《光纤传感器与光电传感器的区别及应用分析》

  • 来源专题:集成电路
  • 编译者: shenxiang
  • 发布时间:2020-11-13
  • 光纤传感器属于光电传感器中的一种,相对来说,光纤传感器通常比普通的光电传感器的精度要高,普通的光电传感器是指传感器上直接发光、收光,由于光的扩散等原因,收光量的大小无法精确控制,即导致检测的精度无法提高精度,而光纤传感器通过光纤线传输光线,提高光束的聚拢程度,易判断收光量的大小,检测精度要高。

    1、定义不同

    光电传感器:光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时,物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。

    光纤传感器:光纤传感器是一种将被测对象的状态转变为可测的光信号的传感器。光纤传感器的工作原理是将光源入射的光束经由光纤送入调制器, 在调制器内与外界被测参数的相互作用,使光的 光学 性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化,成为被调制的光信号,再经过光纤送入光电器件、经解调器后获得被测参数。

    2、性能不同

    光电传感器:暂态响应范围宽,谐波 测量 能力强,暂态特性的优劣是判断一种 互感器 能否在电力系统中获得应用的一个重要参数,特别是与继电保护动作时间的配合。传统电磁式互感器由于存在铁芯,对高频信号的响应特性较差,不能正确反映一次侧的暂态过程。 而光电互感器传测量的频率范围主要由电子线路部分决定,没有铁芯饱和的问题,因此能够准确反映一次侧的暂态过程。一般可设计到0.1Hz到1MHz,特殊的可设计到200MHz的带通。光电传感器的结构可以测量高压电力线路上的谐波。而 电磁感应 互感器是难以达到的。

    数字 接口 ,通信能力强,由于光电传感器下传的就是光数字信号,与通信网络容易接口,且传输过程中没有测量误差。 同时随着微机化的保护控制设备的广泛采用,光电互感器可以直接向二次设备提供数字量,这样就能省去原来保护装置中的变换器和A/D采样部分,使二次设备得到大大的简化,推动保护新原理的研究。

    体积小,重量轻、易升级,满足变电站小型化与紧凑型的要求,由于光电传感器是靠传感头和电子线路进行信号的获取和处理,体积小,重量一般在1000kg以下, 便于集成在 AI S或GIS中,这样将大大减少变电站的占地面积,满足变电站小型化和紧凑化的要求。同时光电互感器通过少量光缆与二次设备连接,可使 电缆 沟和电缆大为减。

    光纤传感器:光纤具有很多优异的性能,例如:具有抗电磁和原子辐射干扰的性能,径细、质软、重量轻的 机械 性能;绝缘、无感应的 电气性能 ;耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能等, 它能够在人达不到的地方,或者对人有害的地区(如核辐射区),起到人的耳目的作用,而且还能超越人的生理界限,接收人的感官所感受不到的外界信息。

    3、应用不同

    光电传感器:用 光电元件 作敏感元件的光电传感器,其种类繁多,用途广泛。按光电传感器的输出量性质可分为两类:把被测量转换成连续变化的光电流而制成的光电测量仪器,可用来测量光的强度以及物体的温度、透光能力、位移及表面状态等物理量。 例如:测量光强的照度计,光电高温计,光电比色计和浊度计,预防火灾的光电报警器,构成检查被加工零件的直径、长度、椭圆度及表面粗糙度等自动检测装置和仪器,其敏感元件均用光电元件。半导体光电元件不仅在民用工业领域中得到广泛的应用,在军事上更有它重要的地位。

    例如用硫化铅 光敏电阻 可做成 红外 夜视仪、红外线照相仪及红外线导航系统等;把被测量转换成继续变化的光电流。利用光电元件在受光照或无光照射时"有"或"无"电信号输出的特性制成的各种光电自动装置。 光电元件用作 开关 式光电转换元件。例如电子 计算机 的光电输入器,开关式温度调节装置及转速测量数字式光电测速仪等。

    光纤传感器:城市建设中桥梁、大坝、油田等的干涉 陀螺仪 和光栅 压力传感器 的应用。光纤传感器可预埋在混凝土、碳 纤维 增强塑料及各种复合材料中,用于 测试 应力松弛、施工应力和动荷载应力,从而评估桥梁短期施工阶段和长期营运状态的结构性能。 在电力系统,需要测定温度、 电流 等参数,如对高压 变压器 和大型电机的定子、转子内的温度检测等,由于电类传感器易受电磁场的干扰,无法在这类场合中使用,只能用光纤传感器。

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    • 目录 1、测距应用要求 2、光电测距原理对比 3、IO-LinkVS 模拟量 4、SICKIO-Link 网关—SIG350&SIG200 5、西克光电测距方案 测距应用要求 光学测距需求常见于3C产品装配、半导体加工等高精尖行业。这些行业对测距精度要求较高,通常是微米级,通过对距离的控制与监测实现对产品加工质量的正确控制。 近年来,随着锂电行业、重力储能及瓦楞纸等行业的快速发展,光学测距也逐渐被应用在这些新兴行业的重点工艺流程中,例如: 1、锂电行业 涂布机放卷处余料监控 辊压分切机放卷及收卷处卷径监控 卷绕机收放卷卷径测量 2、重力储能行业 升降机高度监控 升降机的到位监测 3、瓦楞纸及包装行业 接纸机工位,卷径测量,调整张力及相对位置 包装设备包装材料余料检测,张力调节 相比于3C及半导体行业,这些新兴行业对于光学测距的精度要求相对较低,通常毫米级的重复精度即可满足客户需求,检测范围通常从50mm-2000mm不等。 ● 高精度的光学测距传感器价格较高,性能远超客户需求,因此产生了一个产品与市场的GAP: ● CMOS原理高精度测距传感器:精度高,性能高,高价值 ToF 原理测距传感器:尺寸大,适合远距离,近距离盲区大。 光电测距原理对比 当前,主流的光学测距原理有两种:时间飞行与激光位移。二者互有优劣,根据其自身特点,有着明显的应用区别: ● ToF原理:远距离测量,最远可达1500m,重复精度毫米级,适合远距离定位,广泛用于轨道、物流等行业。 ● CMOS激光位移:近距离测量,最小可达20mm以内,重复精度最高可达0.01um,适合紧凑空间下的精细检测,广泛用于锂电、半导体、3C行业 结合市场需求,SICK推出了依据三角原理测距的光电传感器:将测距功能集成在光电体内,最短可达15mm,最远支持850mm。重复精度毫米级,适合锂电、包装及升降机等行业的距离控制。 IO-Link VS 模拟量 1、什么是IO-Link IO-Link是一种独立于现场总线、开放式的点对点的通信,是适用于工业控制中最底层的设备的工业通讯接口。被称为“自动化的最后一米”。 一个完整的IO-Link系统,通常包括多个IO-Link设备(包括IO-Link传感器,IO-Link集线器及标准I/O传感器等),通过标准电缆与IO-Link主站(如SIG200)相连。 ● 第一个全球标准化IO技术(IEC 61131-9)与传感器和执行器通信 ● 最大电缆长度为20m ● 提供典型的扫描周期 2.3ms ● 允许访问大量传感器数据 ,能和现场总线连接 2、传统方案 VS IO-Link方案 传统方案: ● 所有运算及逻辑都需要PLC编程完 ● 如需高速计转速、物体个数,还需另外搭载高速计数模块 ● 编程较复杂,修改和排查耗时长 SICK方案: ● IO-Link网关从不同的传感器/执行器收集I/O信号或IO-Link信号(例如测量值) ● 全面诊断传感器传感器的选项 ● 数据被进一步传输→SIG200将IO-Link或DI/DO信号转换为现场总线(Profinet等)或REST API 通讯信息 3、接线方案与成本对比 传统方案: ● 为减弱现场EMC干扰造成的信号失真,模拟量传感器需配有专门的屏蔽线缆,而屏蔽线缆的价格往往是普通标准IO线缆的4倍甚至更高 ● 接线繁杂、用时长、容易出错,外包布线后经常出现EMC干扰,信号不稳定等情况,需额外人工排查 ● 需要经过模数转换,存在信号失真 SICK方案: ● IO-Link数字量输出,使用标准IO线缆,接线成本更低廉,且数字量输出无惧电磁干扰,信号质量高 ● 无需数模转换,直接数字量输出,减少信号失真问题 ● 一个网关最多支持8个IO-Link传感器,接线简单,布线方便,传感器出错易排查。 4、调试与更换 传统方案: ● 传感器出错后,需要人工排查与重新调试,停机维护成本高 ● 部分工厂环境相对恶劣,人工介入维护对人体产生损伤 ● 更换传感器时,人工调试更易引入操作误差 SICK方案: ● 传感器数据可直接上传至云端,通过大数据分析等技术,制定相应的维护与保养计划 ● 传感器状态实时监控,可以根据状态参数进行预测性维护,减少意外停机成本 ● 更换传感器可直接从云端下载配置参数文件,无需人工调整,即插即用,省时省力 ● 传感器参数可复制,可以复制到其他传感器,快速批量调节 5、方案总结 IO-Link属于点对点的数字量通讯,与传统的模拟量信号相比,不易受外部干扰,无需使用屏蔽电缆,也可以消除模拟量中数模转换导致的信号失真问题,同时IO-Link信号可远程读取传感器参数,也可以远程监控及设置传感器 传统模拟量: ● 容易传输线路上受干扰,需使用屏蔽线缆 ● 测量值需经多次数模转换,易导致数据失真 IO-Link信号: ● 数字信号传输,不惧干扰,无需使用屏蔽线缆 ● 直接输出数字量、无需转换、数据更可靠 ● 数据双向通讯、可远程监控传感器状态,也可远程调试传感器 ● 开关量与数字量共用,无需更改接线 SICKIO-Link 网关——SIG350 & SIG200 SIG350 为工厂自动化和物流自动化而生 ● 简化装配线的安装工作 ● 监控数据的动态变化来预告风险,减少停机时间 ● 高效集成多个传感器与执行器 ● 可视化并分析IIOT应用中的数据,精确到每个传感器与执行器 ● 新增端口类型Class B,可支持直流电机或阀岛等的连接 SIG200是IO-LINK工业网关,可以收集IO-LINK信号和I/O信号转化为总线信号与上位机通讯,同时支持REST API(基于HTTP的通讯协议)。内部集成逻辑编辑器,可进行与、或、非、计时、计数等简单逻辑工作,实现边缘计算。 五大获益: ● 运行状态可视化,便于诊断与维护 ● 同时搭载普通IO及带通讯的智能传感器,由SIG200汇总信息上传上位机或云端 ● 通过软件简易编程,无需修改PLC程序 ● 简洁布线,减少排查时间,提高保护等级 ● 配置时间短,参数可存储至云端,更换只需下载 西克光电测距方案 1、配置列表 2、SIG200 边缘计算功能演示 ● 可通过免费软件SOPAS进行简易编程 ● SIG100/SIG200具备多种功能块,如计时、计数、逻辑判断等。同时支持高速累加计数,而无需额外配置高速计数模块 ● 用户无法修改PLC内部内部程序时,使用SIG200边缘计算实现简单逻辑编程,而无需修改PLC程序 (来源:西克) .
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    • 在前一系列“携手ifm传感器技术,探索汽车行业无限可能”中,我们分4期,分别从冲压、焊接、涂装、总装等4大汽车制造工艺入手。介绍了各种典型的自动化传感器应用,以及ifm为各大车间提供的解决方案。错过的小伙伴们可点击下方链接回看。 往期回顾 第一弹:ifm PMD光电传感器精准检测距离、反光度和微小零部件 第二弹:ifm 过程状态检测解决方案确保焊接过程安全 可靠 第三弹:用于涂装车间的ifm基于振动分析的预测性维护解决方案 第四弹:汽车总装车间的RFID追踪追溯解决方案 由于汽车行业是自动化应用非常广泛,而且自动化需求极具代表性的行业,一直是ifm所关注的重点。在该系列的介绍文章推出之后,也受到了大家的广泛关注和探讨。 接下来,我们还将不定期地对这一行业进行加更放送,为大家带来更多详细的应用介绍。本期就是加更的汽车行业外篇之——冲压工艺之压机传感器应用解析 首先,作为汽车制造生产中的龙头工艺,在冲压过程中冲压设备会和冲压模具合力将钣金件,按照工程师规划的尺寸和精度做成车身需要的造型,从而为下一步的焊接工艺做好准备,整个过程是高度自动化的,需要大量的传感器,以收集现场数据。 冲压车间最重要的设备是压机,在冲压过程中,如果压力超出材料的弹性极限,会导致金属板材出现裂纹,此时保证冲压设备的稳定可靠运行显得尤为重要。ifm的PN、TR和LI系列传感器,可以监控液压装置的压力、温度以及液位状态,保障压机的正常运行。 PN系列压力传感器 ●采用陶瓷电容原理分层式结构,可以有效的抵抗压力峰值 ●比传统机械式压力开关更可靠 ●提供两路信号输出,三种信号方式,方便多种控制方案 ●进行了可视化的改进,更加易于使用 更多详情介绍 TR系列温度传感器 ●采用模块化结构,温度探头与评估单元分体式设计安装灵活, ●可应对高温极端环境,适应更多场合 ●和PN系列一样也进行了可视化的改进,易于使用。 更多详情介绍 LI系列液位传感器 ●获得专利的电容传感技术, ●通过增强型算法可以快速检测容器的最低液位泄露和过溢, ●清晰可见的LED显示方便现场观测。 更多详情介绍 .