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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(jī)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(jī)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(dú)特性及優(yōu)缺點(diǎn)，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(qiáng)度（即反射幅值）來判斷障礙物的遠(yuǎn)近。然而，由于反射信號的強(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(fù)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。基于以上原理，我們不難看出，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(jìn)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(yuǎn)。

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

圖2 被動紅外原理

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(yùn)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(jì)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(diǎn)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(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(dá)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(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（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(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(shí)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(shí)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(diǎn) 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(qiáng)的環(huán)境光條件下（如 130Klux），甚至 1000 倍于信號強(qiáng)度（如 200uA 環(huán)境光 vs 200nA 的信號強(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 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。

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單，主要由三個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管組成。MCU負(fù)責(zé)對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(fù)責(zé)40度范圍，三個共計(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。