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紅外ToF技術(shù)對接近感應(yīng)傳感器的性能及可靠性有大幅提升作用

發(fā)布時間:2020-04-07 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】接近感應(yīng)傳感器在我們的生活中發(fā)揮著重要的作用,在智能家居家電中廣泛存在,如自動感應(yīng)出水的水龍頭,自動感應(yīng)送風(fēng)的空調(diào),自動檢測并避開障礙物的掃地機及自動打開與關(guān)閉的走廊燈等等。
    
接近傳感器及現(xiàn)有方案
接近感應(yīng)傳感器在我們的生活中發(fā)揮著重要的作用,在智能家居家電中廣泛存在,如自動感應(yīng)出水的水龍頭,自動感應(yīng)送風(fēng)的空調(diào),自動檢測并避開障礙物的掃地機及自動打開與關(guān)閉的走廊燈等等。接近感應(yīng)的主要技術(shù)手段目前主要有紅外傳感(包括主動紅外和被動紅外)、超聲波傳感、多普勒微波傳感及紅外光飛行時間(ToF)等。每一種技術(shù)手段都有其獨特性及優(yōu)缺點,下面我們將展開討論。

主動紅外因其成本低廉而應(yīng)用廣泛,其主要由一個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管組成。紅外發(fā)射管會發(fā)射一調(diào)制紅外光信號,該信號在遇到障礙物后被反射回來,接收管通過接收該反射信號并判斷反射信號的強度(即反射幅值)來判斷障礙物的遠近。然而,由于反射信號的強度不僅和障礙物距離有關(guān)系,還和障礙物的顏色有關(guān),因為不同顏色的障礙物有不同的反射率,而且容易受到環(huán)境光的影響,故其可靠性比較低,無法輸出一個準(zhǔn)確的距離信息,只能通過調(diào)試設(shè)置一個粗略的觸發(fā)門限 ,用于要求比較低的場合。

被動紅外是基于熱釋電效應(yīng)的一類傳感器,由菲涅爾透鏡和熱釋電傳感器構(gòu)成,其中菲涅爾透鏡主要用來將被測區(qū)域內(nèi)的人或者動物所發(fā)出的紅外能量聚焦到感應(yīng)窗口,感應(yīng)窗口的濾光片會濾除特定波長(一般為人體發(fā)出的紅外波長)之外的環(huán)境光。濾光片下面會有兩個紅外光敏感元,相向串接在電路中,在空閑狀態(tài)時由于接收到相同量的環(huán)境紅外光而相互抵消,故沒有輸出。當(dāng)有人或者動物經(jīng)過檢測區(qū)域時,由于熱釋電效應(yīng)其散發(fā)的紅外能量首先被第一個敏感元檢測到而產(chǎn)生一個正向的小信號輸出,繼而又被第二個敏感元檢測到而產(chǎn)生一個負向的小信號輸出,通過信號放大,傳感器便可檢測到附近人或者動物的活動?;谝陨显恚覀儾浑y看出,該類傳感器可以感應(yīng)檢測范圍內(nèi)的人體或動物的移動,進而產(chǎn)生觸發(fā),靜止的人體是無法檢測的,而且在環(huán)境溫度接近于人體溫度的夏天,傳感器可靠性會受到較大影響。傳感器無法感知被測物體距離傳感器的距離有多遠。

紅外ToF技術(shù)對接近感應(yīng)傳感器的性能及可靠性有大幅提升作用
圖1 主動紅外

紅外ToF技術(shù)對接近感應(yīng)傳感器的性能及可靠性有大幅提升作用
圖2 被動紅外原理

紅外ToF技術(shù)對接近感應(yīng)傳感器的性能及可靠性有大幅提升作用
圖3 被動紅外傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

多普勒微波傳感器,顧名思義是基于多普勒效應(yīng)工作的一類傳感器,當(dāng)被測對象相對于傳感器運動時,根據(jù)多普勒效應(yīng),傳感器發(fā)射的電磁波頻率和接收到的由被測對象反射回來的電磁波頻率不同,即產(chǎn)生頻移,對該頻移做信號調(diào)理便可產(chǎn)生一觸發(fā)信號。該類低成本傳感器和被動紅外傳感器一樣只能檢測目標(biāo)的移動,而目標(biāo)靜止時無法檢測到。

超聲傳感器是利用超聲波作為載體的傳感器,廣泛用于各類測距及接近感應(yīng)應(yīng)用中,一般由一個超聲發(fā)射器和一個超聲接收器構(gòu)成,發(fā)射器發(fā)射一個超聲波脈沖出去,該脈沖遇到障礙物被反射回來被接收器接收,通過計算超聲波的飛行時間乘以聲波的速度,便可以得到障礙物的距離。常用的超聲傳感器可探測角度比較有限且體積較大,通常需要開音窗,不適合在工作環(huán)境較差的環(huán)境中使用。

基于光的飛行時間傳感器是近年來發(fā)展起來的一種新型傳感器,受到廣泛關(guān)注,在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用,那么這類傳感器是如何工作的?其優(yōu)點是什么?這就要從它的工作原理說起。

基于光飛行時間(Optical ToF)的接近傳感器基本原理
ToF全稱為Time of Flight, 即飛行時間,通常以紅外光作為載體,通過給目標(biāo)連續(xù)發(fā)送光脈沖,然后用傳感器接收從物體返回的光,通過探測這些發(fā)射和接收光脈沖的飛行(往返)時間來得到目標(biāo)物距離。光飛行時間的獲取通常有兩種方法,一種是基于光學(xué)快門法,一種是基于連續(xù)波相位差的方法。

基于光學(xué)快門的方法的原理非常簡單,發(fā)射一束脈沖光波,通過光學(xué)快門快速精確獲取照射到三維物體后反射回來的光波的時間差t,由于光速c已知,只要知道照射光和接收光的時間差,來回的距離可以通過公示d = t/2· c。 此種方法原理看起來非常簡單,但是實際應(yīng)用中要達到較高的精度仍具有很大的挑戰(zhàn),如控制光學(xué)快門開關(guān)的時鐘要求非常高的精度,還要能夠產(chǎn)生高精度及高重復(fù)性的超短脈沖,照射單元和TOF傳感器都需要高速信號控制,這樣才能達到高的深度測量精度。 假如照射光與ToF傳感器之間的時鐘信號發(fā)生10ps的偏移,就相當(dāng)于1.5mm的位移誤差。

實際應(yīng)用更多的是相位偏移法。如圖4所示,基于ToF技術(shù)的接近與距離傳感器典型框圖主要有兩部分構(gòu)成,紅外光發(fā)射器和返回光接收器。發(fā)射器發(fā)射一連續(xù)高頻調(diào)制光信號(如10MHz),該調(diào)制光遇到障礙物后被反射,少部分反射光被接收器接收。比較發(fā)射光信號與接收光信號如圖5所示,其相位差隨著距離的變化而變化,距離越大相位差越大,通過處理電路提取相位差并通過計算便可得出障礙物的距離信息。

紅外ToF技術(shù)對接近感應(yīng)傳感器的性能及可靠性有大幅提升作用
圖4 單點ToF傳感器框圖

紅外ToF技術(shù)對接近感應(yīng)傳感器的性能及可靠性有大幅提升作用
圖5 發(fā)射光信號與返回光信號相位差

基于相位偏移法ToF技術(shù)的寬視角接近傳感器

基于相位偏移法的ToF技術(shù)易于半導(dǎo)體技術(shù)集成與實現(xiàn),可以使得接近傳感器性能上大幅提升的同時兼具很高的性價比。實際應(yīng)用中往往需要傳感器具有寬視角,能夠檢測整個視角范圍內(nèi)的障礙物的距離信息。

OPT3101 是高速、高精度的單點 ToF 的模擬前端 AFE(算法基于連續(xù)調(diào)制波),用來接近感應(yīng)和目標(biāo)物 體的距離探測。如圖6所示,芯片集成了完整的深度/距離處理單元--包含 ADC、時序發(fā)生器和數(shù)字處理 引擎,以及發(fā)射光二極管驅(qū)動電路(最大 155mA)。所以系統(tǒng)只需要連接外部的光源發(fā)射調(diào)制光信號,和 外部的光電二極管 Photodiode 接收發(fā)射光到芯片輸入端。同時由于集成較高的環(huán)境光抑制能力,芯片能夠 工作在較強的環(huán)境光條件下(如 130Klux),甚至 1000 倍于信號強度(如 200uA 環(huán)境光 vs 200nA 的信號 強度)。芯片輸出數(shù)據(jù)中包含 16bit 的 Phase(景深/距離)數(shù)據(jù)、15bit 的接收反射光 Amplitude 強度數(shù)據(jù) 和 9bit 的環(huán)境光強度數(shù)據(jù),通過 I2C 接口(Slave)輸出。芯片另一個 I2C 接口(Master)是接外部溫度 傳感器(若需要,芯片本身已有集成了溫度傳感器),用來做溫度校正功能。

紅外ToF技術(shù)對接近感應(yīng)傳感器的性能及可靠性有大幅提升作用
圖6 OPT3101內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖7所示為設(shè)計原理框圖,由于OPT3101的高集成度,傳感器的外圍器件非常簡單,主要由三個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管組成。MCU負責(zé)對OPT3101的內(nèi)部寄存器進行配置及數(shù)據(jù)讀取。設(shè)計可實現(xiàn)對120度可視角范圍內(nèi)的障礙物距離檢測,其中,每個紅外發(fā)射管負責(zé)40度范圍,三個共計實現(xiàn)120度,如圖8所示,紅外接收管的可視角大于120度并且中心頻率與發(fā)射管一致。

紅外ToF技術(shù)對接近感應(yīng)傳感器的性能及可靠性有大幅提升作用
圖7

紅外ToF技術(shù)對接近感應(yīng)傳感器的性能及可靠性有大幅提升作用
圖8

該傳感器具有以下優(yōu)點:
1、具有精確距離輸出的接近傳感器
直接距離輸出,無需占用MCU計算資源
觸發(fā)門限隨意設(shè)定
不受物體是否移動影響
體積小巧靈活

2、120度寬視角
整個視角分為3個區(qū)域,由三顆發(fā)射燈分別覆蓋
可識別物體處于哪個區(qū)域

3、不受物體顏色及反射率影響
高動態(tài)范圍(HDR)
更高可靠性

4、更好的環(huán)境適應(yīng)性
日光免疫,可在日光下可靠工作
黑暗環(huán)境下不受任何影響

(來源:E2E™ 中文支持論壇,作者:Richard Wang)
 
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