Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Характеристика оптических датчиков температур

2. Принцип работы датчиков

3. Применение оптических датчиков температуры

Заключение

Список использованной литературы

Ведение

В век высоких технологий измерение температуры играет большую роль в нашей жизни потому. Для измерения этого параметра состояния изготовляют датчики, в основе которых лежат различные физические эффекты, сопровождающие вариации температуры: изменение объема газовой, жидкой или твердой сред, электрического сопротивления чувствительного элемента, возбуждение термоэлектродвижущей силы, восприятие излучения нагретого тела и прочие. В наши дни большинство датчиков работают на основе давно открытых физических эффектах и явлениях, поэтому они исчерпали свои ресурсы.

Оптические технологии измерения физических параметров являются одной из наиболее быстроразвивающихся областей прикладной оптики. Оптические датчики обладают малым весом и размером, отсутствием электричества в измерительном тракте, нечувствительностью к электромагнитным помехам и воздействию агрессивных сред, а также возможностью мультиплексирования и объединения большого количества датчиков в распределённые информационно-измерительные системы.

Актуальность данной работы заключаются в уникальных свойствах, широко использующихся в решении различных научных и практических задач, в которых необходимо измерять температуру.

Целью данной работы является исследование конструктивных особенностей и принципов работы оптических датчиков температуры, в которых датчиком является лазер и измеряет температуру по смещению краев спектра отраженного луча, а также их классификация.

При этом, существенно важными, задачами являются: описание конструкции и принципов работы оптических датчиков и их структурных элементов; определение классификации датчиков и принципа работы датчиков; изучение способов применения оптических датчиков.

1. Характеристика оптических датчиков температур

оптический датчик температура физический

Лазерная термометрия это новое направление в технике измерения температуры, включающее активные бесконтактные методы измерения.

Методами лазерной термометрии измеряют температуру термочувствительного элемента самого исследуемого объекта, показания которого стимулируются и считываются зондирующим оптическим (лазерным) пучком. Лазерный пучок не подвержен влиянию электромагнитных помех, высоких электрических потенциалов, химически активных сред, вибрации и других факторов, затрудняющих измерение температур контактными методами. Лазерный пучок имеет ряд характерных признаков (длина волны, поляризация, направление распространения, модуляция интенсивности), позволяющих достоверно различать его на фоне оптических помех.

В общем случае оптический датчик представляет собой чувствительный элемент из оптического материала, который обратимо изменяет свои оптические характеристики при внешнем воздействии, источник излучения, зондирующий чувствительный элемент или возбуждающий в нем люминесценцию, и фотоприемник, регистрирующий изменение оптического сигнала, прошедшего через чувствительный элемент (рисунок 1).

Рисунок 1 Оптический бесконтактный датчик

Оптические датчики являются разновидностью бесконтактных датчиков, так как механический контакт между чувствительной областью датчика (сенсором) и воздействующим объектом отсутствует. Это свойство оптических датчиков обуславливает их широкое применение в автоматизированных системах управления. Дальность действия оптических датчиков обычно намного больше, чем у других типов.

Задача датчика обнаружить объект на расстоянии. Это расстояние варьируется в пределах 0,3мм-50м, в зависимости от выбранного типа датчика и метода обнаружения.

Различают три основных разновидности оптических схем датчиков:

- на основе перекрытия луча; (Рисунок 2)

- по принципу отражения от рефлектора;

- на основе отражения от объекта.

Рисунок 2 Датчики на пересечение луча

Световой луч распространяется от излучателя до рефлектора-цели и затем, отражаясь, попадает в приемник. Также объект обнаруживается, если он прерывает световой луч. Рабочий диапазон расстояния от датчика до рефлектора (отражателя) называется диапазоном расстояний датчика. Эффективный луч, достигающий приемника (часть луча, необходимая для обеспечения функциональной работоспособности датчика), представляет собой усеченный конус, одно из оснований которого сформировано линзами датчика, а второе представляет собой фигуру, образованную при отражении от рефлектора конического светового пучка излучателя. Довольно часто используются специальные отражатели, позволяющие отражать световой поток от рефлектора к датчику в том же направлении, что и первоначальное направление пути светового потока от излучателя к рефлектору. Значительный размер диаметров оснований эффективного луча стандартных фотоэлектрических датчиков не позволяет обнаруживать с высокой точностью малые объекты, которые не способны перекрыть световой луч от излучателя. Поскольку отраженный от рефлектора луч не сфокусирован, датчики, работающие на обратное отражение, обычно применяются для обнаружения только достаточно больших объектов.

Фотоэлектрические датчики с отражением от объекта обнаруживают объект, расположенный перед датчиком, по отраженному от объекта излучению. Свет от излучателя падает на поверхность и отражается под самыми разными углами, но некоторая доля рассеянного от поверхности объекта излучения попадает в приемник датчика. Схема с рассеянным отражением не столь эффективна, поскольку только малая часть света от излучателя достигает приемника. К тому же подобные датчики не защищены от ложных срабатываний при отражении от блестящих поверхностей. Очевидно также, что цвет объекта играет значительную роль: рабочий диапазон датчика при обнаружении яркого белого объекта будет значительно больше, чем при детектировании черного.

2. Принцип работы датчиков

Оптические датчики являются бесконтактными, то есть механического контакта с наблюдаемым объектом (активатором) не происходит.

В большинстве случаев для повышения помехоустойчивости используют свет не обычного спектра, а излучение лазерного источника света (как правило, красного цвета). Такой источник прост в изготовлении, излучение легко фокусируется в тонкий луч. А благодаря тому, что излучение в видимой части диапазона, положение датчика просто настроить в пространстве.

Современные датчики реагируют только на “свой” участок спектра, что позволяет им чётко работать в условиях помех и плохой видимости.

Каждый датчик работает на своей длине волны. Оптические сигналы со всех датчиков собираются в одно оптическое волокно (мультиплексируются). На входе приемного устройства происходит разделение сигналов по длинам волн (демультиплексирование), и каждый оптический сигнал подается на свое фотоприемное устройство. Данная технология позволяет передавать по одному оптическому волокну сигналы с десятков датчиков.

Рисунок 3 Оптический датчик типа передатчик-приемник с раздельными частями

Передатчик установлен в одном месте, и к нему подведено питание. Он излучает, не выполняя больше никаких функций и не имея настроек. А приемник установлен на отдалении, и там может регулироваться чувствительность и другие параметры и функции (Рисунок 3). Излучатель и приемник должны быть из одной пары (комплекта), хотя могут приобретаться отдельно.

3. Применение оптических датчиков температуры

Большое разнообразие датчиков температуры, работающих на различных физических принципах и изготовленных из различных материалов, позволяет измерять ее даже в самых труднодоступных местах там, где другие параметры измерить невозможно. Так, например, в активной зоне атомных реакторов установлены только датчики температуры, измерение которой позволяет оценить другие теплоэнергетические параметры, такие как давление, плотность, уровень теплоносителя и прочее.

В повседневной жизни, в быту также применяются датчики температуры, например для регулирования отопления на основании измерения температуры теплоносителя на входе и выходе, а также температуры в помещении и наружной температуры; регулирование температуры нагрева воды в автоматических стиральных машинах; регулирование температуры электроплит, электрических духовок и другие.

Оптические датчики как составная часть автоматизированных систем управления технологическими процессами широко применяются для определения наличия и подсчёта количества предметов, присутствия на их поверхности наклеек, надписей, этикеток или меток, позиционирования и сортировки предметов.

С помощью оптических датчиков можно контролировать расстояние, габариты, уровень, цвет и степень прозрачности. Их устанавливают в системы автоматического управления освещением, приборы дистанционного управления, используют в охранных системах.

Заключение

Идеальные для использования во многих приложениях датчики должны обладать такими свойствами, как малый вес, небольшой размер, малая мощность, устойчивость к воздействиям внешней среды и электромагнитная помехозащищенность, хорошие показатели производительности и низкая стоимость. С развитием технологий необходимость в датчиках с подобными характеристиками резко возрастает.

Оптические датчики самая популярная группа датчиков для измерения положения и перемещения объектов. Оптические датчики позволяют выполнять бесконтактное измерение, определять положение объектов перемещающихся с большой скоростью. Расстояние обнаружение может достигать сотен метров, а точность определения положения объекта достигать десятых долей микрона. Датчики, использующие оптический принцип незаменимы для определения положения «горячих» объектов и объектов с низкой диэлектрической проницаемостью.

Датчики, использующие оптический принцип незаменимы для определения положения «горячих» объектов и объектов с низкой диэлектрической проницаемостью.

Оптические датчики как составная часть автоматизированных систем управления широко применяются для определения наличия и количества предметов. Их устанавливают в системы автоматического управления освещением, приборы дистанционного управления, используют в охранных системах.

Список использованной литературы

1. Климков Ю.М., Хорошев М.В. Лазерная техника: Учебное пособие. М.: МИИГАиК, 2014. 143 с.: ил.

2. Сидоров, А.И., Сенсорная фотоника. Учеб. пособие. СПб: Университет ИТМО, 2019. 96 с.

3. Старостин, А.А. Специальные температурные измерения / А.А. Старостин, Е.М. Шлеймович, В. Г. Лисиенко. Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2016. 168 с.

4. Ураксеев М.А., Марченко Д.А., Шишкин С.Л. Современные оптические измерительные устройства // Приборы и системы. УКД. 2001. № 3.

Размещено на Allbest.ru