IFM光傳感(gan)器及磁性(xing)傳感(gan)器如(ru)何選用

IFM光(guang)傳感(gan)器及磁性(xing)傳感(gan)器如(ru)何選用
IFM傳感(gan)器為微處理(li)系統提(ti)感(gan)測(ce)周(zhou)圍環(huan)境(jing)條(tiao)件提(ti)供(gong)了(le)壹(yi)個(ge)窗口，光傳感(gan)器及磁性(xing)傳感(gan)器在測(ce)定物體(ti)的出(chu)現(xian)、離開(kai)和(he)運動等領(ling)域(yu)應用廣泛。本(ben)文介紹光(guang)傳感(gan)器和(he)磁性(xing)傳感(gan)器的基(ji)本(ben)類型、應用及其與微處理(li)器的接口問(wen)題(ti)。
   顯(xian)示的(de)是槽(cao)式(shi)光傳感(gan)器開(kai)關(guan),將壹個(ge)發(fa)光二(er)極(ji)管(LED)置於正(zheng)對(dui)光電(dian)晶體(ti)管的塑料座中(zhong)，發(fa)光二(er)極(ji)管與光電(dian)晶體(ti)管之間有壹個(ge)縫(feng)隙。如(ru)果物體(ti)穿過這個(ge)縫(feng)隙，它將阻(zu)斷LED和(he)光電(dian)晶體(ti)管之間的光(guang)路。槽(cao)式(shi)開(kai)關(guan)通(tong)過在發(fa)動機軸上放(fang)置壹個(ge)開(kai)槽(cao)的輪(lun)子(zi)來檢(jian)測(ce)發(fa)動機速(su)度。當軸旋轉(zhuan)時(shi)，它(ta)交替地阻(zu)斷光(guang)路。槽(cao)式(shi)開(kai)關(guan)也(ye)用於指示門(men)或罩(zhao)的(de)開(kai)關(guan)或閉(bi)合(he)。當門(men)是閉(bi)合(he)的(de)時(shi)候(hou)，門(men)上(shang)的(de)標誌(zhi)會(hui)落入槽(cao)內並(bing)阻(zu)斷光(guang)路。
    顯(xian)示了(le)壹(yi)個(ge)反射(she)傳感(gan)器，其工(gong)作原(yuan)理(li)是相似(si)的(de)。反射(she)傳感(gan)器上的(de)光電(dian)晶體(ti)管截取(qu)由(you)開(kai)關(guan)前部(bu)任(ren)何(he)地方(fang)反射(she)來的(de)光。大部(bu)分反射(she)傳感(gan)器都(dou)有焦距長度，即(ji)檢(jian)測(ce)被放(fang)置物體(ti)的*距離，該距離通(tong)常(chang)在0.1和(he)0.5寸之(zhi)間(jian)。IFM反射(she)傳感(gan)器通(tong)常(chang)通(tong)過著色(se)或陽(yang)極(ji)處理(li)使發(fa)動機軸變(bian)黑來檢(jian)測(ce)發(fa)動機運(yun)動情(qing)況，然後(hou)將(jiang)由反射(she)材(cai)料制成(cheng)的(de)帶狀(zhuang)物置於軸上。由(you)於軸在旋(xuan)轉，傳感(gan)器就不(bu)能(neng)從(cong)軸的黑色(se)部(bu)分收到反射(she)，卻能夠(gou)從(cong)反射(she)帶上(shang)收到強(qiang)烈(lie)反射(she)。槽(cao)式(shi)或反射(she)光(guang)傳感(gan)器具有相同(tong)的電(dian)路符(fu)。在系統設(she)計時(shi)都(dou)要註意兩類傳感(gan)器具有共同(tong)特(te)征。
  電(dian)流傳輸率(lv)(CTR)
    LED和(he)光電(dian)晶體(ti)管對(dui)的增(zeng)益通(tong)常(chang)少(shao)於(yu)1。在(zai)給(gei)定LED電(dian)流的情(qing)況下，光電(dian)晶體(ti)管集(ji)電(dian)極(ji)中產(chan)生(sheng)的電(dian)流被稱(cheng)為電(dian)流傳輸率(lv)(CTR)。通(tong)常(chang)槽(cao)式(shi)開(kai)關(guan)的CTR是0.1，因此，LED中(zhong)10mA的電(dian)流會(hui)在集(ji)電(dian)極(ji)中產(chan)生(sheng)1mA的電(dian)流。有時(shi)CTR以(yi)比率(lv)或表(biao)格形(xing)式(shi)描(miao)述(shu)集(ji)電(dian)極(ji)電(dian)流與LED電(dian)流的關(guan)系.CTR取(qu)決於LED和(he)光電(dian)晶體(ti)管的特(te)性，並(bing)因光傳感(gan)器的不(bu)同而有很大不同。
    當需要(yao)將光傳感(gan)器與處理(li)器接口時(shi)，電(dian)流傳輸率(lv)有幾層(ceng)含(han)義(yi)。首先(xian)，如(ru)果將開(kai)關(guan)直接接口到數(shu)字輸入端(duan)，晶體(ti)管輸出(chu)值將會(hui)在有效(xiao)邏(luo)輯(ji)電(dian)平之間(jian)擺(bai)動。要確保光電(dian)晶體(ti)管飽合，就要(yao)限(xian)定上拉電(dian)阻(zu)的值。例如(ru)，如(ru)果用10mA驅動LED且CTR的(de)zui低值為0.1，則(ze)上(shang)拉電(dian)阻(zu)的值約為5kΩ。
    電(dian)阻(zu)值越低，抗(kang)擾度越(yue)好，運行速(su)度更快，但(dan)並(bing)不適用於所(suo)有的光(guang)傳感(gan)器。晶體(ti)管必須吸(xi)收足夠(gou)的電(dian)流以確保有效(xiao)的邏(luo)輯(ji)低電(dian)平。如(ru)果想(xiang)使用較小的上拉電(dian)阻(zu)，可采(cai)用具有較高(gao)CTR的(de)光傳感(gan)器開(kai)關(guan)或具有更大驅動電(dian)流的LED。光(guang)傳感(gan)器開(kai)關(guan)具有達(da)林(lin)頓晶體(ti)開(kai)關(guan)輸出(chu)形式(shi)，它通(tong)常(chang)具有比圖(tu)1更高的CTR，但(dan)通(tong)常(chang)它們也(ye)只有單只(zhi)晶體(ti)管輸出(chu)速度的(de)20%，且飽合電(dian)壓較高(gao)。
    反射(she)傳感(gan)器也(ye)可以采(cai)用CTR來評(ping)估。由於(yu)傳感(gan)器取(qu)決於反射(she)光(guang)，CTR取(qu)決於表(biao)面(mian)類型和(he)反射(she)表(biao)面(mian)與傳感(gan)器之間(jian)的距離。反射(she)傳感(gan)器的CTR取(qu)決於標準(zhun)反射(she)表(biao)面(mian)，該表(biao)面(mian)被置於與傳感(gan)器相距特(te)定距離的(de)焦點位置上。
    反射(she)傳感(gan)器的CTR因器件和(he)應用的不同而(er)不(bu)同(tong)。如(ru)果傳感(gan)器面(mian)對(dui)的是壹(yi)個(ge)在(zai)灰(hui)色(se)和(he)黑色(se)之間轉換的(de)表(biao)面(mian)，則(ze)CTR與生(sheng)產廠家(jia)所(suo)采(cai)用的白色(se)參(can)考(kao)面(mian)測(ce)得的(de)CTR就會(hui)不相同(tong)。設(she)計必須適應(ying)由(you)傳感(gan)器應用所(suo)得出(chu)的實(shi)際(ji)CTR。確定CTR範圍的壹(yi)個(ge)方(fang)法是測(ce)量(liang)具體(ti)應用的CTR，然後(hou)采(cai)用相同(tong)傳感(gan)器與由傳感(gan)器生(sheng)產廠家(jia)用白色(se)參(can)考(kao)面(mian)測(ce)得的(de)CTR進(jin)行比(bi)較(jiao)，這(zhe)樣(yang)將(jiang)會(hui)得到所(suo)期望(wang)的CTR參(can)考(kao)範(fan)圍。
    由於(yu)光傳感(gan)器的CTR範(fan)圍很大，可能須將(jiang)傳感(gan)器的輸(shu)出(chu)端(duan)接口到模(mo)數(shu)轉(zhuan)換器(ADC)，這樣(yang)可(ke)采(cai)用軟(ruan)件(jian)來查(zha)找輸(shu)出(chu)電(dian)平的變(bian)化，而(er)非(fei)取(qu)決於產(chan)生(sheng)數(shu)字邏(luo)輯(ji)電(dian)平的元件的(de)能力(li)。當然，這(zhe)樣(yang)做的代(dai)價(jia)就是增(zeng)加壹個(ge)ADC並(bing)且需(xu)要更多(duo)的(de)時(shi)間(jian)進(jin)行ADC取(qu)樣(yang)。
  檢(jian)測(ce)速度
    任(ren)何(he)光(guang)傳感(gan)器中光(guang)電(dian)晶體(ti)管的速度相當慢，這(zhe)壹點限(xian)制了(le)檢(jian)測(ce)的zui大速度。開(kai)關(guan)時(shi)間(jian)的典型值分別是8ms和(he)50ms。如(ru)果傳感(gan)器內的(de)驅動LED由軟(ruan)件(jian)控(kong)制(zhi)，這壹軟(ruan)件(jian)必(bi)須(xu)在讀取(qu)傳感(gan)器的輸(shu)出(chu)時(shi)，對(dui)開(kai)啟(qi)和(he)關閉(bi)延(yan)遲(chi)予以考(kao)慮。
  機(ji)械(xie)不穩(wen)定性
    機械(xie)抖動會(hui)導(dao)致反射(she)傳感(gan)器異常(chang)。例如(ru)，通(tong)過觀(guan)察(cha)扁(bian)平黑色(se)發(fa)動機軸上的(de)發(fa)光帶，反射(she)傳感(gan)器可以(yi)測(ce)量(liang)旋轉(zhuan)次(ci)數(shu)，這(zhe)種(zhong)傳感(gan)器電(dian)流的輸(shu)出(chu)產生(sheng)的是中(zhong)斷信號。有時(shi)候(hou)，發(fa)光帶恰(qia)好在傳感(gan)器的檢(jian)測(ce)區域(yu)時(shi)，發(fa)動機會(hui)停止(zhi)。機器震動會(hui)引起處理(li)器產生(sheng)大量(liang)的中(zhong)斷(duan)信(xin)號，從而(er)有效(xiao)地關(guan)閉(bi)發(fa)動機。
    可(ke)以設(she)想(xiang)壹個(ge)與槽(cao)式(shi)傳感(gan)器相似(si)的(de)情(qing)形，如(ru)果阻(zu)斷光(guang)路的(de)標誌(zhi)只是使(shi)光電(dian)晶管變(bian)得(de)部(bu)分模糊，從而使光電(dian)晶體(ti)管運行不(bu)良(liang)，造(zao)成不(bu)確定的輸出(chu)。因此硬(ying)件設(she)計可以應用比較器電(dian)路的(de)時(shi)滯原(yuan)理(li)，將這壹(yi)問(wen)題(ti)很好地解(jie)決。
  反射(she)傳感(gan)器則(ze)要(yao)做壹些(xie)補充(chong)考(kao)慮(lv)。反射(she)傳感(gan)器常用於傳感(gan)不(bu)同類型(xing)的(de)物體(ti)表(biao)面(mian)。壹個(ge)典型的例子就是高(gao)速分選機(ji)分選紙(zhi)張。紙(zhi)的質(zhi)量(liang)、顏色(se)和(he)反射(she)特(te)性不(bu)同(tong)。傳感(gan)系(xi)統必須(xu)被設(she)計成能夠處理(li)各種(zhong)材(cai)料。在發(fa)動機測(ce)速應(ying)用中，油膜(mo)覆(fu)蓋了(le)軸的扁(bian)平黑色(se)元件，將(jiang)會(hui)發(fa)生(sheng)什麽(me)？對(dui)於檢(jian)測(ce)旋轉(zhuan)的傳感(gan)器的功效(xiao)有何影響？
    在某(mou)些(xie)情(qing)況下，可能要增(zeng)加硬(ying)件或軟(ruan)件(jian)(或兩(liang)者(zhe)兼有)來檢(jian)測(ce)異常(chang)狀況(kuang)。在這個(ge)例子當中，當反射(she)傳感(gan)器產生(sheng)過多(duo)中(zhong)斷(duan)信(xin)號時(shi)，軟(ruan)件(jian)會(hui)有壹個(ge)記錄(lu)中(zhong)斷(duan)時(shi)間(jian)的計時(shi)器。如(ru)果傳感(gan)器中斷(duan)服務程(cheng)序(xu)被(bei)退(tui)出(chu)又立(li)即(ji)重(zhong)新(xin)進(jin)入，中(zhong)斷服務程(cheng)序(xu)可(ke)能(neng)會(hui)禁(jin)止(zhi)中斷(duan)並(bing)設(she)定標誌(zhi)來告(gao)知(zhi)系統的其它部(bu)分：現(xian)在出(chu)故(gu)障了(le)。
  LED的(de)失效(xiao)
    在對(dui)安全(quan)性要(yao)求高的系統中，要(yao)保證傳感(gan)器出(chu)現(xian)故(gu)障時(shi)不(bu)會(hui)造成系(xi)統的運(yun)行出(chu)現(xian)安全(quan)問(wen)題(ti)，壹(yi)個(ge)典型的例子是安(an)全罩必(bi)須(xu)在機器啟(qi)動前就閉(bi)合(he)，它(ta)要(yao)求所(suo)有危險(xian)的(de)運(yun)動部(bu)件(jian)都(dou)要被罩起來，當罩子(zi)閉(bi)合(he)時(shi)，操(cao)作員的手就不(bu)礙事(shi)了(le)。當罩子(zi)閉(bi)合(he)時(shi)，可(ke)以采(cai)用槽(cao)式(shi)光傳感(gan)器開(kai)關(guan)和(he)阻(zu)斷光(guang)路的(de)標誌(zhi)來解(jie)決罩的(de)檢(jian)測(ce)問(wen)題(ti)，然後(hou)將(jiang)光電(dian)晶體(ti)管發(fa)射極(ji)連接到地線(xian)並(bing)用電(dian)阻(zu)器將集(ji)電(dian)極(ji)上拉。當標誌(zhi)阻(zu)斷傳感(gan)器時(shi)，晶體(ti)管關閉(bi)，輸(shu)出(chu)變(bian)高(gao)。
    開(kai)路或未(wei)連(lian)接的LED對(dui)系統來說(shuo)就好像閉(bi)合(he)的(de)罩(zhao)子壹樣(yang)，可(ke)能會(hui)在罩子(zi)還(hai)打開(kai)的(de)時(shi)候(hou)嘗試啟(qi)動，這時(shi)就要(yao)在(zai)罩(zhao)子(zi)閉(bi)合(he)時(shi)用標誌(zhi)清(qing)除(chu)路徑(jing)，出(chu)現(xian)故(gu)障的LED就好像打開(kai)著的(de)罩子(zi)壹樣(yang)，似(si)乎(hu)整(zheng)個(ge)系(xi)統是安(an)全的(實(shi)際(ji)上不是)。壹(yi)種(zhong)更加安全的(de)方(fang)法是采(cai)用兩只傳感(gan)器，壹只(zhi)傳感(gan)器當罩子(zi)開(kai)啟(qi)的時(shi)候(hou)被(bei)阻(zu)斷，另(ling)壹(yi)只傳感(gan)器當罩子(zi)閉(bi)合(he)的(de)時(shi)候(hou)被(bei)阻(zu)斷。為確保操作員的安全(quan)，除(chu)非兩(liang)種(zhong)傳感(gan)器均(jun)處於(yu)正(zheng)確狀態(罩(zhao)子(zi)閉(bi)合(he))時(shi)，才(cai)可(ke)以(yi)啟(qi)動機器。
    有時(shi)候(hou)，需(xu)要知(zhi)道(dao)光(guang)傳感(gan)器中的(de)LED是否(fou)出(chu)現(xian)故(gu)障，這時(shi)可(ke)以采(cai)用槽(cao)式(shi)開(kai)關(guan)來確定發(fa)動機是否(fou)在運(yun)轉。如(ru)果發(fa)動機停止(zhi)運轉(zhuan)，就可(ke)以(yi)檢(jian)測(ce)發(fa)動機被(bei)堵塞(sai)或傳感(gan)器的LED是否(fou)出(chu)現(xian)故(gu)障(或斷(duan)開(kai)連(lian)接)，從而(er)方便(bian)顯(xian)示正(zheng)確的故(gu)障診斷信息。壹個(ge)有關檢(jian)測(ce)失效(xiao)LED的簡(jian)單例子。比(bi)較(jiao)器感(gan)測(ce)到LED正(zheng)極(ji)上的(de)電(dian)壓。當LED開(kai)啟(qi)時(shi)，它(ta)將使電(dian)壓下降(jiang)約1.2V(典型值)，因此比(bi)較器輸出(chu)變(bian)高(gao)。如(ru)果打開(kai)LED，正(zheng)極(ji)的電(dian)壓將會(hui)升(sheng)到Vcc(要(yao)使(shi)LED工(gong)作，Vcc必(bi)須(xu)大於3V)。所(suo)示LED電(dian)路始(shi)終是開(kai)啟(qi)的。這種(zhong)方(fang)法也(ye)可用於開(kai)關(guan)式(shi)LED，但(dan)當選擇(ze)參(can)考(kao)電(dian)壓時(shi)，要(yao)考慮將(jiang)開(kai)關(guan)晶體(ti)管的電(dian)壓降(jiang)考慮(lv)進(jin)去(qu)。當LED關閉(bi)時(shi)，軟(ruan)件(jian)壹(yi)定檢(jian)測(ce)不到比(bi)較(jiao)器的輸(shu)出(chu)。
    盡管斷開(kai)的(de)LED與短(duan)路的(de)LED極(ji)其相似(si)，也(ye)可以再增加壹個(ge)比(bi)較(jiao)器來檢(jian)測(ce)短(duan)路情(qing)況。參(can)考(kao)電(dian)壓為0.6V，如(ru)果電(dian)壓降(jiang)低於(yu)參(can)考(kao)電(dian)壓，系統軟(ruan)件(jian)將(jiang)會(hui)提(ti)示(shi)出(chu)現(xian)了(le)錯(cuo)誤(wu)。
  其它光(guang)傳感(gan)器方案
    除了(le)槽(cao)式(shi)開(kai)關(guan)和(he)反射(she)傳感(gan)器，光傳感(gan)器也(ye)可用做光隔離器以及(ji)分立(li)光(guang)傳感(gan)器發(fa)射器和(he)接收器。
    光隔離器(也(ye)稱為光耦合(he)器)可在(zai)像IC壹(yi)樣(yang)的(de)封裝(zhuang)物內(nei)安裝(zhuang)LED和(he)光電(dian)晶體(ti)管。光隔離器不能(neng)用來檢(jian)測(ce)機械(xie)運動，而是在(zai)兩個(ge)電(dian)路之(zhi)間提(ti)供(gong)電(dian)隔離。光(guang)傳感(gan)器是被(bei)密(mi)封的(de)，因此它(ta)無法阻(zu)斷光(guang)路。光(guang)隔離器通(tong)常(chang)用於將高壓(ya)電(dian)路與控制它的(de)微(wei)處理(li)器隔離開(kai)。樂(le)器的數(shu)字接口技(ji)術(shu)(MIDI)就是運(yun)用光隔離器來使(shi)電(dian)子樂(le)器連接起來，防止(zhi)由不(bu)同地線(xian)電(dian)壓造成(cheng)的問(wen)題(ti)。
    光(guang)隔離器中信(xin)號從壹(yi)個(ge)電(dian)路中(zhong)傳遞(di)到另(ling)壹(yi)個(ge)電(dian)路的(de)過程(cheng)，而且地線(xian)和(he)系統的電(dian)源(yuan)接口或許是*分開(kai)的(de)。即使在壹(yi)條(tiao)地線(xian)看似(si)相同(tong)的單壹(yi)系(xi)統中，光(guang)隔離器也(ye)可用於隔離地回(hui)路，或將(jiang)地線(xian)的燥音(yin)(如(ru)脈(mai)寬(kuan)調(tiao)制(zhi)發(fa)動機燥音(yin))阻(zu)擋在(zai)邏(luo)輯(ji)/模擬(ni)地線(xian)之外。光(guang)隔離器輸出(chu)邏(luo)輯(ji)電(dian)平，與光電(dian)晶體(ti)管的輸出(chu)不同(tong)，這些(xie)光隔離器裝置的IC內(nei)部(bu)有其它電(dian)路已(yi)將模擬(ni)輸(shu)出(chu)轉化為數(shu)字電(dian)壓輸出(chu)。
  光隔離器有著與光傳感(gan)器相同(tong)的增(zeng)益和(he)速度問(wen)題(ti)，然而(er)，由(you)於LED與光電(dian)晶體(ti)管座更近(jin)，光隔離器的CTR通(tong)常(chang)較高，典型值在0.2-1的範圍(wei)內(nei)。
    光(guang)隔離器的速(su)度通(tong)常(chang)比光傳感(gan)器開(kai)關(guan)的速度快，通(tong)用的4N35光隔離器每次(ci)會(hui)有10ms的開(kai)啟(qi)