工作原理
傳感器主要由三相隔離采樣電路、A/D轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)、DSP器件、D/A轉(zhuǎn)換器、定標(biāo)放大器和專(zhuān)用厚膜集成V/I轉(zhuǎn)換器組成。 三相交流輸入信號(hào)經(jīng)三相隔離采樣電路后，形成三相電流、三相電壓信號(hào)的共地跟蹤電壓信號(hào)，在單片機(jī)控制下由A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)其進(jìn)行多點(diǎn)同步采樣，采樣得到的數(shù)據(jù)由DSP器件按電工原理計(jì)算出被測(cè)信號(hào)的三相有功功率（數(shù)字量），再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器把代表三相功率的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量，由定標(biāo)放大器放大、定標(biāo)后，形成直流電壓輸出VZ；VZ輸出經(jīng)專(zhuān)用厚膜集成V/I變換器后形成0～20mA或4～20mA直流電流輸出IZ。 本系列產(chǎn)品的關(guān)鍵是計(jì)算機(jī)軟件和運(yùn)行速度。為了保證功率測(cè)量的真實(shí)性，必須保證各路電壓、電流信號(hào)同時(shí)被采樣；為了保證功率測(cè)量的準(zhǔn)確性，必須保證在一個(gè)正弦波時(shí)間間隔內(nèi)采樣點(diǎn)數(shù)足夠多（一般來(lái)說(shuō)采樣點(diǎn)數(shù)應(yīng)大于20）。采樣點(diǎn)數(shù)多、數(shù)據(jù)量大，就對(duì)計(jì)算速度提出了高的要求，必須保證計(jì)算程序在一個(gè)正弦波周期內(nèi)完成全部運(yùn)算。 在計(jì)算機(jī)軟件控制下，傳感器可以直接輸出測(cè)得的功率數(shù)據(jù)， 三相三線電路：P＝UAB×IA×COSφ＋UBC×IB×COSφ 三相四線電路：P＝UA×IA×COSφ＋UB×IB×COSφ＋UC×IC×COSφ 這時(shí)輸出信號(hào)是帶方向的，比如WBP311P71 2.5V±2.5V直流電壓輸出的傳感器。當(dāng)功率輸入為0時(shí)，傳感器功率輸出值為2.5V；當(dāng)三相電流正向流動(dòng)時(shí)，傳感器功率輸出值從2.5V基礎(chǔ)上增加，輸入達(dá)額定值時(shí)，功率輸出值為5V；當(dāng)三相電流反向流動(dòng)時(shí)，功率輸出值從2.5V基礎(chǔ)上減少，輸入達(dá)額定值時(shí)，功率輸出值為0V。 在計(jì)算機(jī)軟件控制下，傳感器可以輸出測(cè)得的功率數(shù)據(jù)的絕對(duì)值， 三相三線電路：P＝│UAB×IA×COSφ＋UBC×IB×COSφ│ 三相四線電路：P＝│UA×IA×COSφ＋UB×IB×COSφ＋UC×IC×COSφ│ 這時(shí)輸出信號(hào)是不帶方向的，比如WBP312P71 0～5V直流電壓輸出的傳感器。當(dāng)功率輸入為0時(shí)，傳感器功率輸出值為0V；當(dāng)三相電流同時(shí)改變方向時(shí)，傳感器的功率輸出值保持不變。 厚膜集成V/I轉(zhuǎn)換器是我公司配套開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用器件，它把直流電壓信號(hào)變換為0～20mA直流電流輸出。配加高穩(wěn)定的偏置電路后，可以形成4mA～20mA輸出。 五 傳感器的安裝與接口 本系列產(chǎn)品均采用便于現(xiàn)場(chǎng)使用的端子接線、卡裝方式（P型結(jié)構(gòu)）。三相電流均采用穿心輸入方式，三相電壓均采用接線輸入方式。當(dāng)被測(cè)電流大于30A時(shí)，采用外置互感器配合測(cè)量。 產(chǎn)品特點(diǎn) 1. 體積小、重量輕、精度高、功耗低，線性范圍寬； 2. 采用DSP技術(shù)和專(zhuān)業(yè)計(jì)算軟件，高速處理采樣數(shù)據(jù)，保證輸出數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。 3. 自帶看門(mén)狗，抗干擾能力強(qiáng)。 4. 電壓輸入電路、電流輸入電路與輸出電路3方隔離，輸出信號(hào)可以共地。 5. 輸出形式多樣，滿(mǎn)足各種使用要求； 6. 既有用于單相電路的產(chǎn)品，也有用于3相電路的產(chǎn)品； 7. 溫度范圍寬，提供商業(yè)級(jí)、工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，部分型號(hào)提供軍用級(jí)產(chǎn)品； 8. 結(jié)構(gòu)形式多樣，端子接線方式，DIN卡式安裝，現(xiàn)場(chǎng)使用方便。
光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件，首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)樾盘?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)。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件3部分組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，體積小。近年來(lái)，隨著光電技術(shù)的發(fā)展，光電傳感器已成為系列產(chǎn)品，其品種及產(chǎn)量日益增加，用戶(hù)可根據(jù)需要選用各種規(guī)格產(chǎn)品，在各種輕工自動(dòng)機(jī)上獲得廣泛的應(yīng)用。
1 光電式帶材跑偏檢測(cè)器
帶材跑偏檢測(cè)器用來(lái)檢測(cè)帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào)，主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過(guò)程中。
光電式帶材跑偏檢測(cè)器原理如圖1所示。光源發(fā)出的光線經(jīng)過(guò)透鏡1會(huì)聚為行光束，投向透鏡2，隨后被會(huì)聚到光敏電阻上。在平行光束到達(dá)透鏡2的途中，有部分光線受到被測(cè)帶材的遮擋，使傳到光敏電阻的光通量減少。
圖1 帶材跑偏檢測(cè)器工作原理
圖2為測(cè)量電路簡(jiǎn)圖。R1、R2是同型號(hào)的光敏電阻。R1作為測(cè)量元件裝在帶材下方，R2用遮光罩罩住，起溫度補(bǔ)償作用。當(dāng)帶材處于正確位置（ 中間位）時(shí)，由R1、R2、R3、R4組成的電橋平衡，使放大器輸出電壓U0為0。當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減少，光敏電阻R1阻值減少，電橋失去平衡。差動(dòng)放大器將這一不平衡電壓加以放大，輸出電壓為負(fù)值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。反之，當(dāng)帶材右偏時(shí)，U0為正值。輸出信號(hào)U0一方面由顯示器顯示出來(lái)，另一方面被送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號(hào)。
圖2 帶材跑偏檢測(cè)器測(cè)量電路
2 包裝充填物高度檢測(cè)
用容積法計(jì)量包裝的成品，除了對(duì)重量有一定誤差范圍要求外，一般還對(duì)充填高度有一定的要求，以保證商品的外觀質(zhì)量，不符合充填高度的成品將不許出廠。圖3所示為借助光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度的原理。當(dāng)充填高度h偏差太大時(shí)，光電接頭沒(méi)有電信號(hào)，即由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將包裝物品推出進(jìn)行處理。
圖3 利用光電檢測(cè)技術(shù)控制充填高度
3 光電色質(zhì)檢測(cè)
圖4為包裝物料的光電色質(zhì)檢測(cè)原理。若包裝物品規(guī)定底色為白色，因質(zhì)量不佳，有的出現(xiàn)泛黃，在產(chǎn)品包裝前先由光電檢測(cè)色質(zhì)，物品泛黃時(shí)就有比較電壓差輸出，接通電磁閥，由壓縮空氣將泛黃物品吹出。
圖4 包裝物料的光電色質(zhì)檢測(cè)原理
4 彩塑包裝制袋塑料薄膜位置控制
圖5為包裝機(jī)塑料薄膜位置控制系統(tǒng)原理。成卷的塑料薄膜上印有商標(biāo)和文字，并有定位色標(biāo)。包裝時(shí)要求商標(biāo)及文字定位準(zhǔn)確，不得將圖案在中間切斷。薄膜上商標(biāo)的位置由光電系統(tǒng)檢測(cè)，并經(jīng)放大后去控制電磁離合器。薄膜上色標(biāo)（ 不透光的一小塊面積，一般為黑色）未到達(dá)定位色標(biāo)位置時(shí)，光電系統(tǒng)因投光器的光線能透過(guò)薄膜而使電磁離合器有電而吸合，薄膜得以繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，薄膜上的色標(biāo)到達(dá)定位色標(biāo)位置時(shí)，因投光器的光線被色標(biāo)擋住而發(fā)出到位的信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)光電變換、放大后，使電磁離合器斷電脫開(kāi)，薄膜就準(zhǔn)確地停在該位置，待切斷后再繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。
圖5 薄膜位置控制系統(tǒng)示意圖
當(dāng)薄膜上的色標(biāo)未到達(dá)光電管時(shí)，光電繼電器線圈無(wú)電流通過(guò)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)薄膜繼續(xù)前進(jìn)。當(dāng)色標(biāo)到達(dá)光電管位置時(shí)，光電繼電器線圈有電流，伺服電機(jī)立即停轉(zhuǎn)，因而薄膜就停在那一個(gè)位置。當(dāng)切斷動(dòng)作完成后，又使伺服電機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖6所示。
圖6 薄膜位置控制示意圖
5 其他方面的應(yīng)用
利用光電開(kāi)關(guān)還可以進(jìn)行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、對(duì)裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，例如灌裝時(shí)瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼（見(jiàn)圖7），以及送料機(jī)構(gòu)是否斷料（見(jiàn)圖8）等。
圖7 瓶子灌裝檢測(cè)示意圖 圖8 送料機(jī)構(gòu)檢測(cè)示意圖
此外，利用反射式光電傳感器可以檢測(cè)布料的有無(wú)和寬度（見(jiàn)圖9）。利用遮擋式光電傳感器檢測(cè)布料的下垂度，其結(jié)果可用于調(diào)整布料在傳送中的張力，利用安裝在框架上的反射式光電傳感器可以發(fā)現(xiàn)漏裝產(chǎn)品的空箱，并利用油缸將空箱推出。
工作原理
目前，熱流量傳感器的工作原理主要有熱損失型和熱溫差型。當(dāng)流體流過(guò)加熱體的時(shí)候，上游的溫度下降會(huì)比下游快，從而導(dǎo)致加熱體附近熱場(chǎng)會(huì)發(fā)生變化。通過(guò)測(cè)量這個(gè)溫度差可以同時(shí)反映風(fēng)速和風(fēng)向。
對(duì)于二維熱溫差型風(fēng)速計(jì)芯片，對(duì)流體感生的溫度梯度進(jìn)行分解，可以得到
式中s為溫差對(duì)風(fēng)速的靈敏度系數(shù)。
對(duì)于阻值為R溫度系數(shù)為α的測(cè)溫電阻，惠斯通電橋的輸出電壓分量為
3 有限元模擬
為了縮短研發(fā)周期，研究熱風(fēng)速計(jì)在不同風(fēng)速和風(fēng)向情況下的表面溫度分布，利用ANSYS對(duì)恒功率工作方式下的芯片表面溫度進(jìn)行了一系列模擬。為了便于ANSYS實(shí)體建模，進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化：考慮到鈦鉑電阻的厚度很薄而且間隙很小，用薄膜代替，并采用等效熱導(dǎo)率。此外，壓焊塊的影響也被忽略。加熱電阻半徑為450 μm，四周扇形測(cè)溫電阻內(nèi)徑為500 μm，外徑為1200 μm。考慮到風(fēng)吹過(guò)芯片表面要符合層流邊界條件，模型中空氣層的厚度取為500 μm。
為了提高有限元模擬的精度，利用ANSYSICEM CFD的模塊(Block)方法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后導(dǎo)入ANSYS CFX進(jìn)行計(jì)算與分析。具體實(shí)施在CFX-Pre中，定義出流體域和固體域，并設(shè)置流-固耦合面和邊界條件；設(shè)置計(jì)算參數(shù)，并將結(jié)果送入CFX-Solver進(jìn)行計(jì)算；利用CFX-Post查看計(jì)算結(jié)果。從圖2可以看出，熱損失和熱溫差原理都可以用于風(fēng)速測(cè)量，但是后者輸出較小，且存在量程限制。當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，由于上風(fēng)口不可能比環(huán)境溫度更低，而下風(fēng)口不可能比加熱條溫度更高，所以△T會(huì)飽和，熱溫差測(cè)量風(fēng)速的時(shí)候量程受限。圖3為幾個(gè)典型風(fēng)速情況下，芯片的溫差隨著風(fēng)向360°變化時(shí)都呈正弦變化。
4 測(cè)試結(jié)果
本傳感器加工工藝簡(jiǎn)單，利用單步剝離工藝即可在玻璃襯底上完成芯片加工。在室溫下，芯片加熱條和測(cè)溫電阻分別為400 Ω和2 kΩ，溫度系數(shù)為1.05×10-3。本文在恒定加熱功率工作方式下，對(duì)不同風(fēng)速情況下的傳感器進(jìn)行了360°風(fēng)向測(cè)試。測(cè)試方法為固定加熱條電壓，將測(cè)溫電阻接成惠斯通電橋，然后利用儀器放大器進(jìn)行放大輸出。當(dāng)加熱條兩端電壓為2 V時(shí)，輸出電壓如圖4所示，兩路輸出隨風(fēng)向分別隨角度呈正弦和余弦變化。經(jīng)過(guò)反正切計(jì)算，誤差不超過(guò)10％。圖中T132，T135為風(fēng)速分別在2，5 m／s時(shí)測(cè)溫電阻1，3間的溫差；T242，T245為風(fēng)速分別在2，5m／s時(shí)測(cè)溫電阻2，4間的溫差。
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