順應(yīng)消費(fèi)者對(duì)更佳用戶體驗(yàn)和智能自動(dòng)化控制的需求，光學(xué)接近式傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到具備臉部檢測(cè)、手部動(dòng)作和距離檢測(cè)等各種技術(shù)上，例如智能手機(jī)、液晶電視顯示屏、計(jì)算機(jī)和鍵盤背光顯示、數(shù)碼相機(jī)取景器、自動(dòng)光度切換和衛(wèi)生間龍頭控制等應(yīng)用。
本文將介紹接近式傳感器的工作原理，以及使用時(shí)在信號(hào)放大、濾波和信號(hào)調(diào)整方面所面臨的挑戰(zhàn)。此外，也將討論設(shè)計(jì)工程師如何通過使用全方位的接近式傳感器方案解決LED長時(shí)間高電流保護(hù)、陽光和環(huán)境光源消除等問題，確保光學(xué)接近式傳感器的穩(wěn)固性和性能。
反射型光學(xué)接近式傳感器介紹和工作原理
光學(xué)接近式傳感器基本上是由紅外LED發(fā)射器和PIN光檢測(cè)器所組成，圖1為典型接近式傳感器的功能方塊圖。
圖1：接近式傳感器的功能方塊圖。
作為電到光的轉(zhuǎn)換器，LED發(fā)射器會(huì)發(fā)射紅外脈沖，并通過提供由光轉(zhuǎn)換回到電氣信號(hào)的光二極管檢測(cè)器感應(yīng)由遮蔽物體或表面反射的紅外脈沖，請(qǐng)參考圖2中的功能方塊圖說明。
圖2：接近式傳感器的工作原理圖。
接近式傳感器的基本工作原理非常簡(jiǎn)單，紅外脈沖由LED發(fā)射器發(fā)出，到達(dá)離開傳感器特定檢測(cè)距離的障礙物體或表面，并發(fā)生穿透、散射或反射回到光二極管檢測(cè)器，接著光二極管會(huì)產(chǎn)生可以通過外部負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換成為輸出電壓的光電流，輸出光電流的大小則由檢測(cè)距離和LED的驅(qū)動(dòng)電流大小決定，在特定LED光度輸出條件下，物體或表面越接近傳感器，反射的光強(qiáng)度越高，因此光二極管傳感器所提供的光電流輸出也越大。
接近式傳感器信號(hào)放大、濾波和信號(hào)調(diào)整面臨的挑戰(zhàn)
在實(shí)際設(shè)計(jì)上，接近式感應(yīng)電路可能非常復(fù)雜，目前的設(shè)計(jì)大多采用分立方案實(shí)現(xiàn)，通常會(huì)在光學(xué)接近式傳感器的輸入和輸出加上信號(hào)調(diào)整電路來強(qiáng)化傳感器的能力和相率，以便在盡可能遠(yuǎn)檢測(cè)距離檢測(cè)到物體，為微控制器提供可靠且適當(dāng)?shù)妮敵鲂盘?hào)。
在輸入端，由LED發(fā)射器所產(chǎn)生的光脈沖強(qiáng)度基本上由LED的電源大小決定，通常產(chǎn)生電氣脈沖信號(hào)的微控制器并無法提供足夠驅(qū)動(dòng)LED的電流，因此會(huì)加上如晶體管等的電流放大電路。
LED長時(shí)間高電流保護(hù)的重要性，高PSSR：要避免LED導(dǎo)通時(shí)間過長造成壽命縮短，我們可以加入長時(shí)間高電流保護(hù)電路，這個(gè)電路可以避免LED上出現(xiàn)不必要的長脈沖寬度。
接式傳感器的電源輸入電路也必須具備高紋波抑制能力，以避免因輸入電壓變化所造成的波動(dòng)。
陽光和環(huán)境光消除的重要性：環(huán)境光和人工光源，例如白熾燈和熒光燈可能會(huì)影響光二極管檢測(cè)器的靈敏度，任何由光二極管檢測(cè)器所感應(yīng)到的雜散陽光或明亮背光將會(huì)產(chǎn)生不小的持續(xù)直流或低頻尖峰電壓，另外，由于大部分的陽光都包含有一定數(shù)量的紅外光，因此普通的濾波電路并無法有效地降低噪聲。
在接近式傳感器輸出上通常會(huì)希望有干凈的光電流輸出，因此必須在輸出電路上設(shè)計(jì)帶有超窄帶寬特性并匹配目標(biāo)噪聲波長的復(fù)雜濾波電路以進(jìn)行陽光消除，請(qǐng)參考圖3。
圖3：加入陽光消除電路的接近式傳感器工作原理圖。
信號(hào)放大的重要性：要讓微控制器可靠并適當(dāng)?shù)刈x取，通常微小的輸出光電流必須經(jīng)過放大電路進(jìn)一步放大。
適當(dāng)信號(hào)形式接口的重要性：在放大后，輸出光電流信號(hào)可以連接到電流電壓轉(zhuǎn)換電路以提供電壓輸出信號(hào)，同樣地，也可以依目標(biāo)控制功能的形式加入其他電路，例如滯環(huán)比較器和施密特觸發(fā)器。
印刷電路板占用空間和實(shí)現(xiàn)成本的重要性：通常LED驅(qū)動(dòng)電路、放大電路和窄帶寬濾波電路采用分立電路設(shè)計(jì)，從而導(dǎo)致PCB費(fèi)用和實(shí)現(xiàn)成本昂貴。
