光傳感器及磁性傳感器的應用初探
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(fā)光二極管(LED)置于正對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(fā)動機軸上放置一個開槽的輪子來檢測發(fā)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(fā)動機軸變黑來檢測發(fā)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(tǒng)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8ms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(wěn)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(fā)動機軸上的發(fā)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(fā)光帶恰好在傳感器的檢測區(qū)域時，發(fā)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(fā)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(tǒng)必須被設計成能夠處理各種材料。在發(fā)動機測速應用中，油膜覆蓋了軸的扁平黑色元件，將會發(fā)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(tǒng)的其它部分：現(xiàn)在出故障了。
LED的失效
在對安全性要求高的系統(tǒng)中，要保證傳感器出現(xiàn)故障時不會造成系統(tǒng)的運行出現(xiàn)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(fā)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(tǒng)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(xiàn)故障的LED就好像打開著的罩子一 樣，似乎整個系統(tǒng)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(tài)(罩子閉合)時，才可以啟動機器。
