Semplice controllo di un sensore di prossimità con un amplificatore operazionale

Dalla rivista:
Elettronica Oggi

 
Pubblicato il 24 maggio 2010

I sensori di prossimità all’infrarosso sono molto utili per rivelare la presenza degli oggetti e/o la loro distanza rispetto a un riferimento, soprattutto in ambito industriale. Fra le applicazioni più diffuse ci sono anche le misure di velocità, il comando automatico dell’acqua nei rubinetti, il conteggio automatizzato degli oggetti nei nastri trasportatori e la rilevazione dell’angolo dei fogli in carica nelle stampanti e fotocopiatrici.

L’ultima generazione di smartphone, per esempio, può automaticamente spegnere il proprio display touchscreen Lcd per prevenire l’attivazione accidentale di qualche pulsante allorquando si preme il telefono sull’orecchio per ascoltare meglio.

Per rivelare la presenza di un oggetto i sensori di prossimità non fanno altro che accendere un Led IR che di conseguenza emette alcuni impulsi all’infrarosso. La riflessione di questi impulsi è quindi attesa da un fotorivelatore con intensità di energia inversamente proporzionale alla distanza dell’oggetto rispetto al transceiver. Poiché l’intensità della riflessione è maggiore quando l’oggetto è più vicino, allora si può calibrare la sensibilità del fotodiodo ricevitore fino a essere certi che indichi realmente l’esatta distanza dell’oggetto. Dopo la calibrazione si può impostare una soglia nella risposta del fotodiodo che può poi essere usata per decidere se un oggetto è presente o no.

Tuttavia, va tenuto conto che oltre alla riflessione all’infrarosso che serve per rivelare la presenza di un oggetto il fotodiodo può anche ricevere radiazioni dall’ambiente circostante. È dunque necessario filtrare il rumore elettromagnetico all’infrarosso per prevenire le false rivelazioni. Un metodo comune consiste nel modulare il segnale IR del Led con una frequenza conveniente e poi impostare il ricevitore in modo che si accorga solo dei segnali IR modulati in tal modo, i quali sono stati sicuramente emessi dal trasmettitore e giungono ora certamente riflessi dall’oggetto.

Nella figura 1 si può vedere come realizzare un semplice ricetrasmettitore IR configurato come sensore di prossimità. Il trasmettitore è un Led Everlight IR11-21CIR con lunghezza d’onda di 940 nm e può accendersi e spegnersi con frequenza di oscillazione di 10 kHz. Variando la corrente sul LED se ne può controllare il livello della potenza di trasmissione e, quindi, il campo d’azione del ricevitore. Inoltre, per risparmiare energia gli impulsi di trasmissione sono impostati con un duty cycle tipico del 10%.

Fig. 1 - Un sensore di prossimità basato sulla riflessione di radiazione all’infrarosso

Il ricevitore demodula e amplifica il segnale IR che giunge sul fotorivelatore Everlight PD15-22C che ha la sua sensibilità massima proprio alla stessa lunghezza d’onda del trasmettitore e cioè a 940 nm. L’uscita del fotodiodo viene quindi diretta sull’ingresso non invertente di un amplificatore operazionale. Questa configurazione permette al segnale a 10 kHz di amplificarsi mentre la capacità di accoppiamento impone una frequenza di taglio a 300 Hz che respinge il rumore in continua e il rumore di fondo all’infrarosso eventualmente presenti nell’ambiente, impedendone l’ingresso nell’amplificatore.

Le caratteristiche tipiche degli amplificatori operazionali in termini di basso rumore, elevata ampiezza di banda e ampio range di lavoro rail-to-rail sugli I/O sono ottimali nella demodulazione e amplificazione dei segnali di questo circuito. Inoltre, la buona immunità alla radiofrequenza previene il disturbo audio a 217 Hz tipicamente presente in molti telefoni GSM.

Sul segnale IR ricevuto, l’operazionale riesce a eseguire un’amplificazione con guadagno di valore 100 e al tempo stesso fa da filtro passabanda del second’ordine con frequenza centrale di 10 kHz. In assenza di segnale IR la polarizzazione dell’operazionale resta fissa a 2,5 V, mentre quando giunge un segnale IR alla frequenza di 10 kHz allora l’uscita varierà di conseguenza attorno al valore medio di 2,5V con un’escursione massima di 5V. L’uscita dell’operazionale comanda a sua volta un ulteriore diodo che lavora come rettificatore e trasforma il segnale modulato a 10 kHz in un segnale in continua proporzionale alla sua ampiezza. Questo segnale analogico ha, dunque, un valore proporzionale alla distanza dell’oggetto dal ricetrasmettitore IR e può essere utilizzato in un ADC per ulteriori elaborazioni.

Utilizzando il circuito di figura 2 per rilevare due oggetti rispettivamente posti a 1,2 e 1,4 pollici di distanza si ottengono sull’oscilloscopio le curve riportate nella figura 3 e relative ai nodi contrassegnati con i numeri 2,3 e 4.

Fig. 2 – Questo semplice transceiver IR rileva la presenza di un oggetto e ne indica la distanza approssimativa

Fig. 3 – Le due diverse distanze degli oggetti generano due differenti ampiezze di segnale
 

Arpit Mehta, Maxim Integrated Products



Contenuti correlati

  • ScioSense: nuovi sensori di precisione per temperatura e umidità

    ScioSense ha ampliato la sua offerta di sensori con una nuova famiglia in grado di rilevare umidità e temperatura. Questi sensori digitali offrono una precisione fino a 0,1°C di temperatura e 0,8% di umidità relativa, fornendo prestazioni...

  • Turck banner: nuovi sensori di posizione magnetici con IO-Link

    Turck Banner Italia ha aggiunto alla sua offerta di sensori di posizione la serie WIM-IOL. Si tratta di sensori per il rilevamento di pistoni in cilindri pneumatici o idraulici e la nuova gamma comprende otto modelli con...

  • L’impatto di IIoT sui sistemi di automazione industriali

    Questo articolo descriverà una panoramica sull’Industrial Internet of Things (IIoT) per i sistemi di automazione industriale, sul ruolo dei sensori intelligenti e sull’emergente standard IO-Link Leggi l’articolo completo su Embedded 85

  • Le alternative ai touchscreen nell’era post COVID

    Il COVID ha cambiato il nostro mondo. Per sempre. Nel momento in cui le persone inizieranno ad adattarsi alle nuove realtà, scopriranno che in molti settori sono avvenuti cambiamenti a volte anche radicali Leggi l’articolo completo su EO Medical...

  • Sensori per la sicurezza, la protezione e il controllo degli accessi: i principali trend

    La tecnologia dei sensori intelligenti insieme alla connettività e all’integrazione dell’intelligenza artifi ciale stanno rendendo possibili modi di utilizzo prima ritenuti impensabili, sotterranei e sottomarini Leggi l’articolo completo su EO 504

  • Purificare l’aria e l’acqua con la luce

    L’invenzione della lampada al mercurio circa cento anni fa rivoluzionò la sterilizzazione in campo medico. Ad oggi, i raggi UV svolgono un ruolo chiave nella disinfezione e nella sterilizzazione degli spazi interni, a maggior ragione dallo scoppio...

  • AI e apprendimento automatico accelerano la ricerca dei materiali OLED della prossima generazione

    Negli ultimi anni si è assistito a un’accelerazione dello sviluppo dei materiali OLED, resa possibile dall’adozione di tool software che sfruttano l’intelligenza artificiale e l’apprendimento automatico. Si tratta di un approccio che contribuisce a migliorare l’efficienza, la...

  • Il mercato dell’illuminazione in campo automotive

    Con l’integrazione della tecnologia LED, l’illuminazione non è più una caratteristica puramente funzionale ma si è trasformata in un elemento ad alto valore aggiunto. Questa tecnologia ha permesso ai produttori di differenziare I loro prodotti e aggiungere...

  • Le più recenti soluzioni di rilevamento da Mouser

    Mouser Electronics ha ulteriormente ampliato il suo portafoglio di soluzioni di rilevamento per soddisfare la crescente richiesta di una gamma di applicazioni sempre più vasta. Il distributore ha infatti la disponibilità dei sensori ambientali di Sensirion, oltre...

  • Il ruolo dei sensori nella trasformazione del settore sanitario

    Ci sono diverse dinamiche importanti che stanno avendo una seria influenza sul settore sanitario e, di conseguenza, è necessaria una tecnologia avanzata per mitigare i problemi che queste stanno causando. In questo articolo verranno esaminati i cambiamenti...

Scopri le novità scelte per te x