光传感器及磁性传感器的应用初探

传感器为微处理系统提感测周围环境条件提供了一个窗口，光传感器及磁性传感器在测定物体的出现、离开和运动等领域应用广泛。本文介绍光传感器和磁性传感器的基本类型、应用及其与微处理器的接口问题。


图1显示的是槽式光传感器开关，将一个发光二极管(LED)置于正对光电晶体管的塑料座中，发光二极管与光电晶体管之间有一个缝隙。如果物体穿过这个缝隙，它将阻断LED和光电晶体管之间的光路。槽式开关通过在发动机轴上放置一个开槽的轮子来检测发动机速度。当轴旋转时，它交替地阻断光路。槽式开关也用于指示门或罩的开关或闭合。当门是闭合的时候，门上的标志会落入槽内并阻断光路。


图1b显示了一个反射传感器，其工作原理是相似的。反射传感器上的光电晶体管截取由开关前部任何地方反射来的光。大部分反射传感器都有焦距长度，即检测被放置物体的最佳距离，该距离通常在0.1和0.5寸之间。反射传感器通常通过着色或阳极处理使发动机轴变黑来检测发动机运动情况， 然后将由反射材料制成的带状物置于轴上。由于轴在旋转，传感器就不能从轴的黑色部分收到反射，却能够从反射带上收到强烈反射。如图1c所示，槽式或反射光传感器具有相同的电路符。在系统设计时都要注意两类传感器具有共同特征。


电流传输率(CTR)


LED和光电晶体管对的增益通常少于1。在给定LED电流的情况下，光电晶体管集电极中产生的电流被称为电流传输率(CTR)。通常槽式开关的CTR是0.1，因此，LED中10mA的电流会在集电极中产生1mA的电流。有时CTR以比率或表格形式描述集电极电流与LED电流的关系。CTR取决于LED和光电晶体管的特性，并因光传感器的不同而有很大不同。


当需要将光传感器与处理器接口时，电流传输率有几层含义。首先，如图2所示，如果将开关直接接口到数字输入端，晶体管输出值将会在有效逻辑电平之间摆动。要确保光电晶体管饱合，就要限定上拉电阻的值。例如，如果用10mA驱动LED且CTR的最低值为0.1，则上拉电阻的值约为5kΩ。


电阻值越低，抗扰度越好，运行速度更快，但并不适用于所有的光传感器。晶体管必须吸收足够的电流以确保有效的逻辑低电平。如果想使用较小的上拉电阻，可采用具有较高CTR的光传感器开关或具有更大驱动电流的LED。光传感器开关具有达林顿晶体开关输出形式，它通常具有比图1更高的CTR，但通常它们也只有单只晶体管输出速度的20%，且饱合电压较高。


反射传感器也可以采用CTR来评估。由于传感器取决于反射光，CTR取决于表面类型和反射表面与传感器之间的距离。反射传感器的CTR取决于标准反射表面，该表面被置于与传感器相距特定距离的焦点位置上。


反射传感器的CTR因器件和应用的不同而不同。如果传感器面对的是一个在灰色和黑色之间转换的表面，则CTR与生产厂家所采用的白色参考面测得的CTR就会不相同。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具体应用的CTR，然后采用相同传感器与由传感器生产厂家用白色参考面测得的CTR进行比较，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能力。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行ADC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8 ms和50ms。如果传感器内的驱动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出产生的是中断信号。有时候，发光带恰好在传感器的检测区域时，发动机会停止。机器震动会引起处理器产生大量的中断信号，从而有效地关闭发动机。


可以设想一个与槽式传感器相似的情形，如果阻断光路的标志只是使光电晶管变得部分模糊，从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较器电路的时滞原理，将这一问题很好地解决。

反射传感器则要做一些补充考虑。反射传感器常用于传感不同类型的物体表面。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能够处理各种材料。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功效有何影响？


在某些情况下，可能要增加硬件或软件(或两者兼有)来检测异常状况。在这个例子当中，当反射传感器产生过多中断信号时，软件会有一个记录中断时间的计时器。如果传感器中断服务程序被退出又立即重新进入，中断服务程序可能会禁止中断并设定标志来告知系统的其它部分：现在出故障了。


LED的失效


在对安全性要求高的系统中，要保证传感器出现故障时不会造成系统的运行出现安全问题，一个典型的例子是安全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，操作员的手就不碍事了。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。


开路或未连接的LED对系统来说就好像闭合的罩子一样，可能会在罩子还打开的时候尝试启动，这时就要在罩子闭合时用标志清除路径，出现故障的LED就好像打开着的罩子一样，似乎整个系统是安全的(实际上不是)。一种更加安全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。为确保操作员的安全，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。如果发动机停止运转，就可以检测发动机被堵塞或传感器的LED是否出现故障(或断开连接)，从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。比较器感测到LED正极上的电压。当LED开启时，它将使电压下降约1.2V(典型值)，因此比较器输出变高。如果打开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，但当选择参考电压时，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较器的输出。


尽管断开的LED与短路的LED极其相似，也可以再增加一个比较器来检测短路情况。参考电压为0.6V，如果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离开。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过程，而且地线和系统的电源接口或许是完全分开的。即使在一条地线看似相同的单一系统中，光隔离器也可用于隔离地回路，或将地线的燥音(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。

光隔离器有着与光传感器相同的增益和速度问题，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或光电晶体管。这与封装在光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，因为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光电晶体管相同的方式进行接口的，不过有几个补充考虑因素。由于传感器与光电晶体管的距离通常较大，因此CTR较低。电路中要用到软件调节LED电流或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。尽管绝大部分IR光电晶体管和LED匹配良好，实际上，这些元件在IR范围的峰值波长附近工作。当采用分立元件的时候，最好采用为相同IR范围而设计的LED和光电晶体管。如果这些元件之间距离不同，则在其耦合距离一端的LED和在其耦合距离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Edwin Hall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相同的封装中。


当要求传感器的输出与磁场成正比时，或者当磁场超过某一水平时开关要改变状态，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距离传感器究竟有多少距离的场合，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，感测安全罩是否打开或关闭。


模拟霍尔效应传感器的输出端可被接口到比较器或与任何其它电压输出传感器类似的ADC。有一点须要注意，模拟输出传感器提供与供应电压成比例的输出量。为了得到精确的无噪声输出，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应电压和地线之间电压的中间值。当北磁极在传感器的附近的时候，电压朝地方向运动，而当南磁极靠近传感器的时候，电压则朝着正电源方向运动。霍尔效应开关产生数字输出来表明磁场的存在。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)，霍尔效应传感器就禁止输出。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作电压达到30V或更高，但这种传感器的供应电压通常是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，否则会影响传感器的输出。


切记磁场是以距离的平方数衰减的。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，但不会同距离成线性关系。


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，从而产生输出脉冲。


作者简介：


Stuart Ball是一位具有20年嵌入式系统设计经验的电子工程师，他著有3本有关嵌入式微处理系统的书：《实时设计》《嵌入式微处理系统的解决方案》《嵌入式系统的模拟方案》，三本书均由Butterworth-Heinemann出版，联系邮件：stuart@stuartball.com。