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        反射式光電開關物體偵測應用

        發布時間:2021-04-26 16:23  作者:超毅電子  點擊次數:
        隨著科技進步,各種電子產品的自動化程度也跟著提高,自動化程度越高的產品,代表也包含了更多的感測組件。為了避免人眼被環境中各種產品或設備感測時發射的光干擾,所以使用人眼無法察覺的紅外線產品做為傳感器。這份應用手冊將會介紹如何利用紅外線發射組件及紅外線接收組件作物體偵測應用。
         
         最常見的紅外線發射及接收組件就是紅外線發光二極管及光三極管,圖一為基本的 IR LED 搭配 PT 的應用電路。
         
        圖一、IR LED 及 PT 基本應用電路
         
        原理說明:
         
        IR LED 為發射端,順向電流(Forward current; IF)越大發射的輻射強度越大。
        PT 為接收端,收到的輻照度越大,產生的光電流 IC(on)越大。
        調整 Rlimit 值可控制 IF 的大小。
        調整 RL 值可控制 Vout 的大小。
        Vout 可接 MCU 的 ADC(Analog-to-Digital Converter)或 GPIO 做準位判斷。
         
        判斷說明:
         
        無輻照度時,PT 截止,Vout 輸出為高電平(Vcc)
        輻照度低時,PT 導通,Vout 輸出為高電平(Vcc – (Ic x RL))
        輻照度高時,PT 飽和,Vout 輸出為低電平(VCE(sat))
         
        注:VCE(sat)為 PT 飽和電壓。
         
        利用反射式 ITR 做物體偵測方法:
         
        IR LED 通常和 PT 一起搭配作為物體偵測或是遮斷偵測應用。圖二為利用 IR LED 發射 IR 經由物體反射到 PT 做反射式物體偵測的示意圖;為了避免 IR LED 發射的 IR 不經過物體反射,直接在機構內照射到 PT 造成誤判,所以 IR LED 跟 PT 必須有效隔離。利用底下的兩項特性,即可做到反射物的距離偵測。
         
        反射物距離越近,PT 收到的反射輻照度越強,輸出的電流會越高。
         
        不同的材料會有不同的反射率,一般顏色越深、表面越粗糙的物體反射率越低,同距離情況下,接收端輸出的電流相對會降低。
         
        圖二、反射物的距離及材質對物體偵測的影響
         
        圖三、自帶隔離機構的 IR LED+PT 組合組件 ITR
         
        若使用直流的偵測方式,在 ITR 被環境光照射時容易造成誤判。原因是 PT端無法分辨接收到的輻照度是來自于環境光,還是 IR 經物體反射。改善方式如圖四,把 IR 的發射方式從DC改為脈沖,然后PT需分別偵測每次IR Off及IR On時的電壓值Vout(Off)及Vout(On),此時 Vout(Off)就代表環境光造成的偏移值(Offset),Vout(On)代表的則是環境光加上 IR 發射時的電壓值,故 Vout(On)和 Vout(Off)之間的電壓差就是單純 IR 發射時造成的電壓值。此方式除了可以降低環境光的干擾,也因為 IR 的發射是利用 Pulse 短時間點亮,故可以利用更強的電流驅動來偵測更遠的距離。
         
        圖四、改善環境光干擾的方式
         
        圖五為 PT 實際輸出波形的例子,可發現在 IR 從 On 切換到 Off 時,PT 會有一段延遲時間,故在取樣 Vout(Off)時,需確認 PT 輸出電壓已經穩定,避免后續計算物體偵測變異量時造成誤判。
         
        圖五、PT 的輸出電壓波形偵測
         
        實例參考
         
        圖六為一應用電路圖范例,利用 MCU 的 GPIO 控制 MOSFET 的開、關來控制 IR 發射脈沖,并把 Vout 接到 MCU 的 ADC 接腳;利用調整 R limit、RL 的電阻值來確認物體偵測的距離,最后利用ADC 讀取的 Vout(Off)及 Vout(On)差異值來設定物體偵測的閥值。
         
        圖六、應用電路圖
         
        參考圖四的方式控制 GPIO 及參考圖五的波形作 ADC 取樣時間設定,底下以使用億光ITR20001/T24 (Bin K)為例,IR on 時間長度為 350us,在 300us 時取樣 Vout(On),IR Off 時間長度為 50ms,在 6ms 時取樣 Vout(Off)。Vcc = 5V,R limit= 82 ohm(IF ≒ 50mA),RL= 150k ohm。建議閥值可設定在 ADC 最大值的 1/3 左右,此 1/3 值是為了保留給光干擾的 Offset 使用,此值設定越大抗光干擾能力越強,但物體偵測范圍會相對降低。圖七為采上述方式設定,并把 Vout 接到 ADC后,對不同偵測物的比較(Y 軸為 Vout(Off)與 Vout(On)差異的 ADC 讀值)。由圖中可看出反射物顏色越淺反射量越高,可偵測的距離范圍越大,一般會折中以灰卡做設計參考,以此圖為例,灰卡的可判斷的范圍約為 0.1~6cm,黑卡為 0.1~3.5cm,白卡為 0.1~9.5cm。
         
        圖七、不同顏色待測物對 ADC 讀值影響
         
        圖八為反射物灰卡配合 150k ohm 的 RL 做改變 IF 的測試,可發現當 IF 增加到 100mA 時,可判斷的范圍會增加為 0.1~9cm。
         
        圖八、不同 IF 對偵測距離的影響
         
        圖九為反射物灰卡配合 50mA 的 IF 做改變 RL 的測試,可發現當 RL 降低到 68k ohm 時,可判斷的范圍會降低到 0.1~4.5cm。
         
        圖九、不同 RL 對偵測距離的影響
        結論
         
        調整 IF 或 RL 可以調整物體偵測距離,若想增加偵測距離且無功耗考慮,建議以增加 IF 優先,因加大 RL 同時也會增加光干擾的強度;若是要降低偵測距離則以降低 RL 電阻值優先,同時降低環境光干擾。
         
         
        超毅電子推薦億光型號:
         
        ITR20001/T24
        ITR-9908
        ITR8307
        ITR8307/518/TR8
        ITR1502SR40A
         
        本應用信息僅提供客戶設計參考,實際使用請客戶自行驗證,若有其他問題或需億光反射式光電開關樣品測試、規格書資料、應用技術咨詢等,請聯系超毅電子。

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