Snímače (senzory)

Report
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.

similar documents