CN116991190B - 一种光学感应设备用控制装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学感应设备用控制装置及其控制方法，具体涉及感应设备数据调控技术领域，该光学感应设备用控制装置包括壳体，壳体中设置有红外散射式感应单元和控制单元；控制单元包括控制主板、外温度传感器、内温度传感器和加热器，控制主板上设置有微处理器，外温度传感器用于获取壳体外部温度信息，内温度传感器用于壳体内部温度信息，加热器用于对壳体内部进行加热。本发明通过控制单元对壳体内外数据的处理，控制加热器将壳体内部环境温度加热至与外部温度相同的温度，从而降低壳体内部与壳体外部的低温差距，避免在导光元件上形成水雾，极大的提高了红外散射式感应单元数据识别的稳定性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及感应设备数据调控技术领域，更具体地说，本发明涉及一种光学感应设备用控制装置及其控制方法。
背景技术
光学感应设备是一种依据光学原理进行感应和测量的设备，能够将光信号转换为电信号，通过控制装置对该电信号进行处理，并转换为计算机所能处理的数字信号，从而使光学感应设备可以进行非接触和非破坏性检测或测量。
为了在一些特定区域进行液量检测，例如喷淋灌溉时灌溉区域的喷淋水量检测、喷淋设备中喷淋液体的喷淋状态检测、大型设备可视窗口和自动门窗表面的雨量检测，会使用到红外散射式感应器进行检测。
红外散射式感应器的具体原理是：感应器具有一个红外光发射单元、一个红外光接收单元，一个导光单元和一个用于承接液珠的透明承接元件，由LED发光二极管组成红外光发射单元发射出锥形的远红外线，锥形光束经导光元件折射形成平行光束射向透明承接元件，再由透明承接元件内部全反射给红外光接收单元，红外光接收单元接收到光信号后，控制装置将其转换成数字信号，以供计算机系统判断识别，并对系统执行单元做出相应的反馈。
其中，当透明承接元件表面无任何液体时，光线会被最大程度的被反射到红外光接收单元中，当透明承接元件表面具有液体，且液体不断增加时，入射到透明承接元件的光线会有一部分被液体分散射掉，反射后红外光接收单元承接光线变少，从而形成信号差距，控制装置转换出的数字信号与初始时的数字信号也不相同，对比检测所得数字信号即可判断红外散射式感应器所处区域的表面液量。
在红外散射式感应设备的设计中，为了避免压力差致使光学元件产生微量变形而影响光线传播精度，感应设备内外压强需要相同，因此感应设备内部会填充气体，但感应设备在恶劣环境(如沙漠或者高海拔以及其他温差较大的环境)中长期使用时，感应设备的密封件会提前老化，影响设备的密封效果，无法保证感应设备的长期密封，虽然密封效果降低后不会对感应器本身造成损伤，但是会导感应设备内外气体的微量交换，外界的气态水会进入到设备内部，其中，当设备的内外温差逐渐增大时，设备内部气体中含有的水气就会凝结在光学元件(例如透明承接元件和导光元件)表面形成液体，干扰入射和出射的光线路径，进而影响红外光接收单元的光线承接量，影响光信号与数字信号的转换，并降低了控制装置转换后数字信号的真实性，降低了检测精度。
发明内容
本发明提供的一种光学感应设备用控制装置及其控制方法，所要解决的问题是：恶劣环境下导致感应设备内外温差较大致使设备内部水气凝结影响感应数据转化精度的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光学感应设备用控制装置，包括壳体，壳体中设置有红外散射式感应单元和控制单元，红外散射式感应单元包括红外光发射单元、红外光接收单元、透明承接单元和导光元件；
控制单元包括控制主板、外温度传感器、内温度传感器和加热器，控制主板上设置有微处理器，微处理器用于将红外光接收单元接收的光信号转化为数字信号，并对数字信号进行对比识别，外温度传感器用于获取壳体外部温度信息，内温度传感器用于壳体内部温度信息，加热器用于对壳体内部进行加热；
微处理器识别到外温度传感器和内温度传感器的温度数据差距后，控制加热器将壳体内部环境温度加热至与外部温度相同的温度；
控制单元包括还包括多角度驱动单元，多角度驱动单元用于驱动红外光发射单元和红外光接收单元沿中心轴线转动以调整感应角度。
在一个优选的实施方式中，多角度驱动单元包括转动座，转动座转动设置在壳体中，红外光发射单元和红外光接收单元分别固定安装在转动座的两端，多角度驱动单元还包括微型电机，微型电机安装在控制主板底部，转动座安装在微型电机的输出轴上，微型电机由微处理器控制启停，并驱动转动座在壳体内部正反向转动。
在一个优选的实施方式中，透明承接单元固定安装在壳体上，导光元件贴合安装在透明承接单元的内侧面，导光元件为圆形结构，且导光元件的导光面为环状连续抛物面，红外光发射单元和红外光接收单元均位于抛物面的焦点上。
控制主板固定安装在壳体内，外温度传感器固定安装在壳体外部，内温度传感器固定安装在转动座上，红外散射式感应单元上还设置有接口，接口用于安装连接线，并通过连接线建立与计算机系统的数据连接。
在一个优选的实施方式中，加热器为电加热器，且加热器设置为多组，多组加热器在壳体内以转动座的转动轴线为中心呈圆周阵列分布。
在一个优选的实施方式中，控制单元还包括导热架，导热架固定安装在转动座的顶部，导热架由多组梯形片结构组成，多组梯形片在转动座顶部呈辐射式分布，且各梯形片为导热薄片结构，该导热薄片结构优选铜材质。
在一个优选的实施方式中，控制单元还包括反馈单元，反馈单元包括透明硅光片，透明硅光片设于透明承接单元与导光元件之间，透明硅光片的内部设置有硅光电池，硅光电池的信号端与微处理器连接。
在一个优选的实施方式中，反馈单元还包括外环境光传感器，外环境光传感器设置在透明承接单元与壳体之间，且外环境光传感器的感光面朝向透明承接单元设置，外环境光传感器的信号端与微处理器连接，外环境光传感器用于透过透明承接单元检测环境光，并将环境光数据转换为数字信息传输给微处理器进行对比处理。
在一个优选的实施方式中，反馈单元还包括硅光电池接收电路、前级放大电路、取样积分电路、差分放大电路和反馈电路。
一种光学感应设备用控制方法，包括以下步骤：
步骤一、在透明承接单元表面没有液体时，默认为红外光发射单元发出的光线是平行入射到透明承接单元上，且被最大化的反射回来，通过导光元件汇聚后由红外光接收单元接收，通过微处理器将光信号转化为数字信号，此时数字信号的输入电压最大；
步骤二、当内温度传感器检测到壳体内部温度低于外温度传感器检测的壳体外部的温度时，控制单元控制加热器对壳体内部进行加热，直至内温度传感器检测到的温度数据和外温度传感器相同，控制红外散射式感应单元开启检测；
步骤三、当透明承接单元外表面有液体时，入射到透明承接单元上的光线被部分散射掉，反射后红外光接收单元接收的光线变少，通过微处理器将光信号转化为数字信号，与透明承接单元表面没有液体的情况下输入的电压值的数字信号比较，输出红外散射式感应单元的检测数据；
步骤四、多角度驱动单元驱动红外光发射单元和红外光接收单元沿中心轴线正反向各转动°，并随机采样至少24个不同角度下的光信号，分别与透明承接单元表面没有液体的情况下的电压值的数字信号比较，得出24组不同的检测数据，并取平均值作为红外散射式感应单元的实际检测数据。
本发明的有益效果在于：
本发明通过控制单元对壳体内外数据的处理，控制加热器将壳体内部环境温度加热至与外部温度相同的温度，从而降低壳体内部与壳体外部的低温差距，避免在导光元件上形成水雾，因此，通过控制单元的控制，极大的提高了红外散射式感应单元数据识别的稳定性和准确性。
本发明控制单元控制红外光发射单元和红外光接收单元在多个角度位置进行数据采集，而红外散射式感应单元的阈值判断也可以通过多组数据判别减少误差，得到多个检测角度的感应概率，避免了透明承接单元上液滴小而密集时单角度判断的不准确性。
附图说明
图1为本发明光学感应设备及控制装置整体结构示意图。
图2为本发明的整体系统组成图。
图3为本发明控制单元的系统组成图。
图4为本发明红外散射式感应单元的系统组成图。
图5为本发明光学感应设备及控制装置的内部结构示意图。
图6为本发明在透明承接单元在表面干燥状态下的红外散射式感应单元作业示意图。
图7为本发明在透明承接单元在表面具有液体状态下的红外散射式感应单元作业示意图。
图8为本发明光学感应设备及控制装置的内部结构俯视图。
图9为本发明控制红外散射式感应单元进行多角度信息采集的示意图。
图10为本发明光学感应设备及控制装置的内部结构俯视图。
图11为本发明中控制装置的信号反馈处理示意图。
附图标记为：1、壳体；2、控制主板；21、外温度传感器；22、内温度传感器；23、加热器；24、微处理器；25、外环境光传感器；3、红外散射式感应单元；31、红外光发射单元；32、红外光接收单元；33、透明承接单元；34、导光元件；35、透明硅光片；4、接口；5、转动座；51、微型电机；52、导热架。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步详细描述，有必要在此指出的是，以下具体实施方式只用于对本申请进行进一步的说明，不能理解为对本申请保护范围的限制，该领域的技术人员可以根据上述申请内容对本申请作出一些非本质的改进和调整。
参照说明书附图1-图11，一种光学感应设备用控制装置，包括壳体1，壳体1中设置有红外散射式感应单元3和控制单元，红外散射式感应单元3包括红外光发射单元31、红外光接收单元32、透明承接单元33和导光元件34，其中，透明承接单元33固定安装在壳体1上，红外散射式感应单元3为非透明结构，透明承接单元33可以为玻璃、塑料等透明板结构，红外光发射单元31和红外光接收单元32设置在壳体1的内部，导光元件34贴合安装在透明承接单元33的内侧面，红外光发射单元31和红外光接收单元32分别设置在导光元件34两侧的下方，工作时，红外光发射单元31发射出锥形的远红外线，锥形光束经导光元件34折射形成平行光束射向透明承接单元33，再由透明承接单元33内部全反射，再次经过导光元件34折射形成锥形光束汇聚到红外光接收单元32上，由红外光接收单元32接收上述光信号；
控制单元包括控制主板2、外温度传感器21、内温度传感器22和加热器23，控制主板2固定安装在壳体1内，控制主板2上设置有微处理器24，其中，微处理器24用于将红外光接收单元32接收的光信号转化为数字信号，并对数字信号进行对比识别，其中，对红外信号处理为广泛运用的现有技术，其工作流程在本实施例中不再赘述；外温度传感器21固定安装在壳体1外部，外温度传感器21用于获取壳体1外部温度信息，内温度传感器22安装在壳体1的内部，内温度传感器22用于壳体1内部温度信息；加热器23用于对壳体1内部进行加热，微处理器24识别到外温度传感器21和内温度传感器22的温度数据差距后，控制加热器23将壳体1内部环境温度加热至与外部温度相同的温度，从而降低壳体1内部与壳体1外部的低温差距，避免在导光元件34上形成水雾，因此，通过控制单元的控制，极大的提高了红外散射式感应单元3光学感应的稳定性和准确性；
进一步的，为了提高红外散射式感应单元3识别数据的准确性，控制单元包括还包括多角度驱动单元，多角度驱动单元用于驱动红外光发射单元31和红外光接收单元32沿中心轴线转动以调整感应角度，从而丰富检测数据，而导光元件34为圆形结构，且导光元件34的导光面为环状连续抛物面，红外光发射单元31和红外光接收单元32均位于抛物面的焦点上。
需要说明的是，多角度驱动单元包括转动座5，转动座5转动设置在壳体1中，红外光发射单元31和红外光接收单元32分别固定安装在转动座5的两端，内温度传感器22固定安装在转动座5上，多角度驱动单元还包括微型电机51，微型电机51安装在控制主板2底部，转动座5安装在微型电机51的输出轴上，微型电机51由微处理器24控制启停，并驱动转动座5在壳体1内部正反向转动。
微型电机51驱动转动座5转动时，每一个角度上，红外光发射单元31和红外光接收单元32均呈一组临时的红外散射式感应单元3，得到一组光信号数据，可以控制红外光发射单元31和红外光接收单元32在多个角度位置进行数据采集，而红外散射式感应单元3的阈值判断也可以通过多组数据判别减少误差，得到多个检测角度的感应概率，避免了透明承接单元33上液滴小而密集时单角度判断的不准确性。
红外散射式感应单元3上还设置有接口4，接口4用于安装连接线，并通过连接线建立与计算机系统的数据连接，控制单元将微处理器24转换成数字信号输送给计算机系统，以供计算机系统判断识别红外散射式感应单元3所感应识别的数据是否低于执行单元(执行单元是在检测到透明承接单元33表面液体情况后，根据设备本身需求做出执行动作的单元)的阈值，若红外散射式感应单元3所感应识别的数据低于执行单元的阈值，计算机系统不做反馈，若红外散射式感应单元3所感应识别的数据低于执行单元的阈值，计算机系统对执行单元做出相应的信号反馈。
进一步的，由于红外散射式感应单元3在测试时需要进行转动，因此，在加热器23对壳体1内部环境进行加热时，需要控制壳体1内部的温度均匀，避免壳体1内部温度差异造成红外光线的折射，本实施例提供以下技术方案，具体的，参照说明书附图5和图8，加热器23为电加热器，且加热器23设置为多组，多组加热器23在壳体1内以转动座5的转动轴线为中心呈圆周阵列分布，从而提高对壳体1内部温度加热时的均匀性。
进一步的，控制单元还包括导热架52，导热架52用于控制壳体1内部气体温度的均匀性，具体的，导热架52固定安装在转动座5的顶部，导热架52由多组梯形片结构组成，多组梯形片在转动座5顶部呈辐射式分布，且各梯形片为导热薄片结构，该导热薄片结构优选铜材质。
需要说明的是，在转动座5转动时，借助多组导热架52可以带动壳体1内部气体产生流动，从而提高壳体1内部加热的均匀性，同时，借助导热架52可以对热量进行引导，进一步的提高红外光发射单元31和红外光接收单元32周围热量分布的均匀性，降低壳体1内部不同区域的温度差，避免红外光线因壳体1内气体温度不均而导致的折射，进一步的提高红外散射式感应单元3感应的灵敏性
参照说明书附图4、图5、图6、图7和图10，控制单元还包括反馈单元，反馈单元包括透明硅光片35，透明硅光片35设于透明承接单元33与导光元件34之间，透明硅光片35的内部设置有硅光电池，硅光电池的信号端与微处理器24连接。
反馈单元还包括外环境光传感器25，外环境光传感器25设置在透明承接单元33与壳体1之间，且外环境光传感器25的感光面朝向透明承接单元33设置，外环境光传感器25的信号端与微处理器24连接，外环境光传感器25用于透过透明承接单元33检测环境光，并将环境光数据转换为数字信息传输给微处理器24进行对比处理，可通过环境光的数据判断进一步减少本控制装置的因为光线问题的误判。
进一步的，参照说明书附图10，反馈单元还包括硅光电池接收电路、前级放大电路、取样积分电路、差分放大电路和反馈电路。
由微处理器24控制发出调制方波，驱动红外光发射单元31发出调制的红外探测光线射向透明承接单元33，透明硅光片35内的硅光电池接收从透明承接单元33直接反射回的红外光信号并进行光电转换，由于硅光电池转换的电信号远小于A/D转换模块的分辨率，因此需要利用前级放大电路将电信号进行放大；取样积分电路按微控制单元发出的和发射方波相关的取样积分时序对前级放大电压信号进行分时取样；差分放大电路对取样积分信号做差分放大处理，之后反馈电路根据差分放大电路的输出调节红外光发射单元31的发光强度。
在本实施例中，实施场景具体为：红外光发射单元31发出的锥形光束经导光元件34折射后以平行光线的状态入射到透明承接单元33上，再由透明承接单元33反射平行光线，再次由导光元件34折射成锥形光束集中射到红外光接收单元32上。
红外光接收单元32处的光敏二极管能将接收到的光信号转化为电信号，在透明承接单元33等外界条件不变的情况下，红外信号接收端的电信号强弱与光信号大小有关，光信号越大则电信号也大，即输出电压越大，反之则电信号越小，即输出电压越小。
红外散射式感应单元3的测量为相对量测量，参考说明书附图6，在透明承接单元33表面没有液体，处于干燥状态的时候，默认为红外光发射单元31发出的光线是平行入射到透明承接单元33上被最大化的反射回来，通过导光元件34汇聚后由红外光接收单元32接收，红外光接收单元32处的光敏二极管能将光信号转化为电信号，再由微处理器24转化为数字信息，此时输入电压最大。
参考说明书附图7，当透明承接单元33外表面有液体时，入射到透明承接单元33的光线被液体部分散射掉，反射后红外光接收单元32的光线变少，液体量越大则反射回来的光线越少，通过微处理器24对比检测状态与透明承接单元33表面表面没有液体的情况下输入的电压值的数字信息比较，就可以得出目前透明承接单元33表面的液体量。
参照说明书附图11，一种光学感应设备用控制方法，包括以下步骤：
步骤一、在透明承接单元33表面没有液体时，默认为红外光发射单元31发出的光线是平行入射到透明承接单元33上，且被最大化的反射回来，通过导光元件34汇聚后由红外光接收单元32接收，通过微处理器24将光信号转化为数字信号，此时数字信号的输入电压最大；
步骤二、当内温度传感器22检测到壳体1内部温度低于外温度传感器21检测的壳体1外部的温度时，控制单元控制加热器23对壳体1内部进行加热，直至内温度传感器22检测到的温度数据和外温度传感器21相同，控制红外散射式感应单元3开启检测；
步骤三、当透明承接单元33外表面有液体时，入射到透明承接单元33上的光线被部分散射掉，反射后红外光接收单元32接收的光线变少，通过微处理器24将光信号转化为数字信号，与透明承接单元33表面没有液体的情况下输入的电压值的数字信号比较，输出红外散射式感应单元3的检测数据；
步骤四、微处理器24对微型电机51输出动作信号，驱动转动座5正反向各转动360°，并随机采样至少24个不同角度下的光信号，分别与透明承接单元33表面没有液体的情况下的电压值的数字信号比较，得出24组不同的检测数据，并取平均值作为红外散射式感应单元3的实际检测数据。
在本实施例中，实施场景具体为：在转动不同角度使红外散射式感应单元3进行检测时，可以得到液体在多个检测角度上被检测到的概率，通过概率减少误判，有效地避免了液体小而密集时，落在检测区引起的光线接收量变化较小，无法检测到实际数据的问题，其中实际检测数据是通过多组数据共同判别减少误差，较独立的光信号检测结果，能够得到更加精准的数据转化。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种光学感应设备用控制装置，其特征在于：包括壳体(1)，所述壳体(1)中设置有红外散射式感应单元(3)和控制单元，所述红外散射式感应单元(3)包括红外光发射单元(31)、红外光接收单元(32)、透明承接单元(33)和导光元件(34)；
所述控制单元包括控制主板(2)、外温度传感器(21)、内温度传感器(22)和加热器(23)，所述控制主板(2)上设置有微处理器(24)，所述微处理器(24)用于将红外光接收单元(32)接收的光信号转化为数字信号，并对数字信号进行对比识别，所述外温度传感器(21)用于获取壳体(1)外部温度信息，所述内温度传感器(22)用于壳体(1)内部温度信息，所述加热器(23)用于对壳体(1)内部进行加热；
所述微处理器(24)识别到外温度传感器(21)和内温度传感器(22)的温度数据差距后，控制加热器(23)将壳体(1)内部环境温度加热至与外部温度相同的温度；
所述控制单元包括还包括多角度驱动单元，所述多角度驱动单元用于驱动红外光发射单元(31)和红外光接收单元(32)沿中心轴线转动以调整感应角度；
所述多角度驱动单元包括转动座(5)，所述转动座(5)转动设置在壳体(1)中，所述红外光发射单元(31)和红外光接收单元(32)分别固定安装在转动座(5)的两端，所述多角度驱动单元还包括微型电机(51)，所述微型电机(51)安装在控制主板(2)底部，所述转动座(5)安装在微型电机(51)的输出轴上，所述微型电机(51)由微处理器(24)控制启停，并驱动转动座(5)在壳体(1)内部正反向转动；
所述加热器(23)为电加热器，且所述加热器(23)设置为多组，多组所述加热器(23)在壳体(1)内以转动座(5)的转动轴线为中心呈圆周阵列分布；
所述控制单元还包括导热架(52)，所述导热架(52)固定安装在转动座(5)的顶部，所述导热架(52)由多组梯形片结构组成，多组梯形片在转动座(5)顶部呈辐射式分布，且各梯形片为导热薄片结构，该导热薄片结构为铜材质。
2.根据权利要求1所述的一种光学感应设备用控制装置，其特征在于：所述透明承接单元(33)固定安装在壳体(1)上，所述导光元件(34)贴合安装在透明承接单元(33)的内侧面，所述导光元件(34)为圆形结构，且所述导光元件(34)的导光面为环状连续抛物面，所述红外光发射单元(31)和红外光接收单元(32)均位于抛物面的焦点上。
3.根据权利要求2所述的一种光学感应设备用控制装置，其特征在于：所述控制主板(2)固定安装在壳体(1)内，所述外温度传感器(21)固定安装在壳体(1)外部，所述内温度传感器(22)固定安装在转动座(5)上，所述红外散射式感应单元(3)上还设置有接口(4)，所述接口(4)用于安装连接线，并通过连接线建立与计算机系统的数据连接。
4.根据权利要求3所述的一种光学感应设备用控制装置，其特征在于：所述控制单元还包括反馈单元，所述反馈单元包括透明硅光片(35)，所述透明硅光片(35)设于透明承接单元(33)与导光元件(34)之间，所述透明硅光片(35)的内部设置有硅光电池，硅光电池的信号端与微处理器(24)连接。
5.根据权利要求4所述的一种光学感应设备用控制装置，其特征在于：反馈单元还包括外环境光传感器(25)，所述外环境光传感器(25)设置在透明承接单元(33)与壳体(1)之间，且所述外环境光传感器(25)的感光面朝向透明承接单元(33)设置，所述外环境光传感器(25)的信号端与微处理器(24)连接，所述外环境光传感器(25)用于透过透明承接单元(33)检测环境光，并将环境光数据转换为数字信息传输给微处理器(24)进行对比处理。
6.一种如权利要求1所述光学感应设备用控制装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、在透明承接单元(33)表面没有液体时，默认为红外光发射单元(31)发出的光线是平行入射到透明承接单元(33)上，且被最大化的反射回来，通过导光元件(34)汇聚后由红外光接收单元(32)接收，通过微处理器(24)将光信号转化为数字信号，此时数字信号的输入电压最大；
步骤二、当内温度传感器(22)检测到壳体(1)内部温度低于外温度传感器(21)检测的壳体(1)外部的温度时，控制单元控制加热器(23)对壳体(1)内部进行加热，直至内温度传感器(22)检测到的温度数据和外温度传感器(21)相同，控制红外散射式感应单元(3)开启检测；
步骤三、当透明承接单元(33)外表面有液体时，入射到透明承接单元(33)上的光线被部分散射掉，反射后红外光接收单元(32)接收的光线变少，通过微处理器(24)将光信号转化为数字信号，与透明承接单元(33)表面没有液体的情况下输入的电压值的数字信号比较，输出红外散射式感应单元(3)的检测数据；
步骤四、多角度驱动单元驱动红外光发射单元(31)和红外光接收单元(32)沿中心轴线正反向各转动360°，并随机采样至少24个不同角度下的光信号，分别与透明承接单元(33)表面没有液体的情况下的电压值的数字信号比较，得出24组不同的检测数据，并取平均值作为红外散射式感应单元(3)的实际检测数据。
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