何迎輝,謝 明,石慧杰,曹勇全

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十八研究所,湖南 長沙 410111；2.薄膜傳感技術(shù)湖南省國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410111)

1 引 言

光電傳感器通過將光強(qiáng)度變化轉(zhuǎn)換成電信號變化來進(jìn)行檢測,一般由光源發(fā)射器、光源接收器和檢測電路構(gòu)成。發(fā)射光源有發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)光二極管,其中紅外是一種不可見光,可以有效地防止周圍可見光的干擾[1-3]?；诩t外光電檢測技術(shù)設(shè)計(jì)的水浸傳感器,測量靈敏高,響應(yīng)時(shí)間快,使用方便,便于安裝,廣泛應(yīng)用于石油、化工、水電、醫(yī)療、建筑、水文監(jiān)測、船舶、飛機(jī)等領(lǐng)域[4]。

紅外光電水浸傳感器,利用光在不同介質(zhì)截面的折射與反射原理進(jìn)行檢測,不受測試介質(zhì)屬性影響,但環(huán)境自然光照射到探頭、水霧覆蓋在探頭上都會影響接收光強(qiáng),從而影響測試準(zhǔn)確度,甚至產(chǎn)生誤報(bào)警[5]。在一些特定行業(yè),需要對是否浸水進(jìn)行長期、實(shí)時(shí)、高精度監(jiān)測,監(jiān)測的準(zhǔn)確性與響應(yīng)速度涉及生命安全與設(shè)備、設(shè)施安全,針對這些行業(yè)應(yīng)用,研究響應(yīng)快、高可靠的紅外光電水浸傳感器具有重要意義[6]。

本文針對影響紅外光電水浸傳感器精度、響應(yīng)時(shí)間、可靠性等的因素進(jìn)行分析,通過對光學(xué)探頭材料與結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),提高傳感器測試精度,通過雙層防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與恒溫加熱設(shè)計(jì),避免強(qiáng)光、凝露等環(huán)境因素對光電檢測的測試干擾,設(shè)計(jì)獲得了高可靠的紅外光電水浸傳感器。

2 紅外光電水浸傳感器工作原理

紅外光電水浸傳感器工作原理框圖如圖1。

圖1 紅外光電水浸傳感器原理框圖

傳感器分光強(qiáng)采集和檢測電路兩大部分,光強(qiáng)采集部分包括光學(xué)探頭、紅外發(fā)射二極管發(fā)光芯體、光敏三極管接收芯體。通過對探頭材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),探頭處于水與空氣兩種介質(zhì)中,接收到的光強(qiáng)不同,檢測電路將不同的光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成模擬輸出與開關(guān)信號,實(shí)現(xiàn)對浸水狀態(tài)的檢測。

檢測電路包括電源模塊、光源驅(qū)動模塊、信號接收模塊和信號處理模塊,電源模塊為整個(gè)產(chǎn)品提供穩(wěn)定的電源,光源驅(qū)動模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動發(fā)光二極管,信號接收模塊負(fù)責(zé)將光電二極管接收的微小電流信號轉(zhuǎn)化成容易處理的電壓信號,信號處理模塊將電壓信號調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)電信號或開關(guān)信號輸出。

光強(qiáng)采集部分基于棱鏡的全反射現(xiàn)象設(shè)計(jì),工作原理如圖2所示。

圖2 光強(qiáng)采集工作原理

當(dāng)探頭在空氣中,發(fā)光芯體發(fā)射的紅外光線在探頭尖端與空氣相臨的界面處連續(xù)發(fā)生兩次反射,發(fā)射的光線基本上全反射回接收芯體,當(dāng)探頭浸入水中,發(fā)光芯體發(fā)出的紅外光線在探頭與水的交界面上發(fā)生兩次折射和反射,折射光線進(jìn)入水中,小部分光線反射回接收芯體。

從工作原理分析可知,要實(shí)現(xiàn)浸水瞬間的快速、準(zhǔn)確測量,設(shè)計(jì)須保證水和空氣介質(zhì)的快速轉(zhuǎn)換,保證光強(qiáng)與光路的穩(wěn)定,保證浸水狀態(tài)下電路可靠工作,其中光路探頭設(shè)計(jì)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與防護(hù)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。

3 紅外光電水浸傳感器總體設(shè)計(jì)

3.1 紅外探頭設(shè)計(jì)

光學(xué)探頭的材料性質(zhì)和結(jié)構(gòu)決定了光的反射強(qiáng)度、光路方向,是保證傳感器靈敏度與穩(wěn)定性的關(guān)鍵件。經(jīng)設(shè)計(jì)和仿真,光學(xué)探頭外形結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 光學(xué)探頭外形結(jié)構(gòu)圖

光學(xué)探頭尖端采用光錐形狀,發(fā)光芯體和接收芯體垂直并列安裝在探頭底面處,芯體發(fā)出的強(qiáng)光垂直入射到探頭尖錐表面,經(jīng)兩次反射后,反射光和入射光平行,最大可能地反射回接收芯體。

用于水浸傳感器的光學(xué)探頭材料必須高透光,減少光強(qiáng)在探頭中的衰減,同時(shí)折射率應(yīng)保證探頭處于空氣中時(shí),界面處發(fā)生全反射,探頭處于水中時(shí),界面處發(fā)生折射。設(shè)計(jì)光學(xué)探頭光路如圖4,其中光線的入射角θi設(shè)計(jì)為45°。

圖4 光學(xué)探頭的光路

當(dāng)光線經(jīng)過兩個(gè)不同折射率的介質(zhì)時(shí),部分的光線會于介質(zhì)的界面被折射,其余的則被反射。當(dāng)入射角比臨界角大時(shí),光線會停止進(jìn)入另一界面,發(fā)生全反射,反之,則發(fā)生反射與折射[7]。臨界角與兩種材料的折射率應(yīng)滿足公式(1):

sinθ=n2/n1

(1)

其中,n1為探頭材料折射率;n2為外部介質(zhì)折射率;θ為臨界角。

當(dāng)外部介質(zhì)為空氣,折射率n2為1.002,探頭界面處光線如果要發(fā)生全反射,臨界角應(yīng)小于入射光線設(shè)計(jì)的45°入射角,根據(jù)式(1)計(jì)算可知,材料的折射率應(yīng)大于1.414。

當(dāng)外部介質(zhì)為水,折射率n2為1.333,探頭界面處光線發(fā)生反射與折射,臨界角應(yīng)大于入射光線設(shè)計(jì)的45°入射角,根據(jù)式(1)計(jì)算可知,材料的折射率應(yīng)小于1.885。

探頭材料的折射率只有保證1.414

聚砜(PSU)材料是一種剛性、高強(qiáng)度、半韌性的非晶型透明塑料,折射率1.633,滿足全反射對材料折射率的要求。材料硬度和沖擊強(qiáng)度高,耐熱、耐寒、耐老化性好,長期使用溫度達(dá)160 ℃,熱穩(wěn)定性高,耐水解、耐一般酸、堿、鹽,有極佳的介電絕緣性,適合作為光學(xué)探頭材料。聚砜材料尺寸穩(wěn)定性好,成型收縮率小,高可靠的水浸傳感器選擇聚砜材料制作精密光學(xué)探頭[8]。

為防止探頭凝結(jié)水霧,影響光的全反射,在探頭圓周側(cè)面設(shè)計(jì)熱電阻恒溫加熱模塊,通過小電流加熱,使探頭保持恒溫干燥,提高測試的準(zhǔn)確性。

3.2 電路設(shè)計(jì)

檢測電路包括電源模塊、光源驅(qū)動模塊、信號接收模塊和信號處理模塊,其中光源驅(qū)動、信號接收和輸出處理設(shè)計(jì)如圖5。

圖5 電路設(shè)計(jì)

第1部分為光源驅(qū)動電路,LED即為發(fā)光二極管,電路中對該二極管進(jìn)行恒流驅(qū)動,使該二極管以恒定功率向外輻射紅外光,確保輻射光強(qiáng)穩(wěn)定。

第2部分為信號接收和放大部分,PD為光電二極管,將接收到的光信號轉(zhuǎn)化為電流信號,流過光電二極管的電流隨其接收到的光照強(qiáng)度增強(qiáng)而增大,從而在電阻R6上產(chǎn)品一個(gè)隨光照強(qiáng)度變化而變化的電壓V1。

第3部分為信號處理和輸出部分,比較器U1和外圍電路構(gòu)成滯回電壓比較器,通過與R6上的電壓V1比較產(chǎn)生最終的輸出信號,采用滯回比較器可以有效防止誤輸出。

水浸傳感器電路設(shè)計(jì)同時(shí)輸出數(shù)字信號與模擬信號。非水狀態(tài)時(shí),LED輻射的紅外光可以全部被PD端接收,模擬信號輸出(2～5)VDC大信號,此時(shí)PD端產(chǎn)生較大電流,R6上電壓V1大于VREF,比較器輸出低電平,傳感器數(shù)字信號輸出(0～0.5)VDC低電平。有水狀態(tài)時(shí),LED輻射的紅外光只有很小一部分被PD端接收,模擬信號輸出(0.1～0.6)VDC小信號,此時(shí)PD端只有微弱的電流信號流過,R6上電壓V1遠(yuǎn)小于VREF,比較器輸出高電平,傳感器數(shù)字信號輸出(4.5～5)VDC高電平,完成浸水檢測。

3.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水浸傳感器的光路探頭需直接接觸水,但檢測電路需完全防水,傳感器探頭與內(nèi)部電氣通過結(jié)構(gòu)緊壓配合與密封膠填充密封,實(shí)現(xiàn)探頭與內(nèi)部紅外發(fā)光二極管、接收光強(qiáng)的光敏三極管、檢測電路的完全隔離,能有效防止外界水、氣等對內(nèi)部電氣的影響。

如果自然光照到探頭部分,或者探頭表面凝水凝霜,都將改變傳感器接收光強(qiáng),影響測試與判定。高可靠水浸傳感器要適應(yīng)各種環(huán)境下的測量,需重點(diǎn)設(shè)計(jì)探頭防護(hù)罩,防護(hù)環(huán)境影響的同時(shí),保證浸水時(shí)探頭能實(shí)時(shí)接觸到水介質(zhì),保證瞬時(shí)快速響應(yīng)。水浸傳感器主體結(jié)構(gòu)及防護(hù)罩結(jié)構(gòu)外形如圖6。

圖6 水浸傳感器主體結(jié)構(gòu)與防護(hù)罩外形圖

傳感器底部安裝光學(xué)探頭,探頭外部設(shè)計(jì)兩層防護(hù)罩,使得探頭處于“暗室”之中,能有效減少外部光線對傳感器的干擾。防護(hù)罩上有交錯(cuò)的開孔位置,在傳感器入水時(shí)能夠保證水流迅速浸沒探頭,保證了對浸水的快速響應(yīng)。

4 試驗(yàn)與測試

高可靠紅外光電水浸傳感器實(shí)物如圖7,采用紅外光電原理,產(chǎn)品輸出的模擬信號與接收光強(qiáng)基本成線性,數(shù)字信號實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品空氣與入水狀態(tài)的迅速翻轉(zhuǎn),在強(qiáng)光、高低溫、鹽霧及其他惡劣環(huán)境下可靠性高,產(chǎn)品主要應(yīng)用在飛機(jī)入水時(shí)的監(jiān)測與判定。

圖7 水浸傳感器實(shí)物圖

4.1 光強(qiáng)影響量測試

針對強(qiáng)光、黑室兩種環(huán)境,分別測試水浸傳感器在雙層防護(hù)罩、單層防護(hù)罩、無防護(hù)罩三種狀態(tài)下,水浸后的模擬信號量,結(jié)果見表1。

表1 水浸傳感器光強(qiáng)試驗(yàn)測試結(jié)果(單位:V)

水浸時(shí),傳感器光學(xué)探頭自發(fā)射的紅外光基本產(chǎn)生折射,但在強(qiáng)光狀態(tài)下,外界強(qiáng)光會對探頭進(jìn)行光補(bǔ)充,使接收到的光強(qiáng)增大,輸出的模擬電壓信號增大。外界強(qiáng)光對產(chǎn)品接收光強(qiáng)量的影響與探頭防護(hù)罩結(jié)構(gòu)有關(guān),沒有有效的防護(hù),產(chǎn)品入水時(shí)模擬信號輸出達(dá)不到0.6 V以下低電平,會產(chǎn)生沒有水浸的誤報(bào)警。設(shè)計(jì)雙層防護(hù)罩結(jié)構(gòu),能有效阻擋外界環(huán)境光強(qiáng)對測試輸出的干擾,提高產(chǎn)品的測試可靠性。

4.2 響應(yīng)時(shí)間測試

隨機(jī)選擇1只水浸傳感器,安裝好雙層防護(hù)罩,采用示波器采集其入水前后的輸出信號,測試產(chǎn)品從低電平到高電平轉(zhuǎn)換的響應(yīng)時(shí)間,共進(jìn)行5次測試。對產(chǎn)品卸除防護(hù)罩,光學(xué)探頭直接裸露在外,重復(fù)上述試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 水浸傳感器響應(yīng)時(shí)間測試結(jié)果(單位:s)

防護(hù)罩對水流浸入到探頭的時(shí)間有影響,但影響量較小,帶有防護(hù)罩的水浸傳感器響應(yīng)時(shí)間不大于0.5 s,符合浸水的快速響應(yīng)要求。

4.3 環(huán)境試驗(yàn)可靠性測試

對水浸傳感器在高溫、低溫、淋雨、濕熱、結(jié)冰等狀態(tài)下的模擬信號進(jìn)行測試,測試結(jié)果見表3。

表3 水浸傳感器不同環(huán)境中輸出信號測試結(jié)果

探頭表面凝結(jié)水汽或結(jié)冰等,會使水浸傳感器空氣中的模擬輸出值減小,但減小的幅度較小,不會因輸出量太小而出現(xiàn)浸水的誤報(bào)警。環(huán)境狀態(tài)對浸水狀態(tài)下的模擬輸出值影響很小,能實(shí)現(xiàn)水浸的可靠檢測。

對水浸傳感器進(jìn)行了高低溫貯存、高低溫工作、溫度沖擊、沖擊、振動、加速度等環(huán)境試驗(yàn)考核,產(chǎn)品試驗(yàn)前、試驗(yàn)中、試驗(yàn)后,空氣中與浸水狀態(tài)下模擬電壓輸出分別在(4.28±0.5)V、(0.5±0.1)V范圍內(nèi),產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性良好。

5 結(jié) 論

采用聚砜(PSU)材料制作光錐形狀的精密探頭,采用紅外二極管發(fā)射光源,采用光敏三極管接收光源,制作高精度的紅外光電敏感探頭,采用雙防護(hù)罩保護(hù)結(jié)構(gòu)對探頭進(jìn)行防護(hù),避免自然光、雨水、凝露、冰凍等對接收光強(qiáng)的干擾,可獲得快速響應(yīng)的高可靠紅外光電水浸傳感器,該產(chǎn)品經(jīng)過溫度與振動等環(huán)境試驗(yàn)考核,產(chǎn)品輸出穩(wěn)定可靠,可推廣應(yīng)用于飛機(jī)、船舶等高端應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行水浸檢測。