Содержание

1. Интеллектуальные оптические датчики.

   1. Преобразователи светотехнических величин в напряжение.

   2. Преобразователи светотехнических величин в частоту.

   3. Линейные оптические матрицы.

   4. Линейная оптическая матрица TSL 401.

2. Интеллектуальные датчики мощности (электрической энергии).

3. Интеллектуальные фотоэлектрические датчики дыма

Интеллектуальные оптические датчики

Семейство интеллектуальных оптических датчиков (ИОД) представляется изделиями фирмы Texas Instruments. В него входят:

1. Преобразователи светотехнических величин в напряжение (Light – to – voltage Converters)

• для видимой области спектра TSL 250/251/252;

• для инфракрасной области спектра TSL 260/261/262.

2. Преобразователи светотехнических величин в частоту (Light-to-Frequency Converters)

• для видимой части диапазона TSL230/235;

• для инфракрасной области TSL245.

3. Линейные оптические матрицы (Linear Arrays) TSL 213/214/215/401.

В датчиках для инфракрасной области спектра используются специальные заграждающие фильтры для видимой области.

Основными светотехническими величинами, которые могут быть измерены с помощью этих датчиков, являются:

• световой поток;

• освещённость;

• яркость;

• сила света.

Преобразователи светотехнических величин в напряжение

Преобразователи светотехнических величин в напряжение (ПСВвН) строятся на основе фотодиодов, включённых по классической схеме:

Рисунок 1

Среди датчиков этой серии выделяют устройства:

1. высокой чувствительности

TSL 250 (видимая область);

TSL 260 (IR).

2. средней чувствительности

TSL 251 (видимая область);

TSL 261 (IR).

3. низкой чувствительности

TSL 252 (видимая область);

TSL 262 (IR).

Дополнительных функций принятия решения нет.

Преобразователи светотехнических величин в частоту

Преобразователи светотехнических величин в частоту (ПСВвЧ) относятся к классу программируемых приборов и включают в свой состав промежуточный преобразователь ток-частота с программируемыми параметрами. Они предназначены для непосредственного сопряжения с сигнальными процессорами и микроконтроллерами.

Рассмотрим на примере TSL 230. В его состав входят фотодиодный преобразователь, прецизионный АЦП, источник опорного напряжения, усилитель и управляемый делитель напряжения.

Структура преобразователя имеет следующий вид:

Рисунок - Структура преобразователя светотехнических величин в частоту

На схеме обозначено:

ОС – цепь обратной связи;

СУКУ – схема управления коэффициентом усиления;

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь;

ИОН - источник опорного напряжения;

МК – микроконтроллер.

АЦП реализован в виде преобразователя аналог – частота и его вход может подключаться непосредственно к входам микроконтроллера для измерения значений частоты.

Датчик TSL 230 программируется с помощью МК для масштабирования интенсивности света и частоты на выходе с помощью 2-х разрядных слов для следующих уровней мощности:

0, 130, 13, 1.3 мВт/см²

Второй тип 2-х разрядных слов позволяет активизировать делители, размещённые на кристалле датчика и реализующие 4 коэффициента деления: 1, 2, 10, 100. Это позволяет получить динамический диапазон измерения 160 дБ при максимальном значении нелинейности 0,9%.

Модели TSL 235, TSL 245 имеют аналогичное построение, TSL 245 используется для инфракрасной области спектра.

Линейные оптические матрицы

Линейные оптические матрицы (ЛОМ) включают в себя набор фоточувствительных элементов, каждый из которых подключен через соответствующую схему к сдвиговому регистру, позволяющего осуществить последовательный выбор каждого из этих фоточувствительных элементов.

Примерами ЛОМ могут быть TSL 213, TSL 214, TSL 215, TSL 218. Указанные матрицы отличаются форматом и конструктивным исполнением. Соответственно TSL 213 и TSL 214 имеют формат фотоэлементов , TSL 215 – , TSL 218 – . Разрешение матриц

200 точек на дюйме.

Рассмотрим особенности построения и функционирования на примере линейной матрицы TSL 213.

Оптический блок состоит из 64 линейно размещённых фоточувствительных элементов (пикселей) работающих в режиме накопления заряда. Каждый пиксель размером 120х70 мкм, расстояние между центрами 125 км.

Схема датчика имеет следующий вид:

Рисунок

На схеме обозначены:

PSS (Pixel Selector Switch) – коммутатор пикселей;

NCG (Nonovrlapping Clock Generator) – генератор неперекрывающихся тактовых импульсов;

SRG (Shift Register) – сдвиговый регистр;

P1...P64 – пиксели;

Clock Generator – тактовый генератор;

Dark Pix. Ref. Generator – опорное напряжение для значения темнового тока;

Pix Buffer – буферные усилители пикселей;

Differ Ampl. – дифференциальный усилитель;

Sample and Hold – устройство выборки и хранения;

Output Buffer – выходной буферный усилитель;

CLK – тактовая частота;

SI – вход управления;

RL – внешний нагрузочный резистор;

АО – аналоговый выход.

Особенности построения схемы

Под воздействием интенсивности света на выходе сенсорных элементов (пикселей) формируется напряжение (заряд), который прямо пропорционален количеству падающего света и времени интегрирования (измерения) можно выделить 2 основных режима датчика:

1. режим измерения, в течение которого каждый из пикселей накапливает некоторый заряд;

2. режим передачи данных, при котором информация в виде соответствующих значений напряжения передаётся на аналоговый выход.

Временная диаграмма поясняет работу устройства в 2-х режимах

Рисунок

SI инициализирует начало 2-х режимов. Сначала идёт 64 такта, в течение которых осуществляется передача информации. Время интегрирования определяется между сигналами, после 64 тактов сброс и начинается новый цикл.

tint зависит от уровня освещённости и требуемого уровня выходного сигнала.

Интеллектуальная функция реализована в виде коммуникационной способности для передачи аналогового сигнала по однопроводной аналоговой шине от каждого из 64 пикселей.

Работа устройства в такте передачи данных поясняется следующей временной диаграммой.

Рисунок

ts – время установления входного сигнала

tv – время, в течение которого сигнал не изменяется (время, в течение которого должно осуществиться измерение).

Выбор tv определяется быстродействием АЦП.

Линейная оптическая матрица tsl 401

Линейная матрица TSL 401 представляет собой следующее поколение линейных оптических матриц. Она имеет структуру 128х1 элементов, при этом размеры элементов составляют 63,5х50 мкм, расстояние между центрами 63,5 мкм, между пикселями – 13,5мкм. Разрешающая способность 400 точек на дюйм. Структура имеет следующий вид:

Рисунок

Особенностями построения матрицы являются внесение функции преобразования светового потока, интегрирования и хранения накопленного значения в структуру каждого из пикселей. Это позволило существенно упростить структуру управления работой пикселей. В структуре отсутствует компенсация темнового тока по сравнению с предыдущей схемой, что также позволило простить схему.

Передача сигнала осуществляется аналогично линейной оптической матрице TSL 213 и включает в себя 128 циклов, в течении каждого из которых передаётся информация для одного из пикселей. Временные диаграммы аналогичны, но с учётом количества циклов.

Сброс пикселей в исходное состояние происходит во время 129 цикла путём закорачивания ёмкости интегратора.

Габаритные размеры корпуса для данных преобразователей сохранились прежними.

Рассмотренные оптические датчики позволяют реализовать ряд интеллектуальных функций в различных распознающих и управляющих устройствах.

Интеллектуальные оптические датчики обычно используются для выполнения следующих функций:

• позиционирование и визуализация (TSL 213, 214, 215, 401);

• измерение освещённости, степени поглощения или отражения, измерение длины волны (TSL 230, 235, 245, 250-252, 260-262);

• светоприёмники (TSL 260, 261, 262).

Основными областями применения ИОД являются сканеры, факсы, принтеры, оптические распознаватели знаков, устройства контроля освещённости, рулевые механизмы, устройства удаленного контроля, оптическая связь, газовые детекторы, системы безопасности, робототехника, системы химического анализа, счётчики штрих-кодов.