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光傳感器及磁性傳感器的應用初探
  傳感器為微處理系統提感測周圍環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、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,將一個發光二極管(LED)置于正對光電晶體管的塑料座中，發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。槽式開關通過在發動機軸上放置一個開槽的輪子來檢測發動機速度。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動機軸變黑來檢測發動機運動情況，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動機軸上的發光帶，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，發光帶恰好在傳感器的檢測區域時，發動機會停止。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 統必須被設計成能夠處理各種材料。在發動機測速應用中，油膜覆蓋了軸的扁平黑色元件，將會發生什么？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的其它部分：現在出故障了。

LED的失效

在對安全性要求高的系統中，要保證傳感器出現故障時不會造成系統的運行出現安全問題，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，出現故障的LED就好像打開著的罩子一 樣，似乎整個系統是安全的(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(罩子閉合)時，才可以啟動機器。