圖1 主動(dòng)紅外
紅外ToF技術(shù)對(duì)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(shí)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(dòng)感應(yīng)出水的水龍頭,自動(dòng)感應(yīng)送風(fēng)的空調(diào),自動(dòng)檢測(cè)并避開(kāi)障礙物的掃地機(jī)及自動(dòng)打開(kāi)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(dòng)感應(yīng)出水的水龍頭,自動(dòng)感應(yīng)送風(fēng)的空調(diào),自動(dòng)檢測(cè)并避開(kāi)障礙物的掃地機(jī)及自動(dòng)打開(kāi)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(dòng)紅外和被動(dòng)紅外)、超聲波傳感、多普勒微波傳感及紅外光飛行時(shí)間(ToF)等。每一種技術(shù)手段都有其獨(dú)特性及優(yōu)缺點(diǎn),下面我們將展開(kāi)討論。
主動(dòng)紅外因其成本低廉而應(yīng)用廣泛,其主要由一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管組成。紅外發(fā)射管會(huì)發(fā)射一調(diào)制紅外光信號(hào),該信號(hào)在遇到障礙物后被反射回來(lái),接收管通過(guò)接收該反射信號(hào)并判斷反射信號(hào)的強(qiáng)度(即反射幅值)來(lái)判斷障礙物的遠(yuǎn)近。然而,由于反射信號(hào)的強(qiáng)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?yàn)椴煌伾恼系K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(wú)法輸出一個(gè)準(zhǔn)確的距離信息,只能通過(guò)調(diào)試設(shè)置一個(gè)粗略的觸發(fā)門(mén)限 ,用于要求比較低的場(chǎng)合。
被動(dòng)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(lái)將被測(cè)區(qū)域內(nèi)的人或者動(dòng)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(huì)濾除特定波長(zhǎng)(一般為人體發(fā)出的紅外波長(zhǎng))之外的環(huán)境光。濾光片下面會(huì)有兩個(gè)紅外光敏感元,相向串接在電路中,在空閑狀態(tài)時(shí)由于接收到相同量的環(huán)境紅外光而相互抵消,故沒(méi)有輸出。當(dāng)有人或者動(dòng)物經(jīng)過(guò)檢測(cè)區(qū)域時(shí),由于熱釋電效應(yīng)其散發(fā)的紅外能量首先被第一個(gè)敏感元檢測(cè)到而產(chǎn)生一個(gè)正向的小信號(hào)輸出,繼而又被第二個(gè)敏感元檢測(cè)到而產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向的小信號(hào)輸出,通過(guò)信號(hào)放大,傳感器便可檢測(cè)到附近人或者動(dòng)物的活動(dòng)。基于以上原理,我們不難看出,該類傳感器可以感應(yīng)檢測(cè)范圍內(nèi)的人體或動(dòng)物的移動(dòng),進(jìn)而產(chǎn)生觸發(fā),靜止的人體是無(wú)法檢測(cè)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(huì)受到較大影響。傳感器無(wú)法感知被測(cè)物體距離傳感器的距離有多遠(yuǎn)。
圖1 主動(dòng)紅外
圖2 被動(dòng)紅外原理
圖3 被動(dòng)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(cè)對(duì)象相對(duì)于傳感器運(yùn)動(dòng)時(shí),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(cè)對(duì)象反射回來(lái)的電磁波頻率不同,即產(chǎn)生頻移,對(duì)該頻移做信號(hào)調(diào)理便可產(chǎn)生一觸發(fā)信號(hào)。該類低成本傳感器和被動(dòng)紅外傳感器一樣只能檢測(cè)目標(biāo)的移動(dòng),而目標(biāo)靜止時(shí)無(wú)法檢測(cè)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(cè)距及接近感應(yīng)應(yīng)用中,一般由一個(gè)超聲發(fā)射器和一個(gè)超聲接收器構(gòu)成,發(fā)射器發(fā)射一個(gè)超聲波脈沖出去,該脈沖遇到障礙物被反射回來(lái)被接收器接收,通過(guò)計(jì)算超聲波的飛行時(shí)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(cè)角度比較有限且體積較大,通常需要開(kāi)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(shí)間傳感器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)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(diǎn)是什么?這就要從它的工作原理說(shuō)起。
基于光飛行時(shí)間(Optical ToF)的接近傳感器基本原理
ToF全稱為T(mén)ime of Flight, 即飛行時(shí)間,通常以紅外光作為載體,通過(guò)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(guò)探測(cè)這些發(fā)射和接收光脈沖的飛行(往返)時(shí)間來(lái)得到目標(biāo)物距離。光飛行時(shí)間的獲取通常有兩種方法,一種是基于光學(xué)快門(mén)法,一種是基于連續(xù)波相位差的方法。
基于光學(xué)快門(mén)的方法的原理非常簡(jiǎn)單,發(fā)射一束脈沖光波,通過(guò)光學(xué)快門(mén)快速精確獲取照射到三維物體后反射回來(lái)的光波的時(shí)間差t,由于光速c已知,只要知道照射光和接收光的時(shí)間差,來(lái)回的距離可以通過(guò)公示d = t/2· c。 此種方法原理看起來(lái)非常簡(jiǎn)單,但是實(shí)際應(yīng)用中要達(dá)到較高的精度仍具有很大的挑戰(zhàn),如控制光學(xué)快門(mén)開(kāi)關(guān)的時(shí)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(hào)控制,這樣才能達(dá)到高的深度測(cè)量精度。 假如照射光與ToF傳感器之間的時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生10ps的偏移,就相當(dāng)于1.5mm的位移誤差。
實(shí)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(hào)(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(hào)與接收光信號(hào)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(guò)處理電路提取相位差并通過(guò)計(jì)算便可得出障礙物的距離信息。
圖4 單點(diǎn)ToF傳感器框圖
圖5 發(fā)射光信號(hào)與返回光信號(hào)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(shí)現(xiàn),可以使得接近傳感器性能上大幅提升的同時(shí)兼具很高的性價(jià)比。實(shí)際應(yīng)用中往往需要傳感器具有寬視角,能夠檢測(cè)整個(gè)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(diǎn) ToF 的模擬前端 AFE(算法基于連續(xù)調(diào)制波),用來(lái)接近感應(yīng)和目標(biāo)物 體的距離探測(cè)。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(shí)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(dòng)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(hào),和 外部的光電二極管 Photodiode 接收發(fā)射光到芯片輸入端。同時(shí)由于集成較高的環(huán)境光抑制能力,芯片能夠 工作在較強(qiáng)的環(huán)境光條件下(如 130Klux),甚至 1000 倍于信號(hào)強(qiáng)度(如 200uA 環(huán)境光 vs 200nA 的信號(hào) 強(qiáng)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(qiáng)度數(shù)據(jù) 和 9bit 的環(huán)境光強(qiáng)度數(shù)據(jù),通過(guò) I2C 接口(Slave)輸出。芯片另一個(gè) 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(lái)做溫度校正功能。
圖6 OPT3101內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
圖7所示為設(shè)計(jì)原理框圖,由于OPT3101的高集成度,傳感器的外圍器件非常簡(jiǎn)單,主要由三個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接收管組成。MCU負(fù)責(zé)對(duì)OPT3101的內(nèi)部寄存器進(jìn)行配置及數(shù)據(jù)讀取。設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)對(duì)120度可視角范圍內(nèi)的障礙物距離檢測(cè),其中,每個(gè)紅外發(fā)射管負(fù)責(zé)40度范圍,三個(gè)共計(jì)實(shí)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。
圖7
圖8
該傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn):
1、具有精確距離輸出的接近傳感器
直接距離輸出,無(wú)需占用MCU計(jì)算資源
觸發(fā)門(mén)限隨意設(shè)定
不受物體是否移動(dòng)影響
體積小巧靈活
2、120度寬視角
整個(gè)視角分為3個(gè)區(qū)域,由三顆發(fā)射燈分別覆蓋
可識(shí)別物體處于哪個(gè)區(qū)域
3、不受物體顏色及反射率影響
高動(dòng)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(lái)源:E2E™ 中文支持論壇,作者:Richard Wang)
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