光传感器及磁性传感器的原理初探.docx

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1、光传感器及磁性传感器的原理初探反射传感器的CTR因器件和应用的不同而不同。假如传感器面对的是一个在灰色和黑色之间转换的外表，那么CTR与消费厂家所采用的白色参考面测得的CTR就会不一样。设计必须适应由传感器应用所得出的实际CTR。确定CTR范围的一个方法是测量详细应用的CTR，然后采用一样传感器与由传感器消费厂家用白色参考面测得的CTR进展比拟，这样将会得到所期望的CTR参考范围。由于光传感器的CTR范围很大，可能须将传感器的输出端接口到模数转换器ADC，这样可采用软件来查找输出电平的变化，而非取决于产生数字逻辑电平的元件的才能。当然，这样做的代价就是增加一个ADC并且需要更多的时间进展ADC

2、取样。检测速度任何光传感器中光电晶体管的速度相当慢，这一点限制了检测的最大速度。开关时间的典型值分别是8ms和50ms。假如传感器内的驱动LED由软件控制，这一软件必须在读取传感器的输出时，对开启和关闭延迟予以考虑。机械不稳定性机械抖动会导致反射传感器异常。例如，通过观察扁平黑色发动机轴上的发光带，反射传感器可以测量旋转次数，这种传感器电流的输生产生的是中断信号。有时候，发光带恰好在传感器的检测区域时，发动时机停顿。机器震动会引起处理器产生大量的中断信号，进而有效地关闭发动机。IMG=机械抖动传感器异常/uploadpic/THESIS/2007/12/20071211120212397779

3、.jpg/IMG可以设想一个与槽式传感器相似的情形，假如阻断光路的标志只是使光电晶管变得局部模糊，进而使光电晶体管运行不良，造成不确定的输出。因此硬件设计可以应用比拟器电路的时滞原理，将这一问题很好地解决。反射传感器那么要做一些补充考虑。反射传感器常用于传感不同类型的物体外表。一个典型的例子就是高速分选机分选纸张。纸的质量、颜色和反射特性不同。传感系统必须被设计成可以处理各种材料。在发动机测速应用中，油膜覆盖了轴的扁平黑色元件，将会发生什么？对于检测旋转的传感器的成效有何影响？在某些情况下，可能要增加硬件或者软件或者两者兼有来检测异常状况。在这个例子当中，当反射传感器产生太多中断信号时，软件会

4、有一个记录中断时间的计时器。假如传感器中断效劳程序被退出又立即重新进入，中断效劳程序可能会制止中断并设定标志来告知系统的其它局部：如今出故障了。LED的失效在对平安性要求高的系统中，要保证传感器出现故障时不会造成系统的运行出现平安问题，一个典型的例子是平安罩必须在机器启动前就闭合，它要求所有危险的运动部件都要被罩起来，当罩子闭合时，操纵员的手就不碍事了。当罩子闭合时，可以采用槽式光传感器开关和阻断光路的标志来解决罩的检测问题，然后将光电晶体管发射极连接到地线并用电阻器将集电极上拉。当标志阻断传感器时，晶体管关闭，输出变高。开路或者未连接的LED对系统来讲就好似闭合的罩子一样，可能会在罩子还翻开

5、的时候尝试启动，这时就要在罩子闭合时用标志去除途径，出现故障的LED就好似翻开着的罩子一样，似乎整个系统是平安的实际上不是。一种更加平安的方法是采用两只传感器，一只传感器当罩子开启的时候被阻断，另一只传感器当罩子闭合的时候被阻断。为确保操纵员的平安，除非两种传感器均处于正确状态罩子闭合时，才可以启动机器。有时候，需要知道光传感器中的LED是否出现故障，这时可以采用槽式开关来确定发动机是否在运转。假如发动机停顿运转，就可以检测发动机被堵塞或者传感器的LED是否出现故障或者断开连接，进而方便显示正确的故障诊断信息。图3是一个有关检测失效LED的简单例子。比拟器感测到LED正极上的电压。当LED开启

6、时，它将使电压下降约1.2V典型值，因此比拟器输出变高。假如翻开LED，正极的电压将会升到Vcc要使LED工作，Vcc必须大于3V。图中所示LED电路始终是开启的。这种方法也可用于开关式LED，但中选择参考电压时，要考虑将开关晶体管的电压降考虑进去。当LED关闭时，软件一定检测不到比拟器的输出。尽管断开的LED与短路的LED极其相似，也可以再增加一个比拟器来检测短路情况。参考电压为0.6V，假如电压降低于参考电压，系统软件将会提示出现了错误。其它光传感器方案除了槽式开关和反射传感器，光传感器也可用做光隔离器以及分立光传感器发射器和接收器。光隔离器也称为光耦合器可在像IC一样的封装物内安装LED

7、和光电晶体管。光隔离器不能用来检测机械运动，而是在两个电路之间提供电隔离。光传感器是被密封的，因此它无法阻断光路。光隔离器通常用于将高压电路与控制它的微处理器隔分开。乐器的数字接口技术MIDI就是运用光隔离器来使电子乐器连接起来，防止由不同地线电压造成的问题。图4显示光隔离器中信号从一个电路中传递到另一个电路的经过，而且地线和系统的电源接口或者许是完全分开的。即使在一条地线看似一样的单一系统中，光隔离器也可用于隔离地回路，或者将地线的燥音如脉宽调制发动机燥音阻挡在逻辑/模拟地线之外。光隔离器输出逻辑电平，与光电晶体管的输出不同，这些光隔离器装置的IC内部有其它电路已将模拟输出转化为数字电压输出

8、。IMG=光隔离器信号传递/uploadpic/THESIS/2007/12/2007121112020799636T.jpg/IMG光隔离器有着与光传感器一样的增益和速度问题，然而，由于LED与光电晶体管座更近，光隔离器的CTR通常较高，典型值在0.2-1的范围内。光隔离器的速度通常比光传感器开关的速度快，通用的4N35光隔离器每次会有10ms的开启和关闭时间，因此它可传递10kHz的信号。要获得高速隔离，通常要采用快速的光绝缘器。6N136的速度约1MHz，这种元件是将一个光电二极管接口到晶体管上来实现高速的。分立光传感器有一种设计需要采用分立光传感器元件LED或者光电晶体管。这与封装在光

9、传感器开关中的元件类似，通常是红外线传感器。它们通常用于检测在LED和光电晶体管之间被物体所阻挡的情况，由于这些地方的物理特性不容许采用槽式开关传感器。分立元件是以跟光传感器开关或者光电晶体管一样的方式进展接口的，不过有几个补充考虑因素。由于传感器与光电晶体管的间隔通常较大，因此CTR较低。电路中要用到软件调节LED电流或者感应门限以确保稳定和重复的运行。在某些情况下，为了聚光需要采用透镜，软件的调整可以补偿因LED和光电晶体管相距远以及公差累加造成的不一致。在光传感器开关内，LED和光电晶体管须与同一红外波长IR匹配。尽管绝大局部IR光电晶体管和LED匹配良好，实际上，这些元件在IR范围的峰

10、值波长附近工作。当采用分立元件的时候，最好采用为一样IR范围而设计的LED和光电晶体管。假如这些元件之间间隔不同，那么在其耦合间隔一端的LED和在其耦合间隔另一端的光电晶体管就构成具有较低CTR的系统。磁性传感器在嵌入式设备中采用的最简单的磁性传感器是霍尔效应传感器。霍尔效应是由EdwinHall博士于1879年发现的。在磁场存在的情况下，载流半导体器件置于磁场中会产生电压，这个电压和电流与磁感应强度成正比。霍尔效应传感器在硅片上制成，产生的电压只有几微伏/高斯。因此，要采用高增益放大器把从霍尔元器件输出的信号放大到可用的范围，霍尔效应传感器已经把放大器和与传感器单元集成在一样的封装中。当要求

11、传感器的输出与磁场成正比时，或当磁场超过某一程度时开关要改变状态，此时，就可以采用霍尔效应传感器。模拟霍尔效应传感器适用于需要知道磁铁间隔传感器终究有多少间隔的场合，例如，感测振荡臂是否真的在运动。霍尔效应传感器最适用于探测磁铁是否逼近传感器的应用，例如，感测平安罩是否翻开或者关闭。模拟霍尔效应传感器的输出端可被接口到比拟器或者与任何其它电压输出传感器类似的ADC。有一点需要留意，模拟输出传感器提供与供给电压成比例的输出量。为了得到准确的无噪声输出，必须采用无噪声的，调整良好的电源为传感器供电。在没有磁场存在的情况下，典型的模拟霍尔效应传感器的输出为供给电压和地线之间电压的中间值。当北磁极在传

12、感器的附近的时候，电压朝地方向运动，而当南磁极靠近传感器的时候，电压那么朝着正电源方向运动。霍尔效应开关产生数字输出来说明磁场的存在。当磁力运动点被感测到时，霍尔效应传感器就驱动输出；当磁场下降至一定电平之后释放值，霍尔效应传感器就制止输出。在释放点低于工作点的范围内，存在着一定的磁滞范围。霍尔效应开关可分为两类-单极和多极型开关，有时也称为无闭锁和闭锁型开关。双极开关有一个正极南磁极工作点和一个负极北磁极释放点。单极开关有一个正极南磁极工作点和一个次正极释放点。在两类情况中，实际的工作及释放点随温度不同而不同。单极和双极开关通常会有一个与外置电阻器并不相联的开集电极输出端。霍尔效应传感器通采

13、用与TO-92晶体管外壳相似的3导线封装，这3根导线分别是电源、地和输出。尽管一些传感器的操纵电压到达30V或者更高，但这种传感器的供给电压通常是5-10V。当使用霍尔效应传感器的时候，要记住解决磁场偏离问题。如果采用磁体，例如旋转轴，要保证磁铁不过分磁化旋转轴，否那么会影响传感器的输出。切记磁场是以间隔的平方数衰减的。受磁场强度的影响，模拟霍尔效应传感器的输出可能同磁场的强度成线性关系，但不会同间隔成线性关系。锯齿霍尔效应传感器包括一个磁体和在封装内的霍尔效应传感器，如图5所示，通过将传感器置于锯齿附近，它们已被设计成用来测量带齿装置的旋转。在每个连接齿行经传感器的时候，它会对磁体和霍尔效应传感器之间的磁场产生作用，进而产生输出脉冲。0