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关于环境光传感器的介绍

2011-10-26 17:41
老猫
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  现代电测技术日趋成熟,由于具有精度高、便于微机相连实现自动实时处理等优点,已经广泛应用在电气量和非电气量的测量中。然而电测法容易受到干扰,在交流测量时,频率响应不够宽及对耐压、绝缘方面有一定要求,在激光技术迅速发展的今天,已经能够解决上述的问题。

  磁光效应传感器就是利用激光技术发展而成的高性能传感器。激光,是本世纪60年代初迅速发展起来的又一新技术,它的出现标志着人们掌握和利用光波进入了一个新的阶段。由于以往普通光源单色度低,故很多重要的应用受到限制,而激光的出现,使无线电技术和光学技术突飞猛进、相互渗透、相互补充。现在,利用激光已经制成了许多传感器,解决了许多以前不能解决的技术难题,使它适用于煤矿、石油、天然气贮存等危险、易燃的场所。

  磁光效应传感器的原理主要是利用光的偏振状态来实现传感器的功能。当一束偏振光通过介质时,若在光束传播方向存在着一个外磁场,那么光通过偏振面将旋转一个角度,这就是磁光效应。也就是可以通过旋转的角度来测量外加的磁场。在特定的试验装置下,偏转的角度和输出的光强成正比,通过输出光照射激光二极管LD,就可以获得数字化的光强,用来测量特定的物理量。

  有几个关键的技术因素可以帮助用户和设计者决定如何选择一款环境光传感器。首先,传感器的输出必须和光强成线性关系,光谱波长敏感度应该非常接近人眼。另外,器件的输出应该直接和照射在集成的光敏二极管上的光强成正比,540nm的峰值响应接近人眼的峰值敏感度。大多数光传感器都能够感测到380nm~770nm的环境光。

  现在有很多种不同类型的环境光传感器能够提供这些好处,包括模拟和数字输出的传感器、超低功耗版本、非线性版本,以及下一代低功耗、超低亮度的版本。目前最好的数字产品的光敏感度可以低至0.015Lux以下,动态范围高达64,000 Lux,所需的工作电流小于65mA。这些产品还具有理想的光谱响应和低误差光输出变化,并利用数学算法简化使用。市场上还出现了一些新型数字光传感器,从目前看,数字光传感器是解决性能和灵活性问题的好办法,尤其是在汽车应用当中,因为在汽车中使用的I2C数字输出信号提供了更低的噪声,能够在同一条总线上将数个传感器组网,很好地控制传感器的特性,还具有良好的总体性能。

 

  光源

 

  不同的光源具有不同的光谱特性,使用者在做产品选型时,需要了解这些特性。

  在下面的图1中,显示了如何利用ISL29023测量不同的光源。值得注意的是,在宽动态范围内,测量曲线与理想读数线之间的误差很小。如果我们想使用对红外线特别敏感的传感器,上面的图会显示,测量曲线与理想读数线有更大的偏离误差。

  要点在于:即便不是全部,至少大多数应用都对光传感器有所要求,即准确测量人眼能够看见的可见光,减弱带有大量红外和紫外成分的光线。

  光传感器应用-首先是PC机、电话、PDA和新型汽车

  下面是光传感器在在不同的市场和应用当中的基本情况。从智能手机、PDA、笔记本电脑、便携式音乐播放器到类似的其他产品,光传感器在便携式消费类市场上所处可见。光传感器还被广泛用在消费类电视机市场,以及医疗和工业应用当中。现在,制造商正在开发针对汽车市场的新一代系统,并已经投入使用。

  围绕汽车工作环境,本文就设计问题和传感器的效用给出了全景式的介绍。光传感器的主要应用如下:

  信息娱乐/导航/DVD系统的背光控制控制,以便在各种环境光条件下显示理想的亮度

  后座娱乐显示屏的背光控制

  仪表盘组合仪表的背光

  自动后视镜调光

  自动头灯和雨量检测

  后视摄像机控制

  由于汽车需要在各种环境光条件下均具有完美的背光照明,因此凭借类似人眼的感测功能,光传感器已经成为实现更舒适显示质量的最有效解决方案之一,能够满足汽车的安全性和舒适性标准。

  对于便携式应用,一个典型的显示屏会消耗同样多的能量,直到使用者改变系统设定,这通常是亮度控制。在户外等非常亮的地方,使用者会提高显示屏的亮度,这会增加系统功耗。当环境改变时,如进入建筑物内,大多数使用者并不会改变设定,导致系统仍然处于高功耗状态。利用光传感器,系统能够自动探测环境状况的变化,把显示屏调整到最佳的亮度,减少整体的能量消耗。在一般的消费类应用中,利用环境光传感器反馈实现自动亮度控制,还能够大大延长智能手机、笔记本电脑、PDA和数码相机的电池寿命。这种控制是很有用的,因为最近的研究显示,在一个笔记本电脑中,显示背光所消耗的电池电量要占到33%。

  感测环境光并不是一个新想法,但与光敏二极管不同的是,用传感器感测环境光的同时,能够减弱多余的红外光和紫外光,而且是在一个非常小尺寸的封装内提供这些功能,同时支持汽车标准AEC的严格要求,确保器件在-40℃~+105℃温度范围可靠工作,并满足其他标准的要求。

  要满足AEC Grade 2对温度的要求,还有一些光学方面的难题要解决。任何光传感器、LED发射器或接收器,在连续高温下,都会碰到封装变色的问题。这个问题在标准IC封装的系统中并不常见,因此如果采用+125℃的扩展温度黑色模具化合物来使系统更稳定。

  到目前为止,所有涉及的环境光传感器应用都是在汽车驾驶仓内,还没有涉及在引擎仓或车外环境中的应用。即便有这样的应用,光学封装也不是针对这样严酷的环境而设计的,因此在目前的光学封装技术下,这些光传感器很可能无法经受这样的环境。

  数字输出光传感器的内在优势包括高耐噪声能力、可通过I2C总线存取数据、可对传感器编程,还有其他诸多特性,使这些多功能产品成为很多工程师的选择。ISL29011的功能框图(如下面的图2所示)显示,把该器件设计到任何系统当中都是很简单容易的,而且系统还能从精确、高度可编程的环境光传感器获得不少益处。

 

  

 

  在ISL29000系列当中,ISL29011采用了最新和最先进的技术。该器件是集成的环境和红外光至数字转换器,带有内置的红外LED驱动器和I2C接口。器件提供了环境光感测功能,能够实现稳定的背光/显示屏亮度控制,带有中断功能的红外感测可实现接近估计。

  为了进行环境光感测,传感器内部的ADC采用电荷平衡A/D转换技术进行设计。ADC的标称转换时间是90ms,用户可以根据振荡器的频率和ADC的分辨率,在11μs~90ms区间内进行调整。ADC能够抑制由人工光源产生的50Hz和60Hz闪烁噪声。照度范围选择功能使用户可以对照度范围进行编程,以优化每勒克斯的计数值。

  对于接近感测,当内部的红外LED驱动器在用户选定的调制频率下,按照编程设定的时间周期关闭和开启,驱动外部的红外LED时,ADC会将来自光敏二极管阵列的输出信号数字化。由于接近传感器采用了噪声消除机制,可大幅抑制多余的红外噪声,接近感测的数字输出随距离的增加而减小。驱动器的输出电流是用户可选的,最高可达100mA,能够驱动不同类型的红外发射LED。

  最好的带有接近感测功能的环境光传感器提供了6种不同的工作模式,可以通过I2C接口进行选择。这些模式包括:一次可编程的ALS和自动断电的一次可编程红外感测,一次可编程的接近感测,可编程的连续ALS感测,可编程的连续红外感测,和可编程的连续接近感测。可编程的一次操作模式大大降低了功耗,因为紧接着的自动关断将整体的供电电流降至0.5μA以下。

 

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