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光传感器及磁性传感器的应用初探


http://www.iianews.com 传感器 2007年07月09日

 
  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。

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