) snímačů
• termoelektrické
• fotoelektrické
• indukční
• piezoelektrické
• pyroelektrické
Termoelektrické snímače - (termočlánky)
• na styku dvou kovů vzniká rozdíl
potenciálu.
Je
způsobený
přechodem elektronů z kovu s
menší atomovou vazbou.
Druhy termočlánků:
– Fe – Ko ( konstantan)
– NiCr – Ni……………….
– PtRh – Pt…………….....
pro – 200 až 600 °C
pro 0 až 1000 °C
pro 0 až 1300 °C
•Výhody:
– jednoduché
– odolné vůči mechanickému i teplotnímu namáhání.
– malá časová konstanta
Fotoelektrické snímače
a) fotonky a fotonásobiče - využívají vnějšího fotoefektu, kdy fotokatoda
emituje při dopadu záření z povrchu elektrony a ty mohou být u
fotonásobičů dále urychleny a sekundární emisí na pomocných anodách
rozmnoženy.
• Fotonky jsou jednoduché, mají dobrou linearitu světelné charakteristiky,
velmi dobré kmitočtové vlastnosti ( t = 0,1ns).
• Fotonásobiče jsou vhodné pro měření malých světelných výkonů, vyžadují
zdroj vysokého napětí, čas.konstanta řádově 10ns, jsou konstrukčně
složité.
skleněná
baňka
Vakuum
katoda
-
A
+
asi 100V
anoda
Fotoelektrické snímače
b)
Fotoodpor je tvořen polovodičovou binární
sloučeninou (např.-CdS, PbS, InSb, atd…) ve tvaru
tenkého pásku naneseného na vhodné podložce v
pouzdře.
Vykazuje velmi vysokou citlivost (1mA/lumen)
mA
Výkonově je zatížitelný do 100mW
Odpor za tmy dosahuje řádově MW
Nevýhodou je poměrně vysoká setrvačnost ( t > 1ms) a
teplotní závislost.
Světelné charakteristiky jsou u fotoodporů nelineární,
především v oblasti větších osvětlení.
-
Fotoelektrické snímače
c) Fotodiody a fototranzistory - jsou tvořeny z
monokrystalického materiálu s PN nebo PIN
přechodem mezi rozličně dotovanými
polovodiči nebo mezi polovodičem a kovem
(Schottkyho diody).
Vysokou citlivost vykazují lavinové fotodiody,
využívající mechanismu lavinového zesílení
nosičů náboje v oblasti PN přechodu.
Fotodiody mají malou setrvačnost ( t = 1 ms),
dobrou časovou stabilitu, ale i větší proud za
tmy. Mohou pracovat v odporovém nebo
hradlovém zapojení.
Fototranzistor obsahuje dva PN přechody s větší
citlivostí než fotodioda, horšími dynamickými
vlastnostmi ( t = 0,5ms) i proudem za tmy.
Indukční snímače
• Využívají Faradayova zákona elektromagnetické indukce
• Pracují s časovou změnou magnetického pole:
– U [ V ] = výstupní napětí snímače
– Φ [ Wb ] = magnetický tok
– N [ - ] = počet závitů cívky
Indukční snímač obecně slouží pro vyhodnocování přítomnosti kovového
materiálu.
Snímač lze použít jako bezdotykový koncový spínač na strojích,
automatických linkách apod. Je možné ho použít v prostředí prašném i venkovním.
Indukční snímače
Základ snímače tvoří oscilátor pracující na principu změny činitele jakosti
jádra Q při přiblížení kovového materiálu. Tato změna se projeví útlumem kmitů
oscilátoru a oscilátor přestane kmitat.
Vysazení kmitů oscilátoru vyhodnotí prahový detektor, který řídí klopný
obvod ovládající výkonový koncový stupeň.
Odstraněním kovového materiálu z aktivní spínací zóny oscilátor obnoví
kmitání. Podle toho o jaký druh spínače jde, spínací nebo rozpínací, se výstup
spojí nebo rozpojí při přiblížení kovového materiálu do aktivní zóny snímače.
V současnosti jsou k dispozici stovky různých modelů a provedení
odpovídajících požadavkům průmyslové automatizace
Indukční snímače
Použití
Je možné jejich využití jako inkrementálních snímačů otáček
Piezoelektrické snímače
• Ke konstrukci tohoto typu snímače se využívá
piezoelektrického jevu, který spočívá v tom, že uvnitř
některých polykrystalických dielektrik vzniká vlivem
mechanické deformace elektrická polarizace, čímž se na
povrchu tvoří zdánlivé náboje, které mohou na přiložených
elektrodách vázat nebo uvolňovat náboje skutečné.
• Jakmile napětí zmizí, dostává se dielektrikum do původního
stavu.
Piezoelektrický jev u krystalu křemene
• V měřící technice se nejčastěji využívá křemen (SiO2), který má velmi
dobré vlastnosti.
• Křemen krystalizuje v šesterečné soustavě, přičemž elementárním
prvkem je šestiboký hranol. Má tři základní osy, jež jsou z hlediska vzniku
piezoelektrického jevu velmi důležité.
• Podélná osa z se nazývá optická, osa x protínající hrany kolmo na
optickou osu je elektrická a osa y, která je kolmá k ose x a ose z se
označuje jako mechanická nebo neutrální.
Piezoelektrický jev u krystalu křemene
• Vyřízneme-li z krystalu SiO2 destičku tak, aby její hrany byly
rovnoběžné s jednotlivými osami, pak vlivem sil působících
kolmo na optickou osu hranolu se krystal zelektrizuje, přičemž
vektor polarizace P bude směřovat podél elektrické osy. Na
plochách kolmých na elektrickou osu se objeví náboje.
Pyroelektrické (IR) snímače
• Princip snímače - Molekuly látky se pohybují (tepelný pohyb).
• Zastaví se pouze při absolutní nule. Protože dochází k pohybu
elektrických nábojů, tak každé těleso (s teplotou větší než
absolutní nula) emituje elektromagnetické záření.
• Toto záření nese jednoznačnou informaci o teplotě tělesa.
Prakticky využitelné spektrum, na které jsou citlivé IR
detektory, je 0,7 μm - 14 μm.
• Každé těleso vysílá infračervené záření, ze kterého lze získat
informaci o jeho teplotě.
• Měřicí systém infračerveného teploměru je poměrně
jednoduchý. Záření z měřeného předmětu prochází čočkou,
která jej koncentruje na čidlo. Teploměr poté zpracuje signál z
čidla a zobrazí údaj o teplotě na displeji.
Pyroelektrické (IR) snímače
Měření IR teploměrem - Teoreticky totiž vzdálenost není omezená. Je
však třeba si uvědomit, že při měření IR teploměrem se neměří teplota
bodu, ale plochy!
Čidlo totiž snímá teplotu z kuželu, jehož parametry určuje
optická charakteristika. Je to poměr vzdálenosti k průměru měřené
plochy.
Například optická charakteristika 12:1 znamená, že z 12 m
měříme teplotu plochy o průměru 1 m. Čím vyšší je první číslo (20:1,
30:1, 50:1), tím je kužel ostřejší a lze měřit na větší vzdálenosti.
Pyroelektrické (IR) snímače
Všechny lepší přístroje jsou vybaveny laserem k zaměření
středu měřené plochy. Velice snadno totiž může nastat situace, kdy je
měřená plocha větší než předmět, který chceme měřit a výslednou
teplotu nám zkresluje pozadí měřeného předmětu. Jediným možným
řešením této situace je přiblížit teploměr více k měřenému předmětu.
Otázky ke zkoušení
1) Jaké je rozdělení snímačů podle fyzikálního principu ?
2) Jaké jsou druhy aktivních (generátorových) snímačů ?
3) Jaké jsou druhy termočlánků a pro jaké teploty se vyrábějí ?
4) Popiš princip činnosti fotonky.
5) Popiš princip činnosti fotonásobiče.
6) Popiš princip činnosti fotoodporu.
7) Popiš jaké bloky obsahuje indukční snímač a jaká je jejich funkce.
8) Popiš princip činnosti piezoelektrického snímače.
9) Popiš princip činnosti pyroelektrického snímače.
10)Vysvětli co je to optická charakteristika pyroelektrického snímače.
11)Popiš princip měření pyroelektrickým snímačem.