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測試與測量  

光感測器及磁性感測器的應用初探

上網時間: 2004年01月17日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:optical sensor  hall effect sensor  sensor  photo isolator  photo transistor 

感測器為微處理系統提感測周圍環境條件提供了一個窗口,光感測器及磁性感測器在測定物體的出現、離開和運動等領域應用廣泛。本文介紹光感測器和磁性感測器的基本類型、應用及其與微處理器的介面問題。圖1:光感測器開關。

圖1顯示的是槽式光感測器開關,將一個發光二極體(led)置於正對光電電晶體的塑膠座中,發光二極體與光電電晶體之間有一個縫隙。如果物體穿過這個縫隙,它將阻斷LED和光電電晶體之間的光路。槽式開關透過在發動機軸上放置一個開槽的輪子來檢測發動機速度。當軸旋轉時,它交替地阻斷光路。槽式開關也用於指示閘或罩的開關或閉合。當閘是閉合的時候,閘上的標誌會落入槽內並阻斷光路。

圖1b顯示了一個反射感測器,其工作原理是相似的。反射感測器上的光電電晶體截取由開關前部任何地方反射來的光。大部份反射感測器都有焦距長度,即檢測被放置物體的最佳距離,該距離通常在0.1和0.5寸之間。反射感測器通常透過著色或陽極處理使發動機軸變黑來檢測發動機運動情況,然後將由反射材料製成的帶狀物置於軸上。由於軸在旋轉,感測器就不能從軸的黑色部份收到反射,卻能夠從反射帶上收到強烈反射。如圖1c所示,槽式或反射光感測器具有相同的電路符。在系統設計時都要注意兩類感測器具有共同特徵。

電流傳輸率(CTR)

LED和光電電晶體對的增益通常少於1。在特定LED電流的情況下,光電電晶體集電極中產生的電流被稱為電流傳輸率(CTR)。通常槽式開關的CTR是0.1,因此,LED中10mA的電流會在集電極中產生1mA的電流。有時CTR以比率或表格形式描述集電極電流與LED電流的關係。CTR取決於LED和光電電晶體的特性,並因光感測器的不同而有很大不同。

當需要將光感測器與處理器介面時,電流傳輸率有幾層含義。首先,如圖2所示,如果將開關直接介面到數位輸入端,電晶體輸出值將會在有效邏輯電平之間擺動。要確保光電電晶體飽合,就要限定上拉電阻的值。例如,如果用10mA驅動LED且CTR的最低值為0.1,則上拉電阻的值約為5kΩ。

電阻值越低,抗擾度越好,執行速度更快,但並不適用於所有的光感測器。電晶體必須吸收足夠的電流以確保有效的邏輯低電平。如果想使用較小的上拉電阻,可採用具有較高CTR的光感測器開關或具有更大驅動電流的LED。光感測器開關具有達林頓晶體開關輸出形式,它通常具有比圖1更高的CTR,但通常它們也只有單只電晶體輸出速度的20%,且飽合電壓較高。

反射感測器也可以採用CTR來評估。由於感測器取決於反射光,CTR取決於表面類型和反射表面與感測器之間的距離。反射感測器的CTR取決於標準反射表面,該表面被置於與感測器相距特定距離的焦點位置上。圖2:介面光感測器到數位IO電路

反射感測器的CTR因元件和應用的不同而不同。如果感測器面對的是一個在灰色和黑色之間轉換的表面,則CTR與生產廠家所採用的白色參考面測得的CTR就會不相同。設計必須適應由感測器應用所得出的實際CTR。確定CTR範圍的一個方法是測量具體應用的CTR,然後採用相同感測器與由感測器生產廠家用白色參考面測得的CTR進行比較,這樣將會得到所期望的CTR參考範圍。

由於光感測器的CTR範圍很大,可能須將感測器的輸出端介面到類比數位轉換器(ADC),這樣可採用軟體來查找輸出電平的變化,而非取決於產生數位邏輯電平的元件的能力。當然,這樣做的代價就是增加一個ADC並且需要更多的時間進行ADC取樣。

檢測速度

任何光感測器中光電電晶體的速度相當慢,這一點限制了檢測的最大速度。開關時間的典型值分別是8ms和50ms。如果感測器內的驅動LED由軟體控制,這一軟體必須在讀取感測器的輸出時,對開啟和關閉延遲予以考慮。

機械不穩定性

機械抖動會導致反射感測器異常。例如,透過觀察扁平黑色發動機軸上的發光帶,反射感測器可以測量旋轉次數,這種感測器電流的輸出產生的是中斷訊號。有時候,發光帶恰好在感測器的檢測區域時,發動機會停止。機器震動會引起處理器產生大量的中斷訊號,因而有效地關閉發動機。

可以設想一個與槽式感測器相似的情形,如果阻斷光路的標誌只是使光電晶管變得部份模糊,因而使光電電晶體執行不良,造成不確定的輸出。因此硬體設計可以應用比較器電路的時滯原理,將這一問題很好地解決。

反射感測器則要做一些補充考慮。反射感測器常用於感應不同類型的物體表面。一個典型的例子就是高速分選機分選紙張。紙的品質、顏色和反射特性不同。感應系統必須被設計成能夠處理各種材料。在發動機測速應用中,油膜覆蓋了軸的扁平黑色元件,將會產生什麼?對於檢測旋轉的感測器的功效有何影響?圖3:檢測有故障的LED。

在某些情況下,可能要增加硬體或軟體(或兩者兼有)來檢測異常狀況。在這個例子當中,當反射感測器產生過多中斷訊號時,軟體會有一個記錄中斷時間的計時器。如果感測器中斷服務程式被退出又立即重新進入,中斷服務程式可能會禁止中斷並設定標誌來告知系統的其它部份:現在出故障了。

LED的失效

在對安全性要求高的系統中,要保證感測器出現故障時不會造成系統的執行出現安全問題,一個典型的例子是安全罩必須在機器啟動前就閉合,它要求所有危險的運動元件都要被罩起來,當安全罩閉合時,作業員的手就不礙事了。當安全罩閉合時,可以採用槽式光感測器開關和阻斷光路的標誌來解決罩的檢測問題,然後將光電電晶體發射極連接到地線並用電阻器將集電極上拉。當標誌阻斷感測器時,電晶體關閉,輸出變高。

開路或未連接的LED對系統來說就好像閉合的安全罩一樣,可能會在安全罩還打開的時候嘗試啟動,這時就要在安全罩閉合時用標誌清除路徑,出現故障的LED就好像打開著的安全罩一樣,似乎整個系統是安全的(實際上不是)。一種更加安全的方法是採用兩只感測器,一只感測器當安全罩開啟的時候被阻斷,另一只感測器當安全罩閉合的時候被阻斷。為確保作業員的安全,除非兩種感測器均處於正確狀態(安全罩閉合)時,才可以啟動機器。

有時候,需要知道光感測器中的LED是否出現故障,這時可以採用槽式開關來確定發動機是否在運轉。如果發動機停止運轉,就可以檢測發動機被堵塞或感測器的LED是否出現故障(或斷開連接),因而方便顯示正確的故障診斷資訊。圖3是一個有關檢測失效LED的簡單例子。比較器感測到LED正極上的電壓。當LED開啟時,它將使電壓下降約1.2V(典型值),因此比較器輸出變高。如果打開LED,正極的電壓將會升到Vcc(要使LED工作,Vcc必須大於3V)。圖中所示LED電路始終是開啟的。這種方法也適用於交換式LED,但當選擇參考電壓時,要考慮將開關電晶體的電壓降考慮進去。當LED關閉時,軟體一定檢測不到比較器的輸出。

儘管斷開的LED與短路的LED極其相似,也可以再增加一個比較器來檢測短路情況。參考電壓為0.6V,如果電壓降低於參考電壓,系統軟體將會提示出現了錯誤。

其它光感測器方案

除了槽式開關和反射感測器,光感測器也可用做光隔離器以及分離光感測器發射器和接收器。

光隔離器(也稱為光耦合器)可在像IC一樣的封裝物內安裝LED和光電電晶體。光隔離器不能用來檢測機械運動,而是在兩個電路之間提供電隔離。光感測器是被密封的,因此它無法阻斷光路。光隔離器通常用於將高壓電路與控制它的微處理器隔離開。樂器的數位介面技術(MIDI)就是運用光隔離器來使電子樂器連接起來,防止由不同地線電壓造成的問題。圖4:光隔離器。

圖4顯示光隔離器中訊號從一個電路中傳遞到另一個電路的過程,而且地線和系統的電源介面或許是完全分開的。即使在一條地線看似相同的單一系統中,光隔離器也適用於隔離地迴路,或將地線的燥音(如脈寬調變發動機燥音)阻擋在邏輯╱類比地線之外。光隔離器輸出邏輯電平,與光電電晶體的輸出不同,這些光隔離器裝置的IC內部有其它電路已將類比輸出轉化為數位電壓輸出。

光隔離器有著與光感測器相同的增益和速度問題,然而,由於LED與光電電晶體座更近,光隔離器的CTR通常較高,典型值在0.2-1的範圍內。

光隔離器的速度通常比光感測器開關的速度快,通用的4N35光隔離器每次會有10ms的開啟和關閉時間,因此它可傳遞10kHz的訊號。要獲得高速隔離,通常要採用快速的光絕緣器。6N136的速度約1MHz,這種元件是將一個光電二極體介面到電晶體上來實現高速的。

分離光感測器

有一種設計需要採用分離光感測器元件--LED或光電電晶體。這與封裝在光感測器開關中的元件類似,通常是紅外線感測器。它們通常用於檢測在LED和光電電晶體之間被物體所阻擋的情況,因為這些地方的實體特性不容許採用槽式開關感測器。

分離元件是以跟光感測器開關或光電電晶體相同的方式進行介面的,不過有幾個補充考慮因素。由於感測器與光電電晶體的距離通常較大,因此CTR較低。電路中要用到軟體調節LED電流或感應閘限以確保穩定和重覆的執行。在某些情況下,為了聚光需要採用透鏡,軟體的調整可以補償因LED和光電電晶體相距遠以及公差累加造成的不一致。

在光感測器開關內,LED和光電電晶體須與同一紅外波長(IR)匹配。儘管絕大部份IR光電電晶體和LED匹配良好,實際上,這些元件在IR範圍的峰值波長附近工作。當採用分離元件的時候,最好採用為相同IR範圍而設計LED和光電電晶體。如果這些元件之間距離不同,則在其耦合距離一端的LED和在其耦合距離另一端的光電電晶體就構成具有較低CTR的系統。

磁性感測器

在嵌入式設備中採用的最簡單的磁性感測器是霍爾效應感測器。霍爾效應是由Edwin Hall博士於1879年發現的。在磁場存在的情況下,載流半導體元件置於磁場中會產生電壓,這個電壓和電流與磁感應強度成正比。

霍爾效應感測器在矽片上製成,產生的電壓只有幾微伏╱高斯。因此,要採用高增益放大器把從霍爾零組件輸出的訊號放大到可用的範圍,霍爾效應感測器已經把放大器和與感測器單元整合在相同的封裝中。圖5:鋸齒霍爾效應感測器。

當要求感測器的輸出與磁場成正比時,或者當磁場超過某一水準時開關要改變狀態,此時,就可以採用霍爾效應感測器。類比霍爾效應感測器適用於需要知道磁鐵距離感測器究竟有多少距離的場合,例如,感測振盪臂是否真的在運動。霍爾效應感測器最適用於探測磁鐵是否逼近感測器的應用,例如,感測安全罩是否打開或關閉。

類比霍爾效應感測器的輸出端可被介面到比較器或與任何其它電壓輸出感測器類似的ADC。有一點須要注意,類比輸出感測器提供與供應電壓成比例的輸出量。為了得到精確的無噪音輸出,必須採用無噪音的,調整良好的電源為感測器供電。在沒有磁場存在的情況下,典型的類比霍爾效應感測器的輸出為供應電壓和地線之間電壓的中間值。當北磁極在感測器的附近的時候,電壓朝地方向運動,而當南磁極靠近感測器的時候,電壓則朝著正電源方向運動。霍爾效應開關產生數位輸出來顯示磁場的存在。當磁力(運動點)被感測到時,霍爾效應感測器就驅動輸出;當磁場下降至一定電平之後(釋放值),霍爾效應感測器就禁止輸出。在釋放點低於工作點的範圍內,存在著一定的磁滯範圍。

霍爾效應開關可分為兩類---單極和多極型開關,有時也稱為無閉鎖和閉鎖型開關。雙載子開關有一個正極(南磁極)工作點和一個負極(北磁極)釋放點。單極開關有一個正極(南磁極)工作點和一個次正極釋放點。在兩類情況中,實際的工作及釋放點隨溫度不同而不同。單極和雙載子開關通常會有一個與外置電阻器並不相聯的開集電極輸出端。

霍爾效應感測器通採用與TO-92電晶體外殼相似的3導線封裝,這3根導線分別是電源、地和輸出。儘管一些感測器的作業電壓達到30V或更高,但這種感測器的供應電壓通常是5-10V。當使用霍爾效應感測器的時候,要記住解決磁場偏離問題。如果採用磁體,例如旋轉軸,要保証磁鐵不過分磁化旋轉軸,否則會影響感測器的輸出。

切記磁場是以距離的平方數衰減的。受磁場強度的影響,類比霍爾效應感測器的輸出可能同磁場的強度成線性關係,但不會同距離成線性關係。

鋸齒霍爾效應感測器包括一個磁體和在封裝內的霍爾效應感測器,如圖5所示,透過將感測器置於鋸齒附近,它們已被設計成用來測量帶齒裝置的旋轉。在每個連接齒行經感測器的時候,它會對磁體和霍爾效應感測器之間的磁場產生作用,因而產生輸出脈衝。

其它值得一提的磁感測器包括可變磁阻感測器(VRS)和線性變量微分變壓器(LVDT)(欲知全文,請瀏覽:www.eettaiwan.com)。

作者簡介:

Stuart Ball是一位具有20年嵌入式系統設計經驗的電子工程師,他著有3本有關嵌入式微處理系統的書:《即時設計》《嵌入式微處理系統的解決方案》《嵌入式系統的類比方案》,三本書均由Butterworth-Heinemann出版,聯繫郵件:stuart@stuartball.com。




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