А. Маргелов

Оптические компоненты компании Honeywell

Задача определения положения, малых перемещений, скорости и направления вращения неферромагнитных объектов (пластмассовые оси, шестерни, несущие линейки или метки, пластиковые карточки, денежные купюры, монеты, жетоны и т.д.) просто и эффективно решается при помощи оптических датчиков ИК-диапазона.

Принцип действия этих приборов основан на прерывании или отражении ИК-луча оптически непрозрачным объектом, находящимся в поле обзора датчика. Основой такого датчика является система из полупроводниковых ИК-излучателя и ИК-приемника, которые определяют параметры датчика. Прежде чем приступить к рассмотрению оптических датчиков, необходимо уделить немного внимания этим базовым компонентам.

ИК-излучатели

Полупроводниковые ИК-излучатели Honeywell производятся по GaAsили AlGaAs-технологиям с длиной волны излучения 935 и 880 нм соответственно. Излучающий кристалл упаковывается в пластмассовый или металлический корпус с линзой и аксиальными выводами для монтажа на печатную плату через отверстия. Выпускаются приборы и в миниатюрном керамическом корпусе для поверхностного монтажа. Направление излучения прибора может быть как вертикальным (для приборов в цилиндрическом и SMD-корпусе), так и боковым (для приборов в прямоугольном корпусе). Основными параметрами излучающих диодов ИК-диапазона являются мощность и длина волны излучения, угол раствора пучка, напряжение падения на переходе и время переключения. Диапазон рабочих температур для всех приборов расширенный и составляет -55°…+125°С. Необходимо отметить, что приборы, выполненные по AlGaAs-технологии, обладают, по сравнению с GaAs-диодами, более высоким КПД. Для сравнения, при одинаковом прямом токе через переход мощность излучения первых на 70% выше. Мощность излучения (мВт/см²), указываемая для всех приборов в технической документации, — это интенсивность излучения, создаваемая излучающим диодом на плоской круглой апертуре диаметром D мм и расположенной от линзы диода на расстоянии L мм. Значения D и L всегда указываются в технической документации на прибор. Здесь надо понимать, что мощность излучения — это функция не только от прямого тока, но и от угла раствора пучка (рис. 1).

Рисунок 1. Диаграмма направленности ИК-излучателя SE1470

Угол раствора пучка определяется оптическими характеристиками линзы и может находиться в пределах от 10° до 90° в зависимости от конкретной модели. На рисунке 2 приведена типовая спектральная характеристика излучателей диапазона 880 нм. ИК излучатели Honeywell довольно быстродействующие приборы. Время переключения, определяемое барьерной емкостью p-n-перехода, для всех моделей составляет не более 0,7 мкс. В таблице 1 для сравнения приведены технические характеристики некоторых семейств ИК-излучателей с длиной волны 880 нм. Каждое семейство, приведенное в табл. 1, существует и в 935-нм версии, но отличается несколько меньшей мощностью излучения при одинаковом токе возбуждения. Внутри одного семейства члены также различаются между собой по мощности излучения и незначительным изменениям в конструкции.

Рисунок 2. Спектральная характеристика ИК-излучателей диапазона 880 нм

Таблица 1. Сравнительные характеристики некоторых семейств ИК-излучателей

Семейство	Длина волны, нм	Угол раствора, °	Мощность излучения, мВт/см2 *	Падение напряжения, В	Внешний вид
SE1470-004	880	24	1,1...4,5 при I = 20 мА	1.8
SE2470-002	880	18	6,0 при I = 50 мА	1.8
SE3470-003	880	90	10,5 при I = 100 мА	1.9
SE5470-003	880	20	2,6...5,9 при I = 100 мА	1.9
SE8705-003	880	15	2,7…7,8 при I = 20 мА	1.7
SEP8706-002	880	50	0,45…2,6 при I = 20 мА	1.7
SEP8736-003	880	10	1,7 при I = 20 мА	1.7

ИК-фотоприемники

Номенклатура ИК-фотоприемников Honeywell значительно шире и насчитывает более 25 семейств компонентов. Это полупроводниковые кремниевые фотодиоды (рис. 3а), фототранзисторы (рис. 3б), составные фототранзисторы (рис. 3в) и интегрированные фотодетекторы с логическим выходом на базе триггера Шмитта (рис. 3г, д, е). Компоненты последней группы, по сравнению с фотодиодами и фототранзисторами, представляют собой законченные высокочувствительные сенсоры с цифровым выходом, не требующие компонентов внешней обвязки. Датчики обладают повышенной помехоустойчивостью и совместимы по выходу со входами ИМС ТТЛ- и КПОМ-логики и микроконтроллеров.

Рисунок 3. Функциональная организация фотоприемников: а) фотодиод, б) фототранзистор, в) составной фототранзистор, г) интегрированный с выходным транзистором по схеме ОЭ, д) интегрированный с двухтактным выходным каскадом, е) интегрированный с выходным транзистором по схеме ОЭ с открытым коллектором

Каждая из вышеперечисленных групп состоит из семейств, имеющих одинаковую внутреннюю организацию, но различается между собой типом корпуса (коаксиальный металлический, коаксиальный пластмассовый, прямоугольный пластмассовый бокового обзора и керамический для поверхностного монтажа) и, соответственно, оптическими характеристиками и чувствительностью.

Рисунок 4. Спектральная характеристика ИК-фотоприемников

Аналогично ИК-излучателям, значение угла обзора для ИК-фотоприемника определяется геометрией линзы перед кристаллом и, в зависимости от конкретной модели, может находиться в пределах от 10° до 90°. Полоса пропускания ИК-приемников составляет 200...300 нм по уровню 3 дБ (рис. 4), а максимальная чувствительность приходится на длину волны 880 нм. Вне зависимости от исполнения, все приборы имеют расширенный диапазон рабочих температур -55°…+125°С. Важно отметить, что любому фотодетектору соответствует спектрально и оптически связанный ИК-излучатель. Его наименование всегда указывается в технической документации на ИК-приемник. В рамках данной статьи невозможно рассмотреть все компоненты этого типа, поэтому в табл. 2 вошло лишь несколько членов различных семейств, которые в общем характеризуют всю линейку фотоприемников.

Таблица 2. Сравнительные характеристики некоторых семейств ИК-фотоприемников

Семейство	Организация	Угол обзора, °	Чувствительность	Темновой ток, нА	Быстродействие, мкс	Внешний вид
SD1420-002	фотодиод	24	5 мкА при H = 5 мВт/см2	5	0.05
SMD2420-001	фотодиод	28	6 мкА при H = 1 мВт/см2	5	0.02
SD2440-004	фототранзистор	48	6 мА при H = 20 мВт/см2	100	5
SD3443-003	фототранзистор	90	6 мА при H = 5 мВт/см2	100	15
SDP8105-001	составной фототранзистор	50	0,5 мА при H = 0,025 мВт/см2	250	75
SD5410-003	составной фототранзистор	12	8 мА при H = 2 мВт/см2	250	75
SD5600-001	интегрированный фотодетектор	12	0->1 при H = 2,5 мВт/см2	-	5
SDP8610-001	интегрированный фотодетектор	50	1->0 при H = 2,5 мВт/см2	-	5

ИК-датчики положения просветного типа

ИК-датчики положения просветного типа представляют собой систему из ИК-излучателя и ИК-фотоприемника, встречно-ориентированных вдоль одной оптической оси и жестко закрепленных конструкцией корпуса. Промежуток между излучателем и приемником образует чувствительную область сенсора. При попадании контролируемого непрозрачного объекта в эту область происходит прерывание луча. В результате резко уменьшается ток через фотоприемник (фотодиод, фототранзистор, составной фототранзистор) или выходной сигнал инвертируется в случае, если фотоприемник датчика интегрированный. Линейка ИК-датчиков просветного типа компании Honeywell насчитывает более 300 наименований приборов, различающихся между собой электрическими, оптическими и конструктивными характеристиками. На рис. 5 для оценки приведены все возможные значения основных характеристик датчиков просветного типа. Познакомимся с ними подробнее путем рассмотрения некоторых конкретных моделей.

Рисунок 5. Доступные параметры ИК-датчиков просветного типа

Рисунок 6. ИК-датчики просветного типа: а) HOA1877, б) HOA0825, в) HOA1882, г) HOA1870, д) HOA1879, e) HOA0870, ж) HOA088x/089x

Семейство HOA1887-ххх (рис. 6а). Датчики этого семейства построены на базе GaAs ИК-светодиода SE1450 и кремниевого n-p-n-фототранзистора SD1440 (или, в зависимости от модели, составного транзистора по схеме Дарлингтона SD1410, рис. 7), жестко зафиксированные П-образным корпусом с крепежными ушками, обеспечивающим просветный промежуток шириной 9,53 мм и высотой 12,7 мм. Эти простые и недорогие датчики с невысоким разрешением (1,52 мм, определяется размером апертуры приемника) предназначены для определения положения и скорости вращения относительно больших объектов. Помимо функциональной организации, члены семейства различаются и коэффициентом усиления фототранзистора и соответственно чувствительностью.

Рисунок 7. Функциональная организация датчиков просветного типа: а) система излучательфототранзистор, б) система излучатель-составной фототранзистор

Датчики семейства HOA0825 (рис. 6б) имеют аналогичную разрешающую способность (1,52 мм, круглая апертура) и ширину просвета 4,19 мм. Датчики предназначены для монтажа на печатную плату и могут выпускаются с четырьмя вариантами фиксации (без крепежных кронштейнов, с левым или правым кронштейном или с двумя кронштейнами). Низкопрофильную (h = 6,8 мм) компактную пылезащищенною конструкцию имеют датчики семейства HOA1882 (рис. 6в). Их составляющие компоненты — ИК-светодиод SEP8506/8507 и фототранзистор (SDP8406/8106) — запрессованы в ИК-прозрачный термопластик, образующий воздушный просвет в 5,08 мм. Датчик не имеет дополнительных элементов фиксации. Похожей низкопрофильной конструкцией обладают сенсоры семейства HOA1870 (рис. 6г). Благодаря малой высоте и наличию гибких боковых проводных выводов приборы идеальны для применения в устройствах с ограниченным внутренним свободным пространством. Наряду с этим, они имеют отличную разрешающую способность 0,15 мм (оптическая прямоугольная апертура 1,02 х 0,15 мм образована окном в корпусе перед фотоприемником). Хорошей разрешающей способностью 0,25 мм характеризуются и датчики семейства HOA1879 (рис. 6д), выполненные в классическом исполнении с шириной просвета 3,18 мм. Одним из самых больших по количеству представителей является семейство HOA086x/087x (рис. 6е) с шириной просвета 3,18 мм. Оно насчитывает 60 датчиков, предлагая разработчику свободу в выборе прибора с требуемыми разрешением, чувствительностью, материалом корпуса и способом крепежа (рис. 8). По всем параметрам аналогичное семейство HOA088x/089x (рис. 6ж) имеет одно отличие — это приборы с гибкими проводными выводами длиной 61 мм для удаленного монтажа. Значительно повышает надежность устройства и упрощает схемотехнику применение интегрированных датчиков просветного типа семейств HOA696x/697x (рис. 6e) и HOA698x/HOA699x (рис. 6ж). Эти датчики построены на базе интегрированных фотоприемников серии SDP8xx4 (рис. 3г, д, е), обеспечивающих возможность прямого подключения ко входам логических ИМС и микроконтроллеров. На рисунках приведены схемы, соответствующие прямому выходу, то есть когда объект, попавший в просвет, вызывает появление на выходе логической “1”. Все эти три варианта существуют и с инверсным выходом.

Рисунок 8. Вариант системы обозначения одного из датчиков просветного типа

ИК-датчики положения отражательного типа

ИК-датчики положения отражательного типа представляют собой систему из ИК-излучателя и ИК-фотоприемника (фототранзистор или составной фототранзистор), жестко закрепленных в корпусе, оптические оси которых пересекаются под определенным углом вне корпуса. Когда детектируемый объект находится в поле обзора датчика (пересечение оптических осей излучателя и приемника), отраженный от него сигнал, формируемый излучателем, в точке приема максимален. Этот факт вызывает резкое увеличение выходного тока через фототранзистор. Основными параметрами оптических датчиков отражательного типа являются точка оптимального обнаружения (оптимальное расстояние объекта до апертуры фотоприемника датчика, при котором отклик на выходе максимален) и чувствительность.

Первый параметр зависят от взаимного расположения излучателя и приемника, определяемого конструкцией датчика, второй — от чувствительности фотоприемника. Классическим представителем датчиков отражательного типа является семейство HOA0149 (рис. 9а) в низкопрофильном исполнении с дистанцией оптимального обнаружения 3,80 мм.

Рисунок 9. ИК-датчики отражательного типа: а) HOA0149, б) HOA1397, в) HLC1395, г) HOA2498 и HOA1180, д) HOA1404, е) HOA1405

На рис. 10 приведена зависимость выходного тока от дистанции до объекта. Самые миниатюрные сенсоры (6 х 5 х 5 мм) представлены семействами HOA1397 (рис. 9б) и HLC1395 (рис. 9в) с дистанцией обнаружения 12,7 и 1,02 мм соответственно. Эти приборы имеют расфокусированнную оптическую систему для уверенного детектирования рассеивающих объектов. Высокочувствительные и высокотемпературные (-55°…+100°С) включают семейства HOA1180 и HOA2498 (рис. 9г). Еще одной особенностью этих приборов является возможность оперативной подстройки дистанции до цели.

Рисунок 10. Характеристика преобразования ИК-датчика отражательного типа

ИК-энкодеры

Компания Honeywell выпускает три оптических ИК-датчика (HOA0901/HOA0902, HCL2705, рис. 11), которые предназначены для определения скорости вращения и точного угла поворота или линейного перемещения. Сенсоры HOA0901/HOA0902 состоят из двухканального интегрального фотодетектора и ИК-излучателя (рис. 12), заключенных в корпус из ИК непрозрачного термопластика.

Рисунок 11. ИК-энкодеры: а) HOA0901/HOA0902, б) HLC2705

Рисунок 12. Функциональная схема ИК-энкодера HOA0901/02

Эти датчики обычно используются совместно с кодирующим диском или линейкой, которые, в свою очередь, механически связаны с детектируемым объектом. Они обычно имеют прецизионную разметку в виде просветных полосок шириной до 0,03 мм (максимальное разрешение для HOA0901), строго соответствующих определенным положениям объекта. В момент, когда размеченный диск совершает вращение вдоль просветного окна сенсора, схема обработки формирует на выходе два сигнала одинаковой формы и сдвинутых по фазе на 90° (или -90°, для вращения в противоположенную сторону).

Путем подсчета импульсов и анализа фазы измеряется угол поворота и направление вращения оси. Сенсор HLC2705 имеет аналогичную внутреннюю организацию, но не имеет встроенного ИК-излучателя.

ИК-датчики уровня жидкости

Бесконтактные оптические твердотельные датчики уровня жидкости предназначены для определения порогового уровня жидкости в различных емкостях. Датчики, в зависимости от назначения, выпускаются в пластмассовом (семейство LL, полисульфон) или металлическом (семейство LLN, нержавеющая сталь, для жестких условий эксплуатации) корпусе (рис. 13).

Рисунок 13. ИК-датчики уровня жидкости

Упрощенная функциональная схема датчиков приведена на рис. 14. Датчики серии LLE имеют дополнительные схемы защиты от короткого замыкания по выходу, превышения питающего напряжения и случайной смены его полярности. ИК-излучатель и ИК-приемник расположены внутри прозрачного колпака датчика. В отсутствии жидкости ИК-сигнал отражается от поверхности колпака и принимается фотоприемником. При погружении колпака в жидкость происходит изменение его коэффициента преломления, что влечет изменение угла отражения и, соответственно, снижения интенсивности излучения в апертуре приемника. Падение тока через фототранзистор вызывает переключение триггера. По сравнению с датчиками поплавкового типа, оптические датчики Honeywell имеют значительно больший срок службы, обладают быстрым временем отклика, просты в установке и легко стыкуются с микроконтроллером.

Рисунок 14. Функциональная схема ИК-датчиков уровня жидкости

Литература

1. http://content.honeywell.com/sensing/prodinfo/infrared.
2. Оптические датчики положения компании Honeywell. ЭК. 2004. № 10.

Более подробную информацию о датчиках компании Honeywell можно найти по адресу http://content.honeywell.com/sensing/products или запросить у официального дистрибьютора компании КОМПЭЛ.