一種基于紅外測溫傳感器的高速電吹風(fēng)高精度體感控溫解決方案

我個人從事個護類電器的研發(fā)二十余年，客戶產(chǎn)品以出口為主，包括電吹風(fēng)、直發(fā)器、卷發(fā)棒等產(chǎn)品。近些年行情不好，成本競爭激烈，同質(zhì)化嚴(yán)重，大家都在尋找創(chuàng)新性設(shè)計和差異化賣點。經(jīng)過三年的探索現(xiàn)將我個人在電吹風(fēng)行業(yè)上曲折的探索分享給大家，僅作為技術(shù)交流。

電吹風(fēng)屬于個人護理家用電器領(lǐng)域，主要用于頭發(fā)干燥和整形，自從其被發(fā)明到目前為止已經(jīng)有一百多年時間。電吹風(fēng)由于其方便、快捷等優(yōu)勢在人們的日常生活中被應(yīng)用的越來越多，也越來越廣。隨著科技的發(fā)展和人們對品質(zhì)要求越來越高，電吹風(fēng)也是在不斷的革新和進步。從而誕生出眾多的知名品牌，諸如北美的HOT，雷明頓，康奈爾，英國戴森，日本飛利浦，松下，韓國UNIX，大宇，我們國內(nèi)的徠芬，追覓等。

電吹風(fēng)的技術(shù)革新到目前為止主要有兩點：

普通電吹風(fēng)到高速電吹風(fēng)，目前為止高速電吹風(fēng)的技術(shù)和供應(yīng)鏈已經(jīng)非常成熟，且主要配件高速電機的成本也大幅的下降，這為高速電吹風(fēng)的推廣和普及起到了至關(guān)重要的作用。

普通溫控到智能溫控，溫控的意義不單是要吹干頭發(fā)，還有塑形和保護發(fā)質(zhì)等功能。傳統(tǒng)電吹風(fēng)的溫控是在吹風(fēng)口處安裝一個NTC，通過控制板來控制出風(fēng)口溫度，但出風(fēng)口的溫度在使用過程中會因為出風(fēng)口距離頭發(fā)距離遠(yuǎn)近的變化而存在非常大的差異。日本飛利浦和美國雷明頓等品牌用紅外測溫傳感器實現(xiàn)了固定距離的測溫，從而相對精準(zhǔn)的輸出風(fēng)溫。最近戴森推出的Supersonic采用了測距傳感器，根據(jù)吹風(fēng)機距離頭發(fā)位置的不同實時調(diào)節(jié)出風(fēng)口的溫度，這個體驗非常的實用。但是還是不能做精準(zhǔn)的體感溫度控制。

關(guān)于紅外測溫在電吹風(fēng)上的應(yīng)用，很早之前飛利浦和松下就已經(jīng)采用，用的是邁萊芯的MLX90614BBC，視場角35度。因為視場角還是比較大，所以在測溫效果上主要還是定性的測溫，定量測溫精準(zhǔn)度并不好，后面我們會講視場角的重要性。其實最好的效果是能直接控制吹到頭發(fā)或者皮膚上的溫度，這是最直接的體感溫度。針對不同人群或者不同的使用場景可以設(shè)定不同的溫度，一旦設(shè)定好溫度，不論怎么吹，距離遠(yuǎn)近或者如何擺動都能保證體感溫度的相對準(zhǔn)確性?；谏鲜鲂Ч?，在開發(fā)過程中遇到了兩個嚴(yán)重的認(rèn)知問題，后面會逐個講述。要達(dá)到變化距離吹發(fā)，獲得恒定溫度效果要解決兩個主要問題：

首先這種場景基本上確定要采用非接觸測溫方式

算法+發(fā)熱體配合的快速響應(yīng)

關(guān)于紅外測溫傳感器的選型，早期因為不了解這個傳感器的特性，走了很多彎路。早期(2021年)選的是額溫槍上用的模擬紅外傳感器，國內(nèi)外品牌諸如石冢、海曼、眾智、美思、曄映等都測試過。后期出現(xiàn)數(shù)字紅外測溫傳感器，又測試了邁萊芯、上海曄映、深圳谷德、北京芯創(chuàng)(品牌好像是領(lǐng)麥微)等諸多品牌。無論是早期還是后期發(fā)現(xiàn)用普通額溫槍那種傳感器很難測得準(zhǔn)，主要是因為視場角太大，隨著距離的變化即便是一個溫度相對固定的被測物，其輸出的溫度值變化也非常大。這種類型傳感器不適合做遠(yuǎn)距離且測試過程中距離不斷變化的應(yīng)用場景，這是我們在開發(fā)時遇到的第一個嚴(yán)重的認(rèn)知問題，因為不了解傳感器特性，選型錯誤，導(dǎo)致該方案做了大量測試，做了各種算法和魯棒性設(shè)計，效果仍然差強人意。后來發(fā)現(xiàn)視場角的重要性，普通大市場角的傳感器不適用于距離稍微遠(yuǎn)一點且使用過程中距離不斷變化的場景。

視場角是如何影響我們使用過程中的效果的呢?首先我們看如下兩張圖，左側(cè)是視場角10度傳感器，右側(cè)是視場角35度。左側(cè)D是傳感器距離被測物距離，右側(cè)S是以圓形態(tài)的被測物的最小直徑，單位是cm?？梢钥吹?5度視場角傳感器在距離被測物20cm時，要求被測物的最小尺寸是12cm直徑的圓(10度視場角是直徑3.5cm的圓)，但是在使用時可能由于可能來回掃動吹風(fēng)，無法保證傳感器一直對著頭發(fā)或者皮膚。這是為什么要選擇小視場角傳感器的主要原因

10度視場角

35度視場角

小視場角適用于遠(yuǎn)距離的測溫，一般是距離超過10cm，到100cm左右的場景。電吹風(fēng)應(yīng)用在使用過程中出風(fēng)口距頭發(fā)的距離大概在5-30cm，之前我們也做過定距的測溫方案，溫度精度在±3℃，做變化距離下測溫精度±3℃的挑戰(zhàn)還是非常大的。關(guān)于視場角這部分，選擇也有說法，首先是不少廠家規(guī)格書里的視場角和實際有一定的偏差，大部分是實際數(shù)據(jù)比規(guī)格書數(shù)據(jù)偏大。下圖是根據(jù)廠家提供的方法，傳感器正對恒溫發(fā)熱體測得數(shù)值最大為中心基點，左右移動，以幅值衰減到50%為視場角邊界，我們測試了3款標(biāo)注視場角FOV為10度的傳感器。實測數(shù)據(jù)如下：領(lǐng)麥微FOV≈8度，眾智FOV≈12度，曄映微≈13度。

藍(lán)色：領(lǐng)麥微 橘色：眾智 灰色：曄映微

測試視場角的過程中還發(fā)現(xiàn)了另外一個有趣的現(xiàn)象，下次有機會在和大家單獨分享。

其次，在視場角滿足的情況下還要看在我們使用的距離內(nèi)其精度一致性(我們暫且稱之為帶內(nèi)一致性)，舉例來說在5cm距離測試50℃的物體和在30cm距離測試50℃物體的誤差是多少。如果在兩個極限范圍內(nèi)測試通個物體的溫差很大，就無法滿足以上我們的設(shè)計要求。經(jīng)過實測，大部分品牌單點紅外傳感器的帶內(nèi)一致性不夠好。但是在其建議的固定距離也就是標(biāo)定距離點下的精度都還可以。

之前總覺得這個應(yīng)用比較簡單，就是個測溫，都已經(jīng)是數(shù)字接口的傳感器了，讀出數(shù)據(jù)就可以了，這是我們遇到的第二個嚴(yán)重的認(rèn)知問題。我們的使用方式是將傳感器放在了電吹風(fēng)吹風(fēng)口正前方。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，電吹風(fēng)工作起來傳感器所處的環(huán)境溫度在40-60℃左右。工作環(huán)境可以說是比較惡劣的，而且紅外測溫傳感器的精度又和其工作環(huán)境密切相關(guān)，也和被測物所處的環(huán)境密切相關(guān)。對紅外傳感器特性了解不夠，起初手上又沒有專用的儀器設(shè)備，包括黑體，高低溫箱等，開發(fā)工作和思路不斷的被打斷、顛覆，后來買了黑體，熱成像儀等等設(shè)備，還是做不好。接著又向各個原廠發(fā)出請求，經(jīng)過三年的折騰，終于在領(lǐng)麥微這個品牌技術(shù)團隊的協(xié)助下在去年上半年完成整機開發(fā)和驗證測試，并在去年下半年完成了小批量、中試和大批量生產(chǎn)。在之前的研發(fā)過程中我們自己做了很多算法和測試工作，一直不得要領(lǐng)，做了很多工作卻沒有好的結(jié)果。后來和領(lǐng)麥微合作，我們提供了樣機，他們自己改造、測試、做算法，再提供樣機給我們，做接口聯(lián)調(diào)，才發(fā)現(xiàn)過去幾年我們做了多少無用功，再一次相信了術(shù)業(yè)有專攻的樸素道理。以下是領(lǐng)麥微給我們提供的資料，包括他們做了傳感器的設(shè)計應(yīng)用指導(dǎo)，包括結(jié)構(gòu)注意事項，接口驅(qū)動源代碼，庫含數(shù)文件使用方法;他們做了算法后的測試報告，包括各種模式和工況下數(shù)據(jù)、曲線;還有適配我們產(chǎn)品上mcu和使用場景的算法庫函數(shù)。定距離測溫做到了±1℃，關(guān)于測溫精度的驗證原廠也提供了一套自己的檢測系統(tǒng)，包括他們自己設(shè)計的工裝治具，專用軟件等。

測試報告

設(shè)計指導(dǎo)

庫函數(shù)

除了以上問題外，調(diào)試紅外測溫傳感器過程中無意中還幫我們檢測出之前電源設(shè)計的問題。紅外傳感器的供電是3-3.6V，超過這個范圍會有風(fēng)險，最還是電機不啟動時整個電路板和傳感器都是正常的，電機一啟動，傳感器就出現(xiàn)了異常。經(jīng)實測發(fā)現(xiàn)電機啟動后電源紋波在有幾百赫茲，交流峰值超過±500mV，且電壓電壓也漂移超過4V。這種情況之前也有，只不過mcu暫時沒有表現(xiàn)出異常，不過長時間工作狀態(tài)下也不好說會不會有問題?？傊局蛳录嫒莸睦砟睿槺阋步鉀Q了一下電源的問題。

如有技術(shù)問題歡迎大家隨時交流

轉(zhuǎn)載：CSDN 博主m0_66933078