低功耗微控制器相助 電感式感測應用節電效能倍增

新通訊 2013 年 7 月號 149 期《 技術前瞻 》
文.Anders Guldahl

感測說穿了就是檢測或測量物體的物理性能變化的能力。在電子控制系統的情況下,就須把參數,例如溫度、壓力或位移等,轉換成電子訊號,雖然一些感測器可直接產生電壓輸出,為基於微控制器(MCU)的系統提供理想的輸入,但大多數的感測器須依賴電阻式、電感式或電容式電路元件提供輸出,而這些電路元件的特性各有不同,且都須透過外部電路將輸出轉換成可供微控制器捕捉的可測量訊號。

了解不同類型感測技術的差異對工程師能否為應用選定最合適的感測器相當重要,特別是當特定的參數可用超過一種感測器測量時。例如,電容式感測器和電阻式感測器技術都可檢測位置或位移。本文探討的重點是電感式感測器,而這類感測器同樣也可以用於位置、位移的檢測,所以若工程師要決定選擇其中一類而不是其他感測技術,就須有充足的理由。在大多情況下,須視感應或測量目標物體比較具體的性能,然後決定選擇性能需求最匹配的感測器類型,其他的考量則可能出於測量的準確性,或包括可靠性、環境條件、是否易於實作或者僅是成本的要求考量。
本文透過列舉一系列電感式感測應用讓讀者了解電感式感測技術,以及應用系統的工作原理,並強調若工程師採用針對超低功耗感測應用進行優化的微控制器,將毋須不斷喚醒處於低功耗睡眠模式中央處理器(CPU)。

電感式感測應用涵蓋多元

為了解電感式感測器,讀者有必要理解電感的基本原理、電感器如何構成,以及影響它的因素又有哪些。基本上所有導體都具有電感,這一屬性使通過導體的電流變化時,會在導體上產生一個感應電壓(公式1),其中V是感應電壓;L是電感;di/dt是電流的變化率。這是因為在正常的穩定狀態下,當電流流經導體的時候會在導體周圍形成一個磁場,當電流變化時(增加或減少),會使周圍的磁場增強或減弱以阻礙電流的變化,因此電感器的特點是阻礙電流的變化,同時會以磁場的方式將能量儲存起來,這點類似於電容器以電荷的形式儲存能量。


.................................公式1
大多數的電感式感測應用都將電感元件做為諧振電路的一部分,以檢測當電感變化時引發的頻率變化或者由於金屬物體的存在導致的失諧效果。

大多數的電感式感測應用都將電感元件做為諧振電路的一部分,以檢測當電感變化時引發的頻率變化或者由於金屬物體的存在導致的失諧效果。

接近感應

很多電感控制的應用都要依靠電感式感測器對金屬目標進行精確的接近檢測。圖1所示為一個在圓柱形外殼上的典型的感測器,但針對不同的應用,感測器的形狀和大小也會有所不同。這些應用將感應線圈做為電感-電容(L-C)振盪電路的一部分,在感測器表面形成高頻磁場,當物體進入磁場區域時會吸收部分能量,造成振盪器的輸出衰減。接近感測器主要用於近距離、非接觸、去/不去的檢測操作,利用檢測電路驅動輸出開關,電路在達到預定義的臨界值時被觸發。感測器設計則會輸出類比訊號,此一訊號為可進行稍大範圍的檢測(從幾毫米到幾公分)進行優化,特別是用來檢測比一般的金屬目標吸收更多能量的鐵磁時,能感應的範圍進一步擴大。

圖1 一般的模擬量輸出電感式接近感測器

轉速感測器相比其他的感測技術,電感式接近感測器的主要優勢在於精準性,不僅在於絕對精準度,更重要的是重複定位的精準度。電感式接近感測器其他的優勢還有開關速度快,而且在環境惡劣的條件下同樣適用,後一特點是這類感測器適用於須在大溫度範圍(-40~+250℃)工作的設備,且耐壓的殼體(高達500bar)、符合IP68(防塵、防浸泡的全防護等級)密封選項,甚至是IP69K(可經受高壓水射流)的市售設備。可用於爆炸性氣體或粉塵區的感測器,若擁有不鏽鋼感應面,即可用於食品加工和製藥行業的生產控制應用。

至於電感式感測器的缺點,除檢測範圍較有限外,電感式感測器只能用來檢測金屬等導電的物體,而且,為達到指定的精度,檢測目標須是已被界定的尺寸和材料,如非鐵金屬物質的靈敏度評級因素--不鏽鋼為0.9;鋁和銅為0.4。

轉速感測器

電感式感測器可用於靠近或遠離感測器表面做軸向運動的目標物體的接近檢測;而業者專門開發的環狀的感測器,能用以統計經過感應線圈的小金屬物件的數量。感測器還能檢測從感測器表面橫向通過的目標,這一原理也易於進一步擴展到切向運動,如圖2所示用來檢測齒輪的旋轉。

轉速感應的主要不同點在於,對於多數的應用來說,毋須把感測器的線圈做為LC的一部分以形成交變的磁場,如圖2所示,感測器中加入永久磁鐵做為替代,輪齒經過感測器表面時使磁場發生改變,從而在線圈中引發正弦輸出電壓。

轉速感測器的主要應用市場是汽車行業,被用來測量曲軸的速度和位置(出於動態發動機定時的目的,可透過在齒輪上留一段空隙來檢測位置),給引擎控制單元(ECU)提供輸入。這類感測器也用於防鎖死煞車系統(ABS),這種系統每個輪轂上都放置一個感測器及連接到CV接頭的齒輪。

圖2 用於轉速測量的電感式感測器

紅綠燈感測器

電感器的電感強度由多種因素決定,如線圈的數量、線圈橫截面的大小、線圈的長度(短的或重疊的線圈電感更強)與線圈主芯的材料等。所有這些參數使電感式接近感測器可進一步用於紅綠燈控制方案,亦即透過檢測是否有車輛在紅燈前等候以進一步控制紅綠燈,而不僅單純依賴計時器進行控制。

紅綠燈感測系統的工作原理是,在路面上嵌入汽車體積大小的線圈,將其連接到能測量到電感差異的系統,從而得知在線圈內是否有車輛停留。顯然,在這個應用裡,線圈的橫截面積大,電線的圈數(通常五或六個)。任何車輛都可做為一個大的金屬(通常是鋼鐵)目標,當車輛在紅綠燈前停下時,會成為線圈的主芯的一部分,能使線圈的電感顯著提高,從而使系統意識到它的存在。這種大規模的接近檢測解決方案,同樣可以用在如較大的金屬物體沿著一條生產線的移動等類似的應用。

金屬探測器

金屬探測器有多種用途,從諸如在機場、政府大樓、監獄與學校等使用的掃描器,或地雷探測器等安全應用,到工業化、商業化甚至是消費類的應用,例如用於礦產或考古勘探、建築物中的電力電纜或鋼筋檢測,甚至用來檢測食品或服裝的金屬污染物。

雖然金屬檢測的技術已有諸多改進,但所有這些技術的操作原理都和前面已提到的電感式感測器類似。最基本的類型是在超低頻振盪器中加入一個發射線圈形成一個交變的磁場,會使附近的任何導電金屬內部產生渦流,這渦流反過來,又會形成自己的磁場,此一磁場可以被探測器的第二個線圈(即接收線圈)接收。這類探測器的靈敏度仰賴把接收線圈從發射線圈形成的磁場遮罩起來的程度,且對接收訊號進行分析後,不僅能知道探測的金屬物體與探測器的距離,同時還能通過測量相移來區分不同的金屬,不同的金屬因為具有不同的電阻和電感特性會產生不同的相移。脈衝感應(PI)也可用於金屬探測,可將交變的磁場轉換為簡短的脈衝,此類探測器能提供更大的檢測範圍,但並不能較佳的區分所檢測金屬物質。

低功耗MCU降低系統用電量

電容式、電阻式及電感式感測技術特點決定各種須把給定感測器接到微控制器的應用和電路,工程師須根據檢測或測量的目標物來決定感測器類型。但始終不變的是,這些感測器都需要在不影響系統性能的情況下,讓處理器盡可能少參與監控感測器的工作,以讓系統的總體功耗降到最低。目前市面上的微控制器,已具備低功耗感測介面LESENSE及PRS外掛反射系統,使整體系統可達到最低功耗。PRS外掛反射系統能透過音序器和解碼器電路對其低功耗外掛元件進行配置,在毋須喚醒微控制器的情況下,即可檢測和評估感測器的狀態及事件模式。

【資料來源】https://www.digitimes.com.tw/tech/dt/n/shwnws.asp?Cnlid=13&id=0000417335_E8O4G0512DKRHC6TSIDTP&ct=1
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