光傳感器/檢測器,光傳感器/檢測器是什么意思

傳感器為微處理系統(tǒng)提感測周圍環(huán)境條件提供了一個(gè)窗口，光傳感器及磁性傳感器在測定物體的出現(xiàn)、離開和運(yùn)動(dòng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

圖1顯示的是槽式光傳感器開關(guān)，將一個(gè)發(fā)光二極管(led)置于正對(duì)光電晶體管的塑料座中，發(fā)光二極管與光電晶體管之間有一個(gè)縫隙。如果物體穿過這個(gè)縫隙，它將阻斷LED和光電晶體管之間的光路。槽式開關(guān)通過在發(fā)動(dòng)機(jī)軸上放置一個(gè)開槽的輪子來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)速度。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，它交替地阻斷光路。槽式開關(guān)也用于指示門或罩的開關(guān)或閉合。當(dāng)門是閉合的時(shí)候，門上的標(biāo)志會(huì)落入槽內(nèi)并阻斷光路。

圖1b顯示了一個(gè)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(guān)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(fā)動(dòng)機(jī)軸變黑來檢測發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)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(zhuǎn)，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(qiáng)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(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(duì)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(chǎn)生的電流被稱為電流傳輸率(CTR)。通常槽式開關(guān)的CTR是0.1，因此，LED中10mA的電流會(huì)在集電極中產(chǎn)生1mA的電流。有時(shí)CTR以比率或表格形式描述集電極電流與LED電流的關(guān)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(dāng)需要將光傳感器與處理器接口時(shí)，電流傳輸率有幾層含義。首先，如圖2所示，如果將開關(guān)直接接口到數(shù)字輸入端，晶體管輸出值將會(huì)在有效邏輯電平之間擺動(dòng)。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(qū)動(dòng)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(yùn)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(guān)或具有更大驅(qū)動(dòng)電流的LED。光傳感器開關(guān)具有達(dá)林頓晶體開關(guān)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(píng)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(biāo)準(zhǔn)反射表面，該表面被置于與傳感器相距特定距離的焦點(diǎn)位置上。

反射傳感器的CTR因器件和應(yīng)用的不同而不同。如果傳感器面對(duì)的是一個(gè)在灰色和黑色之間轉(zhuǎn)換的表面，則CTR與生產(chǎn)廠家所采用的白色參考面測得的CTR就會(huì)不相同。設(shè)計(jì)必須適應(yīng)由傳感器應(yīng)用所得出的實(shí)際CTR。確定CTR范圍的一個(gè)方法是測量具體應(yīng)用的CTR，然后采用相同傳感器與由傳感器生產(chǎn)廠家用白色參考面測得的CTR進(jìn)行比較，這樣將會(huì)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(shù)轉(zhuǎn)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(chǎn)生數(shù)字邏輯電平的元件的能力。當(dāng)然，這樣做的代價(jià)就是增加一個(gè)ADC并且需要更多的時(shí)間進(jìn)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(dāng)慢，這一點(diǎn)限制了檢測的最大速度。開關(guān)時(shí)間的典型值分別是8 ms和50ms。如果傳感器內(nèi)的驅(qū)動(dòng)LED由軟件控制，這一軟件必須在讀取傳感器的輸出時(shí)，對(duì)開啟和關(guān)閉延遲予以考慮。

機(jī)械不穩(wěn)定性

機(jī)械抖動(dòng)會(huì)導(dǎo)致反射傳感器異常。例如，通過觀察扁平黑色發(fā)動(dòng)機(jī)軸上的發(fā)光帶，反射傳感器可以測量旋轉(zhuǎn)次數(shù)，這種傳感器電流的輸出產(chǎn)生的是中斷信號(hào)。有時(shí)候，發(fā)光帶恰好在傳感器的檢測區(qū)域時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)停止。機(jī)器震動(dòng)會(huì)引起處理器產(chǎn)生大量的中斷信號(hào)，從而有效地關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)。

可以設(shè)想一個(gè)與槽式傳感器相似的情形，如果阻斷光路的標(biāo)志只是使光電晶管變得部分模糊，從而使光電晶體管運(yùn)行不良，造成不確定的輸出。因此硬件設(shè)計(jì)可以應(yīng)用比較器電路的時(shí)滯原理，將這一問題很好地解決。

反射傳感器則要做一些補(bǔ)充考慮。反射傳感器常用于傳感不同類型的物體表面。一個(gè)典型的例子就是高速分選機(jī)分選紙張。紙的質(zhì)量、顏色和反射特性不同。傳感系統(tǒng)必須被設(shè)計(jì)成能夠處理各種材料。在發(fā)動(dòng)機(jī)測速應(yīng)用中，油膜覆蓋了軸的扁平黑色元件，將會(huì)發(fā)生什么？對(duì)于檢測旋轉(zhuǎn)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(gè)例子當(dāng)中，當(dāng)反射傳感器產(chǎn)生過多中斷信號(hào)時(shí)，軟件會(huì)有一個(gè)記錄中斷時(shí)間的計(jì)時(shí)器。如果傳感器中斷服務(wù)程序被退出又立即重新進(jìn)入，中斷服務(wù)程序可能會(huì)禁止中斷并設(shè)定標(biāo)志來告知系統(tǒng)的其它部分：現(xiàn)在出故障了。

LED的失效

在對(duì)安全性要求高的系統(tǒng)中，要保證傳感器出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)造成系統(tǒng)的運(yùn)行出現(xiàn)安全問題，一個(gè)典型的例子是安全罩必須在機(jī)器啟動(dòng)前就閉合，它要求所有危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)部件都要被罩起來，當(dāng)罩子閉合時(shí)，操作員的手就不礙事了。當(dāng)罩子閉合時(shí)，可以采用槽式光傳感器開關(guān)和阻斷光路的標(biāo)志來解決罩的檢測問題，然后將光電晶體管發(fā)射極連接到地線并用電阻器將集電極上拉。當(dāng)標(biāo)志阻斷傳感器時(shí)，晶體管關(guān)閉，輸出變高。

開路或未連接的LED對(duì)系統(tǒng)來說就好像閉合的罩子一樣，可能會(huì)在罩子還打開的時(shí)候嘗試啟動(dòng)，這時(shí)就要在罩子閉合時(shí)用標(biāo)志清除路徑，出現(xiàn)故障的LED就好像打開著的罩子一樣，似乎整個(gè)系統(tǒng)是安全的(實(shí)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(dāng)罩子開啟的時(shí)候被阻斷，另一只傳感器當(dāng)罩子閉合的時(shí)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(tài)(罩子閉合)時(shí)，才可以啟動(dòng)機(jī)器。

有時(shí)候，需要知道光傳感器中的LED是否出現(xiàn)故障，這時(shí)可以采用槽式開關(guān)來確定發(fā)動(dòng)機(jī)是否在運(yùn)轉(zhuǎn)。如果發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，就可以檢測發(fā)動(dòng)機(jī)被堵塞或傳感器的LED是否出現(xiàn)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(gè)有關(guān)檢測失效LED的簡單例子。比較器感測到LED正極上的電壓。當(dāng)LED開啟時(shí)，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(huì)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(guān)式LED，但當(dāng)選擇參考電壓時(shí)，要考慮將開關(guān)晶體管的電壓降考慮進(jìn)去。當(dāng)LED關(guān)閉時(shí)，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(gè)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(tǒng)軟件將會(huì)提示出現(xiàn)了錯(cuò)誤。

其它光傳感器方案

除了槽式開關(guān)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(fā)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(nèi)安裝LED和光電晶體管。光隔離器不能用來檢測機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而是在兩個(gè)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(shù)字接口技術(shù)(MIDI)就是運(yùn)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(hào)從一個(gè)電路中傳遞到另一個(gè)電路的過程，而且地線和系統(tǒng)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(tǒng)中，光隔離器也可用于隔離地回路，或?qū)⒌鼐€的燥音(如脈寬調(diào)制發(fā)動(dòng)機(jī)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(nèi)部有其它電路已將模擬輸出轉(zhuǎn)化為數(shù)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(nèi)。

光隔離器的速度通常比光傳感器開關(guān)的速度快，通用的4N35光隔離器每次會(huì)有10ms的開啟和關(guān)閉時(shí)間，因此它可傳遞10kHz的信號(hào)。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(gè)光電二極管接口到晶體管上來實(shí)現(xiàn)高速的。

分立光傳感器

有一種設(shè)計(jì)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(guān)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?yàn)檫@些地方的物理特性不容許采用槽式開關(guān)傳感器。

分立元件是以跟光傳感器開關(guān)或光電晶體管相同的方式進(jìn)行接口的，不過有幾個(gè)補(bǔ)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(diào)節(jié)LED電流或感應(yīng)門限以確保穩(wěn)定和重復(fù)的運(yùn)行。在某些情況下，為了聚光需要采用透鏡，軟件的調(diào)整可以補(bǔ)償因LED和光電晶體管相距遠(yuǎn)以及公差累加造成的不一致。

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在光傳感器開關(guān)內(nèi)，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(shí)際上，這些元件在IR范圍的峰值波長附近工作。當(dāng)采用分立元件的時(shí)候，最好采用為相同IR范圍而設(shè)計(jì)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(gòu)成具有較低CTR的系統(tǒng)。