光傳感器及磁性傳感器的應用初探

傳感器為微處理系統提感測周圍環境條件提供了一個窗口，光傳感器及磁性傳感器在測定物體的出現、離開和運動等領域應用廣泛。本文介紹光傳感器和磁性傳感器的基本類型、應用及其與微處理器的接口問題。

圖1顯示的是槽式光傳感器開關,將一個發光二極管(LED)置于正對光電晶體管的塑料座中，發光二極管與光電晶體管之間有一個縫隙。如果物體穿過這個縫隙，它將阻斷LED和光電晶體管之間的光路。槽式開關通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。槽式開關也用于指示門或罩的開關或閉合。當門是閉合的時候，門上的標志會落入槽內并阻斷光路。


圖1b顯示了一個反射傳感器，其工作原理是相似的。反射傳感器上的光電晶體管截取由開關前部任何地方反射來的光。大部分反射傳感器都有焦距長度，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。反射傳感器通常通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， 然后將由反射材料制成的帶狀物置于軸上。由于軸在旋轉，傳感器就不能從軸的黑色部分收到反射，卻能夠從反射帶上收到強烈反射。如圖1c所示，槽式或反射光傳感器具有相同的電路符。在系統設計時都要注意兩類傳感器具有共同特征。


電流傳輸率(CTR)


LED和光電晶體管對的增益通常少于1。在給定LED電流的情況下，光電晶體管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電流的關系.CTR取決于LED和光電晶體管的特性，并因光傳感器的不同而有很大不同。


當需要將光傳感器與處理器接口時，電流傳輸率有幾層含義。首先，如圖2所示，如果將開關直接接口到數字輸入端，晶體管輸出值將會在有效邏輯電平之間擺動。要確保光電晶體管飽合，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，運行速度更快，但并不適用于所有的光傳感器。晶體管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，可采用具有較高CTR的光傳感器開關或具有更大驅動電流的LED。光傳感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晶體管輸出速度的20%，且飽合電壓較高。


反射傳感器也可以采用CTR來評估。由于傳感器取決于反射光，CTR取決于表面類型和反射表面與傳感器之間的距離。反射傳感器的CTR取決于標準反射表面，該表面被置于與傳感器相距特定距離的焦點位置上。


反射傳感器的CTR因器件和應用的不同而不同。如果傳感器面對的是一個在灰色和黑色之間轉換的表面，則CTR與生產廠家所采用的白色參考面測得的CTR就會不相同。設計必須適應由傳感器應用所得出的實際CTR。確定CTR范圍的一個方法是測量具體應用的CTR，然后采用相同傳感器與由傳感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參考范圍。


由于光傳感器的CTR范圍很大，可能須將傳感器的輸出端接口到模數轉換器(ADC)，這樣可采用軟件來查找輸出電平的變化，而非取決于產生數字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并且需要更多的時間進行ADC取樣。


檢測速度


任何光傳感器中光電晶體管的速度相當慢，這一點限制了檢測的最大速度。開關時間的典型值分別是8 ms和50ms。如果傳感器內的驅動LED由軟件控制，這一軟件必須在讀取傳感器的輸出時，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傳感器異常。例如，通過觀察扁平黑色發動機軸上的發光帶，反射傳感器可以測量旋轉次數，這種傳感器電流的輸出產生的是中斷信號。有時候，發光帶恰好在傳感器的檢測區域時，發動機會停止。機器震動會引起處理器產生大量的中斷信號，從而有效地關閉發動機。


可以設想一個與槽式傳感器相似的情形，如果阻斷光路的標志只是使光電晶管變得部分模糊，從而使光電晶體管運行不良，造成不確定的輸出。因此硬件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。

反射傳感器則要做一些補充考慮。反射傳感器常用于傳感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。紙的質量、顏色和反射特性不同。傳感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，將會發生什么？對于檢測旋轉的傳感器的功效有何影響？


在某些情況下，可能要增加硬件或軟件(或兩者兼有)來檢測異常狀況。在這個例子當中，當反射傳感器產生過多中斷信號時，軟件會有一個記錄中斷時間的計時器。如果傳感器中斷服務程序被退出又立即重新進入，中斷服務程序可能會禁止中斷并設定標志來告知系統的其它部分：現在出故障了。


LED的失效


在對安全性要求高的系統中，要保證傳感器出現故障時不會造成系統的運行出現安全問題，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部件都要被罩起來，當罩子閉合時，操作員的手就不礙事了。當罩子閉合時，可以采用槽式光傳感器開關和阻斷光路的標志來解決罩的檢測問題，然后將光電晶體管發射極連接到地線并用電阻器將集電極上拉。當標志阻斷傳感器時，晶體管關閉，輸出變高。


開路或未連接的LED對系統來說就好像閉合的罩子一樣，可能會在罩子還打開的時候嘗試啟動，這時就要在罩子閉合時用標志清除路徑，出現故障的LED就好像打開著的罩子一樣，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采用兩只傳感器，一只傳感器當罩子開啟的時候被阻斷，另一只傳感器當罩子閉合的時候被阻斷。為確保操作員的安全，除非兩種傳感器均處于正確狀態(罩子閉合)時，才可以啟動機器。


有時候，需要知道光傳感器中的LED是否出現故障，這時可以采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傳感器的LED是否出現故障(或斷開連接)，從而方便顯示正確的故障診斷信息。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必須大于3V)。圖中所示LED電路始終是開啟的。這種方法也可用于開關式LED，但當選擇參考電壓時，要考慮將開關晶體管的電壓降考慮進去。當LED關閉時，軟件一定檢測不到比較器的輸出。


盡管斷開的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，如果電壓降低于參考電壓，系統軟件將會提示出現了錯誤。

其它光傳感器方案


除了槽式開關和反射傳感器，光傳感器也可用做光隔離器以及分立光傳感器發射器和接收器。


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和光電晶體管。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。光傳感器是被密封的，因此它無法阻斷光路。光隔離器通常用于將高壓電路與控制它的微處理器隔離開。樂器的數字接口技術(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顯示光隔離器中信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接口或許是完全分開的。即使在一條地線看似相同的單一系統中，光隔離器也可用于隔離地回路，或將地線的燥音(如脈寬調制發動機燥音)阻擋在邏輯/模擬地線之外。光隔離器輸出邏輯電平，與光電晶體管的輸出不同，這些光隔離器裝置的IC內部有其它電路已將模擬輸出轉化為數字電壓輸出。

光隔離器有著與光傳感器相同的增益和速度問題，然而，由于LED與光電晶體管座更近，光隔離器的CTR通常較高，典型值在0.2-1的范圍內。


光隔離器的速度通常比光傳感器開關的速度快，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的信號。要獲得高速隔離，通常要采用快速的光絕緣器。6N136的速度約1MHz，這種元件是將一個光電二極管接口到晶體管上來實現高速的。


分立光傳感器


有一種設計需要采用分立光傳感器元件--LED或光電晶體管。這與封裝在光傳感器開關中的元件類似，通常是紅外線傳感器。它們通常用于檢測在LED和光電晶體管之間被物體所阻擋的情況，因為這些地方的物理特性不容許采用槽式開關傳感器。


分立元件是以跟光傳感器開關或光電晶體管相同的方式進行接口的，不過有幾個補充考慮因素。由于傳感器與光電晶體管的距離通常較大，因此CTR較低。電路中要用到軟件調節LED電流或感應門限以確保穩定和重復的運行。在某些情況下，為了聚光需要采用透鏡，軟件的調整可以補償因LED和光電晶體管相距遠以及公差累加造成的不一致。


在光傳感器開關內，LED和光電晶體管須與同一紅外波長(IR)匹配。盡管絕大部分IR光電晶體管和LED匹配良好，實際上，這些元件在IR范圍的峰值波長附近工作。當采用分立元件的時候，最好采用為相同IR范圍而設計的LED和光電晶體管。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晶體管就構成具有較低CTR的系統。


磁性傳感器


在嵌入式設備中采用的最簡單的磁性傳感器是霍爾效應傳感器?；魻栃怯蒃dwin Hall博士于1879年發現的。在磁場存在的情況下，載流半導體器件置于磁場中會產生電壓，這個電壓和電流與磁感應強度成正比。


霍爾效應傳感器在硅片上制成，產生的電壓只有幾微伏/高斯。因此，要采用高增益放大器把從霍爾元器件輸出的信號放大到可用的范圍，霍爾效應傳感器已經把放大器和與傳感器單元集成在相同的封裝中。


當要求傳感器的輸出與磁場成正比時，或者當磁場超過某一水平時開關要改變狀態，此時，就可以采用霍爾效應傳感器。模擬霍爾效應傳感器適用于需要知道磁鐵距離傳感器究竟有多少距離的場合，例如，感測振蕩臂是否真的在運動?；魻栃獋鞲衅髯钸m用于探測磁鐵是否逼近傳感器的應用，例如，感測安全罩是否打開或關閉。


模擬霍爾效應傳感器的輸出端可被接口到比較器或與任何其它電壓輸出傳感器類似的ADC。有一點須要注意，模擬輸出傳感器提供與供應電壓成比例的輸出量。為了得到精確的無噪聲輸出，必須采用無噪聲的，調整良好的電源為傳感器供電。在沒有磁場存在的情況下，典型的模擬霍爾效應傳感器的輸出為供應電壓和地線之間電壓的中間值。當北磁極在傳感器的附近的時候，電壓朝地方向運動，而當南磁極靠近傳感器的時候，電壓則朝著正電源方向運動。霍爾效應開關產生數字輸出來表明磁場的存在。當磁力(運動點)被感測到時，霍爾效應傳感器就驅動輸出；當磁場下降至一定電平之后(釋放值)，霍爾效應傳感器就禁止輸出。在釋放點低于工作點的范圍內，存在著一定的磁滯范圍。


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。雙極開關有一個正極(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。單極和雙極開關通常會有一個與外置電阻器并不相聯的開集電極輸出端。


霍爾效應傳感器通采用與TO-92晶體管外殼相似的3導線封裝，這3根導線分別是電源、地和輸出。盡管一些傳感器的操作電壓達到30V或更高，但這種傳感器的供應電壓通常是5-10V。當使用霍爾效應傳感器的時候，要記住解決磁場偏離問題。如果采用磁體，例如旋轉軸，要保證磁鐵不過分磁化旋轉軸，否則會影響傳感器的輸出。


切記磁場是以距離的平方數衰減的。受磁場強度的影響，模擬霍爾效應傳感器的輸出可能同磁場的強度成線性關系，但不會同距離成線性關系。


鋸齒霍爾效應傳感器包括一個磁體和在封裝內的霍爾效應傳感器，如圖5所示，通過將傳感器置于鋸齒附近，它們已被設計成用來測量帶齒裝置的旋轉。在每個連接齒行經傳感器的時候，它會對磁體和霍爾效應傳感器之間的磁場產生作用，從而產生輸出脈沖。


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：《實時設計》《嵌入式微處理系統的解決方案》《嵌入式系統的模擬方案》，三本書均由Butterworth-Heinemann出版，聯系郵件：stuart@stuartball.com。