反射傳感器簡化光電開關(guān)設(shè)計

本文為大家介紹如何利用反射傳感器的優(yōu)勢，以簡化并改進(jìn)微型光學(xué)傳感器的設(shè)計。

反射傳感器是設(shè)計微型光電開關(guān)的得力助手。它們精巧直觀，可用來簡化人機(jī)交互。這些傳感器通常隱藏在紅外 ( IR ) 透鏡蓋后面，當(dāng)手指或其他物體接觸鏡蓋表面時，傳感器會迅速做出響應(yīng)。

光學(xué)傳感器或反射傳感器可用來簡化設(shè)計過程，便于設(shè)計直觀、智能且操作可靠的按鈕，是一種既簡單又高效的結(jié)構(gòu)：

1.傳感器一端裝有發(fā)射紅外光的發(fā)射器

2.當(dāng)手指或任何物體靠近時，會受到這種光束的照射

3.反射信號在另一端的探測器產(chǎn)生光電流

這些傳感器的工作是無形的，沒有運(yùn)動部件或摩擦，幾乎沒有磨損。此外，光學(xué)傳感器可以進(jìn)行修正和微調(diào)，避免鏡蓋表面濕氣、水、污垢和劃痕的影響。即使帶著手套操作，它們也可以高效運(yùn)行。 需要特別注意的是，與應(yīng)用集成的傳感器一樣，要想取得理想的結(jié)果，必須考慮各種嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。對于光學(xué)傳感器來說，這些挑戰(zhàn)主要是應(yīng)用環(huán)境和機(jī)械條件的限制。

環(huán)境挑戰(zhàn)

想象一下：陽光和典型光源等外部干擾會造成探測器環(huán)境噪聲，這是需要解決的問題。這種情況下，我們要考慮由外圍孔徑反射，以及鏡蓋表面污垢、水、濕氣或劃痕所引起的偏移電流。這種偏移電流會增大接近信號，提高輸出信號的總振幅。

如果設(shè)計階段不考慮這些因素，噪聲信號強(qiáng)度會增大到超過設(shè)定的閾值，從而導(dǎo)致誤測。為防止這種情況，設(shè)計傳感器時應(yīng)最大限度減少這些環(huán)境因素的影響，以保持正常的信噪比。

機(jī)械挑戰(zhàn)

為美觀起見，傳感器通常隱藏在紅外透鏡蓋下面，或者光學(xué)傳感器觀測孔保持最小尺寸。 此外，為了給緊密排列在一起的多個按鈕留出空間，傳感器占位面積應(yīng)盡可能小。這樣一來，一方面?zhèn)鞲衅鞣庋b尺寸受到嚴(yán)格的機(jī)械約束，另一方面對發(fā)射角度/觀測特性有嚴(yán)格要求。

應(yīng)用場景

了解了采用反射傳感器設(shè)計光電開關(guān)涉及的環(huán)境和機(jī)械挑戰(zhàn)，接下來我們深入探討三個具體應(yīng)用場景。

01

陽光直射下工作的車載觸控開關(guān)

由于體積小巧，光學(xué)傳感器按鈕可以放在車內(nèi)任何地方。不過，為了適應(yīng)車輛可變條件，必須達(dá)到高標(biāo)準(zhǔn)可靠性。同時，需要考慮溫度波動和陽光的影響等因素。

傳感器可通過優(yōu)化孔徑保證正確定向，以遮擋破壞性的陽光。此外，傳感器封裝設(shè)計要消除所有引起麻煩的光波長。這意味著，傳感器只對發(fā)射器波長范圍內(nèi)的光做出響應(yīng)，已濾除大部分環(huán)境噪聲。

您可以在探測器一端配置 DC 光抑制電路和高通濾波器，進(jìn)一步增強(qiáng)傳感器的功能，如圖 1 所示。這種電路確保只探測和放大脈沖發(fā)射器信號。

圖 1 ：探測器配置 DC 光抑制電路和高通濾波器

02

密閉空間光學(xué)按鈕面板

當(dāng)設(shè)計需要在有限空間配置多個按鈕時，非常適合使用配有發(fā)射器的傳感器，這種發(fā)射器可利用光照強(qiáng)度高，光輸出強(qiáng)的垂直腔面發(fā)射激光器 ( VCSEL )。

VCSEL 窄發(fā)射角大大減小了鏡蓋造成的偏移，使傳感器特別適合在透明材料下工作。此外，傳感器的光照模式和緊湊尺寸允許其極為緊密地并排放置。事實上，排列密度僅受手指寬度的限制。得益于 VCSEL 的光照模式，您可以為鏡蓋找一個產(chǎn)生偏移最小的位置。這個最佳點(diǎn)最好由距離曲線來確定。

距離曲線（ 圖 2 ）表示傳感器的相對輸出信號與透鏡或鏡片距離的關(guān)系。大約 2 mm 距離內(nèi)信號足夠低。這表明理想情況下，鏡片應(yīng)保持在這個范圍內(nèi)，最大距離不超過 2 mm，以最大限度減小偏移，從而提高之前提到的信噪比。

ICrel -相對集電極電流 z - 距離 圖 2 ：距離曲線表示傳感器相對輸出信號與透鏡或鏡片距離的關(guān)系。

03

適用于惡劣工業(yè)或醫(yī)療環(huán)境的按鈕

如您的目標(biāo)是設(shè)計堅固耐用的按鈕，用于嚴(yán)苛的工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用。光電按鈕表面光滑，沒有藏污納垢的縫隙，因此便于清潔。然而，關(guān)鍵是傳感器不能因液體或污垢觸發(fā)。而且，即使手指定位不準(zhǔn)，不是直接落在傳感器上方，也可以識別按壓動作。 由于紅外發(fā)射器的發(fā)射角寬，光電按鈕對鏡蓋表面污垢的敏感度下降。這種廣角發(fā)射擴(kuò)大了光照功率的分布區(qū)域。此外，廣角發(fā)射便于探測未直接放在傳感器上的手指。重要的是，這種環(huán)境中經(jīng)常使用的手套不會造成問題，傳感器很容易探測。 圖 3 模型是一種滿足這些標(biāo)準(zhǔn)的簡化版實用按鈕設(shè)計。傳感器在距傳感器頂部 3 mm 、厚度為 2 mm 的紅外透鏡聚碳酸酯蓋下工作。孔徑設(shè)計足夠大，適應(yīng)傳感器廣角發(fā)射，從而最大限度減小偏移噪聲。

圖 3 為使其對陽光不敏感，設(shè)計采用圖 1 所示電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。發(fā)射器的脈沖頻率為 5 kHz 。增加的高通濾波器使截止頻率低于脈沖頻率，且有效抑制 50 Hz 典型市電交流聲。 輸出信號可直接連接模-數(shù)轉(zhuǎn)換器做進(jìn)一步處理。通過校準(zhǔn)，傳感器可以忽略孔徑引起的偏移。這種設(shè)計非常穩(wěn)定，對外部因素造成的誤觸發(fā)具有很高的抵抗能力，性能極為可靠。