传感器用于极端条件下,尽管环境恶劣,但它们的任务是精确测量。一般来说,严酷的条件包括极端的温度,压力,冲击,辐射以及化学腐蚀性液体和气体的存在。
在这些不友好的条件下,主要目标和挑战是将传感器关闭足以达到高度准确性和可靠性。其他关键考虑因素是传感器的材料,每个传感器可以运行的温度,压力或冲击范围,以及由于极端暴露而存在的故障率。与更加良性设置的传感器相比,这些传感器在更换,维护和系统停机方面具有很高的潜在成本。
关键问题是传感器如何保护,因为它们更接近于要衡量的目标?通常它是密封包装,使传感器能够应对恶劣的条件。例如,美国传感器的NTC热敏电阻(图1)采用径向引线和玻璃封装,可提供长期可靠性和快速响应时间。密封结构使其能够承受高达300°C的恶劣条件。这些传感器设计用于工业,消费,HVAC和电信应用。
图1:美国传感器的NTC热敏电阻采用密封,可承受恶劣环境条件和温度达到300°C。
采用坚固传感器的其他常规恶劣环境应用包括地热,石油和天然气,飞机和汽车发动机,军事/航空航天,食品和饮料以及工业用途。对于大多数这些应用,我们看到高温和低温,以及腐蚀性和化学试剂。由于这些极端情况,昂贵且持续的检查,维护和评估是常态。
今天的传感器提供了比以往更强大的监测,测量和评估诊断功能。霍尼韦尔的工业VRS磁性速度传感器就是高分辨率,高温和危险应用传感器的一个例子(图2)。
图2 :霍尼韦尔的高输出工业VRS磁性速度传感器。
这些传感器可用于各种应用,包括恶劣条件。它们在中低速负载下以中低速运行时性能最佳。当传感器暴露于流体,润滑剂或其他不利的环境条件时,可以使用前端密封版本。简单,坚固的设备不需要外部电压即可运行。传感器中的永磁体建立固定磁场。传感器极点附近的黑色金属靶的通过改变了磁场的磁通线,动态地改变了它的强度。
潜在的应用包括:
发动机转速(
钻头,磨床,车床和自动螺丝机的电机转速测量
电机转速测量
飞机,汽车,船舶,公共汽车,卡车和轨道车辆的每分钟转数精密相机,录音带和电影设备
食品,纺织,造纸,木工,印刷,烟草和制药工业机械的过程速度测量
泵,鼓风机的速度测量
涡轮流量计上的流量测量
汽车和机车的车轮滑移测量
齿轮速度测量
从喷气发动机到食物冲洗
不仅温度和腐蚀剂,而且冲击,振动和EMI/EMP干扰都需要新型的坚固传感器和新材料来制造它们。例如,在喷气发动机测试中,压力传感器必须精确地测量发动机燃烧室内的压力。新的碳化硅(SiC)压力传感器可以插入到感应环境附近,消除了准确性和信息丢失的挑战。 SiC是一种高带隙半导体材料,具有良好的机械强度,高导热性,高熔点和在腐蚀性环境中暴露的高惰性。采用SiC制造的器件更坚固耐用,与硅同类产品相比,可以在更高的温度和更恶劣的环境中工作。它们在MEMS中的应用非常有希望构建物理和化学传感器。
基于受NASA影响的技术,基于SiC的压力传感器可在600°C下运行超过130小时。令人惊讶的是,传感器通常不如前代产品复杂,从而降低了性能故障,降低了制造成本,降低了系统维护需求。
恶劣环境传感器的设计旨在满足特定的最终使用条件。例如,在食品和饮料制造中需要高压传感器,其中使用热水或清洁化学品在高压下进行高温冲洗。在这种环境中,不锈钢优于其他可随时间生锈或降解的材料。同样的行业需要宽温度范围,因为它可以在极端寒冷和炎热的环境中使用,传感器需要在-60°C和260°C的温度范围内工作。
OP800SL系列设备TT Electronics/Optek Technologies(图3)由安装在密封封装中的NPN硅光电晶体管组成。 TO-18封装具有高功耗和出色的恶劣环境操作。
图3:TT Electronics/Optek Technologies的OP800SL NPN硅光电晶体管。
功能包括各种灵敏度范围,增强的温度范围和TO-18密封封装。
总之
今天的传感器解决方案更小,更坚固,更可靠,与前代产品相比,具有更高的灵敏度,更高的温度范围和更快的响应时间。传感器和模块现在可用于解决极高的压力和温度,高硫含量引起的酸侵蚀,高湿度应用,高粉尘应用,甚至爆炸性粉尘和气体条件。使用此类传感器的应用正在迅速扩大,促使更多的技术进步。
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