高可靠红外光电水浸传感器研制

何迎辉,谢 明,石慧杰,曹勇全

(1.中国电子科技集团公司第四十八研究所,湖南 长沙 410111；2.薄膜传感技术湖南省国防科技重点实验室,湖南 长沙 410111)

1 引 言

光电传感器通过将光强度变化转换成电信号变化来进行检测,一般由光源发射器、光源接收器和检测电路构成。发射光源有发光二极管(LED)、激光二极管及红外发光二极管,其中红外是一种不可见光,可以有效地防止周围可见光的干扰[1-3]。基于红外光电检测技术设计的水浸传感器,测量灵敏高,响应时间快,使用方便,便于安装,广泛应用于石油、化工、水电、医疗、建筑、水文监测、船舶、飞机等领域[4]。

红外光电水浸传感器,利用光在不同介质截面的折射与反射原理进行检测,不受测试介质属性影响,但环境自然光照射到探头、水雾覆盖在探头上都会影响接收光强,从而影响测试准确度,甚至产生误报警[5]。在一些特定行业,需要对是否浸水进行长期、实时、高精度监测,监测的准确性与响应速度涉及生命安全与设备、设施安全,针对这些行业应用,研究响应快、高可靠的红外光电水浸传感器具有重要意义[6]。

本文针对影响红外光电水浸传感器精度、响应时间、可靠性等的因素进行分析,通过对光学探头材料与结构的优化设计,提高传感器测试精度,通过双层防护结构设计与恒温加热设计,避免强光、凝露等环境因素对光电检测的测试干扰,设计获得了高可靠的红外光电水浸传感器。

2 红外光电水浸传感器工作原理

红外光电水浸传感器工作原理框图如图1。

图1 红外光电水浸传感器原理框图

传感器分光强采集和检测电路两大部分,光强采集部分包括光学探头、红外发射二极管发光芯体、光敏三极管接收芯体。通过对探头材料与结构进行设计,探头处于水与空气两种介质中,接收到的光强不同,检测电路将不同的光强信号转换成模拟输出与开关信号,实现对浸水状态的检测。

检测电路包括电源模块、光源驱动模块、信号接收模块和信号处理模块,电源模块为整个产品提供稳定的电源,光源驱动模块负责驱动发光二极管,信号接收模块负责将光电二极管接收的微小电流信号转化成容易处理的电压信号,信号处理模块将电压信号调理成标准电信号或开关信号输出。

光强采集部分基于棱镜的全反射现象设计,工作原理如图2所示。

图2 光强采集工作原理

当探头在空气中,发光芯体发射的红外光线在探头尖端与空气相临的界面处连续发生两次反射,发射的光线基本上全反射回接收芯体,当探头浸入水中,发光芯体发出的红外光线在探头与水的交界面上发生两次折射和反射,折射光线进入水中,小部分光线反射回接收芯体。

从工作原理分析可知,要实现浸水瞬间的快速、准确测量,设计须保证水和空气介质的快速转换,保证光强与光路的稳定,保证浸水状态下电路可靠工作,其中光路探头设计、产品结构与防护设计是关键。

3 红外光电水浸传感器总体设计

3.1 红外探头设计

光学探头的材料性质和结构决定了光的反射强度、光路方向,是保证传感器灵敏度与稳定性的关键件。经设计和仿真,光学探头外形结构如图3。

图3 光学探头外形结构图

光学探头尖端采用光锥形状,发光芯体和接收芯体垂直并列安装在探头底面处,芯体发出的强光垂直入射到探头尖锥表面,经两次反射后,反射光和入射光平行,最大可能地反射回接收芯体。

用于水浸传感器的光学探头材料必须高透光,减少光强在探头中的衰减,同时折射率应保证探头处于空气中时,界面处发生全反射,探头处于水中时,界面处发生折射。设计光学探头光路如图4,其中光线的入射角θi设计为45°。

图4 光学探头的光路

当光线经过两个不同折射率的介质时,部分的光线会于介质的界面被折射,其余的则被反射。当入射角比临界角大时,光线会停止进入另一界面,发生全反射,反之,则发生反射与折射[7]。临界角与两种材料的折射率应满足公式(1):

sinθ=n2/n1

(1)

其中,n1为探头材料折射率;n2为外部介质折射率;θ为临界角。

当外部介质为空气,折射率n2为1.002,探头界面处光线如果要发生全反射,临界角应小于入射光线设计的45°入射角,根据式(1)计算可知,材料的折射率应大于1.414。

当外部介质为水,折射率n2为1.333,探头界面处光线发生反射与折射,临界角应大于入射光线设计的45°入射角,根据式(1)计算可知,材料的折射率应小于1.885。

探头材料的折射率只有保证1.414

聚砜(PSU)材料是一种刚性、高强度、半韧性的非晶型透明塑料,折射率1.633,满足全反射对材料折射率的要求。材料硬度和冲击强度高,耐热、耐寒、耐老化性好,长期使用温度达160 ℃,热稳定性高,耐水解、耐一般酸、碱、盐,有极佳的介电绝缘性,适合作为光学探头材料。聚砜材料尺寸稳定性好,成型收缩率小,高可靠的水浸传感器选择聚砜材料制作精密光学探头[8]。

为防止探头凝结水雾,影响光的全反射,在探头圆周侧面设计热电阻恒温加热模块,通过小电流加热,使探头保持恒温干燥,提高测试的准确性。

3.2 电路设计

检测电路包括电源模块、光源驱动模块、信号接收模块和信号处理模块,其中光源驱动、信号接收和输出处理设计如图5。

图5 电路设计

第1部分为光源驱动电路,LED即为发光二极管,电路中对该二极管进行恒流驱动,使该二极管以恒定功率向外辐射红外光,确保辐射光强稳定。

第2部分为信号接收和放大部分,PD为光电二极管,将接收到的光信号转化为电流信号,流过光电二极管的电流随其接收到的光照强度增强而增大,从而在电阻R6上产品一个随光照强度变化而变化的电压V1。

第3部分为信号处理和输出部分,比较器U1和外围电路构成滞回电压比较器,通过与R6上的电压V1比较产生最终的输出信号,采用滞回比较器可以有效防止误输出。

水浸传感器电路设计同时输出数字信号与模拟信号。非水状态时,LED辐射的红外光可以全部被PD端接收,模拟信号输出(2～5)VDC大信号,此时PD端产生较大电流,R6上电压V1大于VREF,比较器输出低电平,传感器数字信号输出(0～0.5)VDC低电平。有水状态时,LED辐射的红外光只有很小一部分被PD端接收,模拟信号输出(0.1～0.6)VDC小信号,此时PD端只有微弱的电流信号流过,R6上电压V1远小于VREF,比较器输出高电平,传感器数字信号输出(4.5～5)VDC高电平,完成浸水检测。

3.3 结构设计

水浸传感器的光路探头需直接接触水,但检测电路需完全防水,传感器探头与内部电气通过结构紧压配合与密封胶填充密封,实现探头与内部红外发光二极管、接收光强的光敏三极管、检测电路的完全隔离,能有效防止外界水、气等对内部电气的影响。

如果自然光照到探头部分,或者探头表面凝水凝霜,都将改变传感器接收光强,影响测试与判定。高可靠水浸传感器要适应各种环境下的测量,需重点设计探头防护罩,防护环境影响的同时,保证浸水时探头能实时接触到水介质,保证瞬时快速响应。水浸传感器主体结构及防护罩结构外形如图6。

图6 水浸传感器主体结构与防护罩外形图

传感器底部安装光学探头,探头外部设计两层防护罩,使得探头处于“暗室”之中,能有效减少外部光线对传感器的干扰。防护罩上有交错的开孔位置,在传感器入水时能够保证水流迅速浸没探头,保证了对浸水的快速响应。

4 试验与测试

高可靠红外光电水浸传感器实物如图7,采用红外光电原理,产品输出的模拟信号与接收光强基本成线性,数字信号实现了产品空气与入水状态的迅速翻转,在强光、高低温、盐雾及其他恶劣环境下可靠性高,产品主要应用在飞机入水时的监测与判定。

图7 水浸传感器实物图

4.1 光强影响量测试

针对强光、黑室两种环境,分别测试水浸传感器在双层防护罩、单层防护罩、无防护罩三种状态下,水浸后的模拟信号量,结果见表1。

表1 水浸传感器光强试验测试结果(单位:V)

水浸时,传感器光学探头自发射的红外光基本产生折射,但在强光状态下,外界强光会对探头进行光补充,使接收到的光强增大,输出的模拟电压信号增大。外界强光对产品接收光强量的影响与探头防护罩结构有关,没有有效的防护,产品入水时模拟信号输出达不到0.6 V以下低电平,会产生没有水浸的误报警。设计双层防护罩结构,能有效阻挡外界环境光强对测试输出的干扰,提高产品的测试可靠性。

4.2 响应时间测试

随机选择1只水浸传感器,安装好双层防护罩,采用示波器采集其入水前后的输出信号,测试产品从低电平到高电平转换的响应时间,共进行5次测试。对产品卸除防护罩,光学探头直接裸露在外,重复上述试验,试验结果见表2。

表2 水浸传感器响应时间测试结果(单位:s)

防护罩对水流浸入到探头的时间有影响,但影响量较小,带有防护罩的水浸传感器响应时间不大于0.5 s,符合浸水的快速响应要求。

4.3 环境试验可靠性测试

对水浸传感器在高温、低温、淋雨、湿热、结冰等状态下的模拟信号进行测试,测试结果见表3。

表3 水浸传感器不同环境中输出信号测试结果

探头表面凝结水汽或结冰等,会使水浸传感器空气中的模拟输出值减小,但减小的幅度较小,不会因输出量太小而出现浸水的误报警。环境状态对浸水状态下的模拟输出值影响很小,能实现水浸的可靠检测。

对水浸传感器进行了高低温贮存、高低温工作、温度冲击、冲击、振动、加速度等环境试验考核,产品试验前、试验中、试验后,空气中与浸水状态下模拟电压输出分别在(4.28±0.5)V、(0.5±0.1)V范围内,产品环境适应性良好。

5 结 论

采用聚砜(PSU)材料制作光锥形状的精密探头,采用红外二极管发射光源,采用光敏三极管接收光源,制作高精度的红外光电敏感探头,采用双防护罩保护结构对探头进行防护,避免自然光、雨水、凝露、冰冻等对接收光强的干扰,可获得快速响应的高可靠红外光电水浸传感器,该产品经过温度与振动等环境试验考核,产品输出稳定可靠,可推广应用于飞机、船舶等高端应用环境进行水浸检测。