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利用红外线传感器实现接近感应应用.doc

利用红外线传感器实现接近感应应用

时间给人的颓废感
2019-05-19 0人阅读 举报 0 0 0 暂无简介

简介:本文档为《利用红外线传感器实现接近感应应用doc》,可适用于IT/计算机领域

利用红外线传感器实现接近感应应用在消费电子产品中,接近感应作为一种探测用户身体或手部存在的方法,越来越为人们所接受。该技术也能够用于动作感应,如检测用户手势。用户手势作为一种输入,可以应用于许多设备,如手机、计算机和其他家用电子产品。要理解动作感应系统设计的理论基础,需要了解红外线(IR)与可见光的差异,探讨接近和动作感应系统如何在单一LED下运行,以及动作感应在使用多个LED进行多接近测量时如何工作。当我们谈及“光”时,通常指的是来自太阳或灯具的可见光,然而,可见光仅占光谱范围中的一小部分。我们把可见光定义为人眼可以识别的所有光线,通常人眼可以识别的光线波长为nm。那么,人眼无法识别的非可见光(如波长为nm光)又如何呢IR辐射光的波长为nmμm,IR光与可见光有着相同的特性,例如反射率,而且它可以通过特殊灯泡或发光二极管生成。因为人眼无法看到IR光,所以我们可以用它来完成一些特殊的人机界面任务,例如接近检测,而无需用户与系统进行任何直接接触。IR接近传感系统能够检测附近物体的存在,并根据检测结果做出反应。IR接近检测的应用无处不在。例如,手机可以使用接近传感技术检测通话时手机是否接近面部。当你把手机靠近耳边时,手机将检测到头的存在,从而自动关闭屏幕以节省电能。其他接近感应系统的例子包括皂液器和饮水机,你可以把手放在传感器附近(通常在皂液管或水龙头附近),以“非接触”而又卫生的方式获取皂液或水。在高端汽车上,外部防碰撞系统也使用接近检测,当汽车与其他汽车或者物体太靠近时,接近检测会提醒司机注意。有些车辆还可以使用车内接近感应系统检测乘客的存在,从而调整安全装置(如安全气囊)。接近检测通过专门设计的IRLED实现。与IRLED相对应的是光电二极管,它一般用来检测LED发出的IR光。当IRLED和光电二极管同方向放置时,光电二极管将不会检测到任何IR光,除非有物体在LED的前面,将光反射回光电二极管。反射回光电二极管的光强与物体到光电二极管的距离逆向相关。图:一维空间动作检测单一LED和光电二极管相结合可以检测一些动作,例如可以检测物体是否靠近或远离光电二极管,这仅仅是一维空间检测。假设一个系统,其布局,单一LED系统仅使用LED与IR传感器。图是三个手势动作过程中SiliconLabsSi传感器感应IRLED后的输出值,其中Y轴是反射的IR光强,X轴是时间。三个手势包括沿图X轴从左到右的滑动,沿Y轴从底部到顶部的滑动,以及沿Z轴由远及近,然后由近及远的往复动作。图表明,单一LED系统不能区分这些手势,使用单一LED,系统只能检测到物体正在接近或远离传感器,而不能判别其方向。图:单一LED系统性能分析二维空间检测由位于不同位置的两个LED和单个光电二极管组成。从LED得到一个测量值,然后快速从LED获得另一个测量值,两个测量值被用于计算二维空间上的物体位置。其中一维空间是接近LED(左)或接近LED(右),而另一维空间是接近或远离光电二极管。图是与图相同的三个手势,其中白线代表从LED中读出的数据,红线代表从LED读出的数据。从左到右滑动过程中,白线上升,然后是红线。当手从左到右滑动时,LED反射IR光到传感器,然后是LED。图:二维空间中手势性能分析三维空间动作检测由三个LED和单个光电二极管组成。LED与LED、LED不在同一直线上,,可以把LED和LED之间的连线看作X轴,LED和LED之间的连线看作Y轴,从光电二极管和LED到被测物体之间的连线看作Z轴。图显示了与图和图相同的测量过程,其中蓝线代表LED的测量数据。当手从左向右滑动时,因为手在LED和LED上同时通过,LED和LED数据线同时上升,然后是LED数据线。当手从底部向顶部滑动时,因为手先遇到来自LED的IR光,LED数据线上升,然后是LED和LED。当往复动作时,因为手在整个过程中都反射等量的LED光,三个LED测量值是相同的。图:加入LED后,三维空间中动作性能分析当IRLED和IR传感器应用于产品时,这些组件通常不会用作装饰目的而放在外面,终端产品至少需要一个开口或透明窗口,让IR光透过。IRLED从窗口中照射出,被外部物体反射后,通过窗口进入Si传感器。单一窗口配置的主要缺点是:窗口将导致一些光线被内反射到Si,即使在检测范围内没有外部物体时,大量反射光也可能导致传感器输出。双窗口设计使用其中一个窗口用于IRLED,另一个窗口用于传感器。通过在LED和传感器之间进行适当的隔离,设计消除了内部反射的问题,为系统提供更好的敏感性和检测范围。对于IR接近感应系统设计而言,选择何种IRLED是一项非常重要的决定。IRLED视角对最大检测距离和范围有很大影响。从LED射出的IR光形成一个圆锥状,圆锥顶角(大多数LED能量从这里输出)被称为LED视角。图:窄视角和宽视角IRLED的差异所有的LED都有一个特定的视角,一个窄视角LED意味着发出的能量更加集中,比宽视角LED照射的更远。这意味着使用窄视角IRLED将在窄检测区域中形成更远的检测范围,图说明了窄视角和宽视角IRLED的差异。当设计IR系统时,系统中被测物体的特点也是需要重点考虑的。除了用于检测手势,IR接近感应系统也能被用于检测无生命物体,如车库门(打开或关闭)。检测较大物体时,由于有更多的IR光被反射,检测距离将更远。物体的颜色是另一个需要考虑的因素,因为IR光与可见光有相同特性,浅色物体比深色物体反射更多光线。物体的颜色越深,越要接近IR系统,因为仅有来自IRLED的少量IR光被反射到IR传感器。在消费电子、工业和汽车领域应用中,许多电子系统从非接触式反射中受益。IR接近感应为需要检测物体存在的系统提供了一个最佳方法。接近感应也可用于检测最多三维空间内的动作,甚至是手势,使得下一代电子产品的人机界面更先进、更直观。

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