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光電/顯示技術  

利用非接觸光學近接感測器解決方案實現智慧感測

上網時間: 2009年11月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:近接感測  智慧感測  汽車 

近接感測器的基本工作原理相當簡單,首先,由LED發射器發出紅外光脈波,到達離開感測器特定偵測距離的遮蔽物體或表面,並發生穿透、散射或反射回到光二極體偵測器等情況,接著光二極體會產生可以透過外部負載電阻轉換成為電壓輸出的光電流,輸出光電流的大小則由偵測距離與LED的驅動電流決定,在特定LED光度輸出條件下,物體或表面越接近感測器,反射的光強度越高,因此光二極體感測器所提供的光電流輸出也越大。

在實際進行設計時,近接式感應電路可能會非常複雜,目前的設計大多採用離散式解決方案實現,通常會在光學近接感測器的輸入與輸出加上訊號調節電路來強化感測器最長可能偵測距離的物體偵測能力與效率,以便提供給微控制器可靠且適當的輸出訊號。

在輸入端,由LED發射器所產生的光脈波強度基本上是由LED的電源大小決定,通常產生脈波訊號的微控制器並無法提供足夠推動LED的電流,因此會加上如電晶體等的電流放大電路。

要避免LED導通的時間過長進而影響使用壽命,我們可以加入長時間高電流保護電路,這個電路可以避免LED上出現不必要的長脈波寬度。近接感測器的電源輸入電路也必須具備高漣波抑制能力,以避免因輸入電壓變化所造成的變動。

消除環境光

環境光與人工光源,例如白熾燈以及螢光燈都可能會影響到光二極體偵測器的靈敏度,任何由光二極體偵測器所感應到的雜散陽光或明亮背光都會產生不小的持續直流電位或低頻突波雜訊,另外,由於大部分的陽光中都包含有一定程度的紅外光,因此普通的濾波電路並無法有效降低雜訊。

在近接感測器輸出上通常會希望保有純淨的光電流輸出,因此必須要在輸出電路上設計具備超窄頻寬特性並與目標雜訊波長相互匹配的複雜濾波電路以進行陽光消除(圖3)。

圖3:陽光消除電路。
圖3:陽光消除電路。

要讓微控制器可靠並適當地讀取,通常微小的光電流輸出必須經過放大器電路進一步放大。 在放大後,輸出光電流訊號可以連接到電流電壓轉換電路來提供電壓輸出訊號,同樣地,也可以依目標控制功能的形式加入其他電路,例如遲滯比較器與史密特觸發器。

通常LED驅動電路、放大器以及窄頻寬濾波電路會因為受到印刷電路板費用與實現成本的限制而以離散電路的方式進行設計。

整合型光學近接感測器的最重要好處是不用接觸,由於在感測器與物體間並沒有實體接觸,因此可以避免污染。具有穩固屏蔽效果的卓越光隔離運作可以帶來幾近於零的光學相互干擾、更低的耗電、更小的尺寸以及最佳的偵測距離,因此也帶來了整合型反射式感測器的更高接受度,不過,整合型近接感測器的偵測範圍固定,因此在選擇上必須依應用的形式決定。

安華高科技已開發出一款具備適當訊號調節功能的APDS-9700,它能以足夠電流推動發射器並強化感測器輸出以帶來微控制器可靠連接,增強光學感測電路效能與穩固度,處理環境光干擾的問題,小型精簡的APDS-9700 QFN包裝(2mm x 2mm)更可以有效縮小電路板佔用空間並節省外部元件需求。圖4為APDS-9700訊號調節晶片的功能架構圖。

圖4:APDS-9700訊號調節晶片功能架構圖。
圖4:APDS-9700訊號調節晶片功能架構圖。

圖5為使用Avago APDS-9700訊號調節晶片搭配Avago HSDL-9100近接感測器所構成的近接式感應應用電路參考設計,在這個設計中,近接感測器的發射器以串列脈波訊號、調頻訊號或偽亂數訊號方式送出串列脈波,經過特定偵測距離後由遮蔽物體或表面反射回到接收器。

圖5:使用Avago APDS-9700訊號調節晶片與HSDL-9100近接感測器的光學近接式感應設計。
圖5:使用Avago APDS-9700訊號調節晶片與HSDL-9100近接感測器的光學近接式感應設計。


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