CN204882606U - 一种传感器 - Google Patents

Abstract

一种传感器，包括安装基座、红外发射器和多个红外接收器；红外发射器包括用于发射红外光的红外发光器件，红外接收器包括用于接收红外光的光敏元件，红外发光器件和各光敏元件均设于安装基座上，各光敏元件处在安装基座的不同位置。本实用新型结构简单紧凑，制造成本低，且能够准确地对物体进行感测，并将感测获得的信号输出至控制电路，作为控制电路判断物体的移动方向或所在方位的依据。控制电路判断物体的移动方向所在方位之后，可根据具体应用场合，形成相应的控制信号，并将其输出至执行机构，实现相应的动作控制。本实用新型结合控制电路和执行机构，可广泛应用在日常生活、生产的领域，例如对玩具、电器设备、机械设备等进行控制。

Description

一种传感器

技术领域

本实用新型涉及感测技术领域，具体涉及一种传感器。

背景技术

现有的用于感测物体例如感测物体移动方向的设备，大多为大型设备，其结构复杂、造价高，不适合应用在日常生活、生产的领域。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种传感器，这种传感器结构简单紧凑，制造成本较低，且能够准确地对物体进行感测，感测获得的信号可作为控制电路判断物体的移动方向或所在方位的依据。采用的技术方案如下：

一种传感器，其特征在于包括安装基座、红外发射器和多个红外接收器；红外发射器包括用于发射红外光的红外发光器件，红外接收器包括用于接收红外光的光敏元件，红外发光器件和各光敏元件均设于安装基座上，各光敏元件处在安装基座的不同位置。

本实用新型与控制电路结合，可实现物体的移动方向或所在方位的判断。传感器中各红外接收器分别与控制电路相应的输入端连接；红外发光器件发射红外光，红外发光器件发射的红外光遇到物体后被反射回来，光敏元件接收到被反射回来的红外光后其所在的红外接收器输出信号至控制电路；控制电路根据来自各红外接收器的信号，判断物体的移动方向或所在方位。控制电路在判断物体的移动方向或所在方位之后，可形成相应的控制信号并将其输出至执行机构；根据不同的应用场合，执行机构可以是电动机（如用于驱动玩具进行前进、后退、转向的电动机）、继电器（如用于控制电路通断的继电器）、电磁阀（如用于控制气缸进出气的电磁阀）等。

通常，红外发射器持续发射红外光，当有物体进入红外光的照射区域时，红外光被物体反射回来。当某一光敏元件正对物体时，该光敏元件能够接收到由该物体反射回来的红外光；相反，当某一光敏元件与物体位置相互错开一定距离时，该光敏元件不能接收到由该物体反射回来的红外光。

平常状态下，即在没有物体进入红外光的照射区域的情况下，传感器中所有光敏元件都不能接收到红外光，此时各红外接收器输出至控制电路的信号没有发生变化（例如一直输出低电平信号至控制电路）。当有物体进入红外光的照射区域时，某些光敏元件（全部光敏元件，或一部分光敏元件）能够接收到红外光，此时这些光敏元件的工作状态（如电流、电阻、电压等参数的大小）发生变化，这样，这些光敏元件所在的红外接收器输出至控制电路的信号也相应地发生变化（例如输出高电平信号至控制电路）。控制电路基于各红外接收器输出至控制电路的信号是否发生变化以及变化的情况，可判断物体的移动方向。

上述控制电路判断物体的移动方向的方式可为：（1）根据处在安装基座不同位置上的各光敏元件的信号变化的先后次序，判断沿与红外发射器所发射的红外光的传播方向相交的方向移动的物体的移动方向；和/或（2）根据某些光敏元件所在的红外接收器输出至控制电路的信号强度的变化以及这些光敏元件在安装基座上的位置，判断沿红外发射器所发射的红外光的传播方向移动的物体的移动方向。将上述两种判断方式结合在一起，可实现在左右、前后、上下等方向上移动的物体的移动方向的感测。进一步，控制电路还可根据不同位置的各光敏元件的信号变化的时间差，或者光敏元件所在的红外接收器输出至控制电路的信号强度的变化速率，来判断物体的移动方向及移动速度。

通常，各光敏元件的受光方向与红外发光器件的出光方向相一致。优选方案中，上述安装基座上设有红外光出射通道和多个红外光入射通道，红外光入射通道与光敏元件数量相同且一一对应，红外发光器件处在红外光出射通道一端，光敏元件处在红外光入射通道一端，红外光出射通道另一端及各红外光入射通道另一端均开口于安装基座的同一侧面上。更优选上述红外光出射通道和各红外光入射通道均为直线形且相互平行。通过设置红外光出射通道和红外光入射通道，一方面可更好地避免环境光的干扰，另一方面使光敏元件主要接收沿红外光入射通道直射的红外光，可提高方向判断的准确度。

一种具体方案中，上述传感器包括有一个红外发射器和四个红外接收器，安装基座上设有一个红外光出射通道和四个红外光入射通道；红外光出射通道设于安装基座的中心部位，四个红外光入射通道环绕在红外光出射通道四周。更优选在安装基座的横截面上，四个红外光入射通道均匀分布在一以红外光出射通道为圆心的圆上，也就是说四个红外光入射通道分别位于一正方形的四个角上。

优选上述红外发光器件发射的红外光为锥形光束。

为了更好地避免环境光的干扰，优选上述红外发射器还包括单片机和红外发光器件驱动电路，单片机进行编码并输出含识别码的信号至红外发光器件驱动电路，驱动红外发光器件发射含识别码的红外光。控制电路对来自红外接收器的信号进行译码后，将译码获得的识别码与控制电路中存储的识别码进行比较，如果译码获得的识别码与控制电路中存储的识别码相同，则判断识别码相匹配，接收到的信号为有效信号。

上述红外发光器件通常采用红外发光二极管。上述光敏元件通常采用红外接收二极管。

一种具体方案中，上述红外发射器包括单片机、红外发光器件驱动电路和所述红外发光器件，所述红外发光器件为红外发光二极管；红外发光器件驱动电路包括限流电阻和NPN型三极管，限流电阻一端连接单片机相应的输出端，限流电阻另一端连接NPN型三极管的基极，红外发光二极管的阳极连接电源正极，红外发光二极管的阴极连接NPN型三极管的集电极，NPN型三极管的发射极接地。单片机输出信号至红外发光器件驱动电路，驱动红外发光二极管发射红外光。

一种具体方案中，上述红外接收器包括所述光敏元件、负载电阻和放大器，所述光敏元件为红外接收二极管；红外接收二极管的阴极连接电源正极，红外接收二极管的阳极连接负载电阻一端及放大器的输入端，负载电阻另一端接地，放大器的输出端与控制电路相应的输入端连接。上述红外接收器中，红外接收二极管工作时加上反向电压。当无光照时，相当于红外接收二极管截止。当有光照射时，在反向电压作用下，反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载电阻时，在负载电阻两端将得到随入射光变化的电压信号。

本实用新型结构简单紧凑，制造成本低，且能够准确地对物体进行感测，并将感测获得的信号输出至控制电路，作为控制电路判断物体的移动方向或所在方位的依据。控制电路判断物体的移动方向所在方位之后，可根据具体应用场合，形成相应的控制信号，并将其输出至执行机构，实现相应的动作控制。本实用新型结合控制电路和执行机构，可广泛应用在日常生活、生产的领域，例如对玩具、电器设备、机械设备等进行控制。

附图说明

图1是本实用新型优选实施例的结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本实用新型优选实施例中红外发射器的电路原理图；

图4是本实用新型优选实施例中红外接收器的电路原理图；

图5是含有本实用新型优选实施例的传感器的物体移动方向感测装置的电路原理框图。

具体实施方式

如图1和图2所示，这种传感器包括安装基座2、红外发射器3和多个红外接收器4；红外发射器3包括用于发射红外光的红外发光器件31，红外接收器4包括用于接收红外光的光敏元件41，红外发光器件31和各光敏元件41均设于安装基座2上，各光敏元件41处在安装基座2的不同位置。

本实施例的传感器包括有一个红外发射器3和四个红外接收器4，安装基座2上设有一个红外光出射通道21和四个红外光入射通道22，红外光出射通道21和各红外光入射通道22均为直线形且相互平行；红外光入射通道22与光敏元件41一一对应，红外发光器件31处在红外光出射通道21一端，光敏元件41处在红外光入射通道22一端，红外光出射通道21另一端及各红外光入射通道22另一端均开口于安装基座2同一侧的表面上（本实施例的安装基座2为长方体，红外光出射通道21和各红外光入射通道22均垂直于安装基座2上表面，红外光出射通道21上端及各红外光入射通道22上端均开口于安装基座2上表面；红外光出射通道21下端连通一红外发光器件容置腔23，红外发光器件31处在红外发光器件容置腔23中；各红外光入射通道22分别连通一光敏元件容置腔24，各光敏元件41分别处在对应的光敏元件容置腔24中）。红外光出射通道21设于安装基座2的中心部位，四个红外光入射通道22环绕在红外光出射通道21四周。在安装基座2的横截面上，四个红外光入射通道22均匀分布在一以红外光出射通道21为圆心的圆上，也就是说四个红外光入射通道22分别位于一正方形的四个角上。这种情况下，各光敏元件41的受光方向与红外发光器件31的出光方向相一致。

参考图3，本实施例中，红外发射器3包括单片机32、红外发光器件驱动电路和红外发光器件31，红外发光器件31为红外发光二极管；红外发光器件驱动电路包括限流电阻33和NPN型三极管34，限流电阻33一端连接单片机32相应的输出端，限流电阻33另一端连接NPN型三极管34的基极，红外发光二极管（红外发光器件31）的阳极连接电源正极，红外发光二极管（红外发光器件31）的阴极连接NPN型三极管34的集电极，NPN型三极管34的发射极接地。单片机32输出信号至红外发光器件驱动电路，驱动红外发光二极管（红外发光器件31）发射红外光。红外发光器件31发射的红外光为锥形光束。

参考图4，本实施例中，红外接收器4包括光敏元件41、负载电阻42和放大器43，光敏元件41为红外接收二极管；红外接收二极管（光敏元件41）的阴极连接电源正极，红外接收二极管（光敏元件41）的阳极连接负载电阻42一端及放大器43的输入端，负载电阻42另一端接地，放大器43的输出端与控制电路1相应的输入端连接。上述红外接收器4中，红外接收二极管（光敏元件41）工作时加上反向电压。当无光照时，相当于红外接收二极管截止，放大器43的输入端为低电平（相当于接地），放大器43输出低电平信号至控制电路1。当有光照射时，在反向电压作用下，红外接收二极管（光敏元件41）反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化。光电流通过负载电阻42时，在负载电阻42两端将得到随入射光强度的变化而变化的电压信号，放大器43的输入端也获得随入射光强度的变化而变化的电压信号，这样，放大器43输出高电平信号（该高电平信号的强度同样随入射光强度的变化而变化）至控制电路1。

为了更好地避免环境光的干扰，单片机32进行编码并输出含识别码的信号至红外发光器件驱动电路，驱动红外发光器件31发射含识别码的红外光；相应的，控制电路1对来自红外接收器4的信号进行译码后，将译码获得的识别码与控制电路1中存储的识别码进行比较，如果译码获得的识别码与控制电路1中存储的识别码相同，则判断识别码相匹配，接收到的信号为有效信号。

上述单片机32、红外发光器件驱动电路、负载电阻42和放大器43等可集中安装在一电路板上，再将该电路板与安装基座2固定在一起。

本传感器与控制电路结合，可构成物体移动方向感测装置，实现物体的移动方向的判断，参考图5，传感器中各红外接收器分别与控制电路相应的输入端连接；红外发光器件发射红外光，红外发光器件发射的红外光遇到物体后被反射回来，光敏元件接收到被反射回来的红外光后其所在的红外接收器输出信号至控制电路；控制电路根据来自各红外接收器的信号，判断物体的移动方向或所在方位。

红外发射器3持续发射红外光，当有物体进入红外光的照射区域时，红外光被物体反射回来。当某一光敏元件41正对物体时，该光敏元件41能够接收到由该物体反射回来的红外光；相反，当某一光敏元件41与物体位置相互错开一定距离时，该光敏元件41不能接收到由该物体反射回来的红外光。

平常状态下，即在没有物体进入红外光的照射区域的情况下，所有光敏元件41都不能接收到红外光，此时各红外接收器4输出至控制电路1的信号没有发生变化（即一直输出低电平信号至控制电路1）。

当有物体进入红外光的照射区域时，某些光敏元件41能够接收到红外光，此时这些光敏元件41的工作状态发生变化（红外接收二极管反向饱和漏电流大大增加，形成光电流，该光电流随入射光强度的变化而相应变化），这样，这些光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号也相应地发生变化（即输出高电平信号至控制电路1，且信号的电平大小随入射光强度的变化而相应变化）。控制电路1基于各红外接收器4输出至控制电路1的信号是否发生变化以及变化的情况，判断物体的移动方向。

控制电路1判断物体的移动方向的一种方式为：根据处在安装基座2不同位置上的各光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号变化的先后次序，判断沿与红外发射器3所发射的红外光的传播方向相交的方向移动的物体的移动方向。各光敏元件41的工作状态变化的先后次序，与各光敏元件41所在的红外接收器4的输出信号变化的先后次序是相同的。

这种情况下，各光敏元件41分别经历“无入射光→有入射光→无入射光”的状态变化过程，各光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号变化情况是一致的，只是输出信号发生变化的时间先后不同。例如，在有物体沿与红外发射器3所发射的红外光的传播方向相交的方向移动的情况下（物体的移动方向垂直或大致垂直于红外发射器3所发射的红外光的传播方向），当物体从某光敏元件41前方经过时，该光敏元件41在一定时间内能够接收到由物体反射回来的红外光，随后又恢复至不能接收到红外光的状态，该光敏元件41所在的红外接收器4可输出一个一定宽度的脉冲信号至控制电路1，这样，各红外接收器4先后输出一脉冲信号至控制电路1。

控制电路1中设置有查找表，设定各光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号变化次序与移动方向之间的对应关系，一种信号变化次序对应唯一一个移动方向。控制电路1接收各光敏元件41所在的红外接收器4输出的信号后，记录各光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号变化的先后次序，并与查找表中设定的信号变化次序进行比较。如果记录的各光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号变化的先后次序与查找表中的某个信号变化次序相匹配，则以查找表中该信号变化次序所对应的移动方向，判断为物体的移动方向。如果记录的各光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号变化的先后次序，与查找表中的所有信号变化次序都不能相匹配（这意味着本物体移动方向感测装置无法感测到该物体的移动方向，如果控制电路连接有执行机构对被控对象进行控制，并以手势（手的移动方向）进行控制，则该手势属无效手势），则清除所记录各光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号变化的先后次序，并重新进行感测。

例如，当物体沿图4中箭头所示方向移动时（即自左至右从安装基座2上方经过，且垂直于红外发射器3所发射的红外光的传播方向），各光敏元件41分别经历“无入射光→有入射光→无入射光”的状态变化过程，其中光敏元件41－1、41－2先经历这一状态变化过程，光敏元件41－3、41－4后经历这一状态变化过程，这样，光敏元件41－1、41－2所在的红外接收器4－1、4－2先输出一脉冲信号至控制电路1，随后光敏元件41－3、41－4所在的红外接收器4－3、4－4输出一脉冲信号至控制电路1，控制电路1接收各信号并记录该信号变化的先后次序。如果在控制电路1的查找表中已设定“光敏元件41－1、41－2所在的红外接收器4－1、4－2先有脉冲信号，光敏元件41－3、41－4所在的红外接收器4－3、4－4后有脉冲信号”的信号变化次序对应于“物体自左至右移动”的移动方向，则控制电路1将所记录的该信号变化的先后次序与查找表中设定的信号变化次序进行比较后，两者相匹配，则判断物体自左至右移动。

控制电路1判断物体的移动方向的另一种方式为：根据某些光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号强度的变化以及这些光敏元件41在安装基座2上的位置，判断沿红外发射器3所发射的红外光的传播方向移动的物体的移动方向。当某一光敏元件41前方有一物体沿红外发射器3所发射的红外光的传播方向与该光敏元件41相对移动时，该光敏元件41能够持续接收到由物体反射回来的红外光，并且随着物体与安装基座2之间的距离的变化，该光敏元件41接收到的红外光的强度（即入射光强度）相应地发生变化，这样，该光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号的电平大小（即信号强度）也相应地发生变化。

控制电路1中设置有查找表，设定各光敏元件41所在的红外接收器4输出的信号强度变化情形与移动方向之间的对应关系，一种信号强度的变化情形对应唯一一个移动方向。控制电路1接收各光敏元件41所在的红外接收器4输出的信号后，记录光敏元件41所在的红外接收器4的输出信号强度的变化，并与查找表中设定的信号强度变化情形进行比较。如果记录的红外接收器4的输出信号强度的变化与查找表中的某个信号强度变化情形相匹配，则以查找表中该信号强度变化情形所对应的移动方向，判断为物体的移动方向。如果记录的红外接收器4的输出信号强度的变化，与查找表中的所有信号强度变化情形都不能相匹配（这意味着本物体移动方向感测装置无法感测到该物体的移动方向，如果控制电路连接有执行机构对被控对象进行控制，并以手势（手的移动方向）进行控制，则该手势属无效手势），则清除所记录的红外接收器的输出信号强度的变化，并重新进行感测。

例如，当物体在安装基座2上方沿红外发射器3所发射的红外光的传播方向逐渐向安装基座2靠近时，靠近到某一距离，则各光敏元件41－1、41－2、41－3、41－4都能够接收到由物体反射回来的红外光，各红外接收器4－1、4－2、4－3、4－4均输出高电平信号至控制电路1，而且，红外接收器4输出至控制电路1的信号的电平逐渐增大，控制电路1接收各信号并记录其信号强度变化。如果在控制电路1的查找表中已设定“各红外接收器4的电平信号均逐渐增大”的信号强度变化情形对应于“物体沿红外发射器所发射的红外光的传播方向逐渐靠近安装基座”的移动方向，则控制电路1将所记录的该信号强度变化与查找表中设定的信号强度变化情形进行比较后，两者相匹配，则判断物体逐渐靠近安装基座2。

将上述两种判断方式结合在一起（控制电路中设置有查找表，设定各光敏元件所在的红外接收器输出至控制电路的信号变化次序、以及各光敏元件所在的红外接收器输出的信号强度变化情形，与移动方向之间的对应关系），可实现在左右、前后、上下等方向上移动的物体的移动方向的感测。如果记录的各光敏元件所在的红外接收器输出至控制电路的信号变化的先后次序及红外接收器的输出信号强度的变化，与查找表中的所有信号变化次序及信号强度变化情形都不能相匹配（这意味着本物体移动方向感测装置无法感测到该物体的移动方向，如果控制电路连接有执行机构对被控对象进行控制，并以手势（手的移动方向）进行控制，则该手势属无效手势），则清除所记录各光敏元件所在的红外接收器输出至控制电路的信号变化的先后次序或红外接收器的输出信号强度的变化，并重新进行感测。

进一步，控制电路1还可根据不同位置的各光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号变化的时间差，或者光敏元件41所在的红外接收器4输出至控制电路1的信号强度的变化速率，来判断物体的移动方向及移动速度。

上述控制电路在判断物体的移动方向之后，可形成相应的控制信号并将其输出至执行机构。上述控制信号与物体的移动方向相对应，也就是说每个移动方向都对应一个控制信号。根据不同的应用场合，执行机构可以是电动机（如用于驱动玩具进行前进、后退、转向的电动机）、继电器（如用于控制电源通断的继电器）、电磁阀（如用于控制气缸进出气的电磁阀）等。

Claims (7)

1.一种传感器，其特征在于包括安装基座、红外发射器和多个红外接收器；红外发射器包括用于发射红外光的红外发光器件，红外接收器包括用于接收红外光的光敏元件，红外发光器件和各光敏元件均设于安装基座上，各光敏元件处在安装基座的不同位置。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征是：所述安装基座上设有红外光出射通道和多个红外光入射通道，红外光入射通道与光敏元件数量相同且一一对应，红外发光器件处在红外光出射通道一端，光敏元件处在红外光入射通道一端，红外光出射通道另一端及各红外光入射通道另一端均开口于安装基座的同一侧面上。

3.根据权利要求2所述的传感器，其特征是：所述红外光出射通道和各红外光入射通道均为直线形且相互平行。

4.根据权利要求2所述的传感器，其特征是：所述传感器包括有一个红外发射器和四个红外接收器，安装基座上设有一个红外光出射通道和四个红外光入射通道；红外光出射通道设于安装基座的中心部位，四个红外光入射通道环绕在红外光出射通道四周。

5.根据权利要求4所述的传感器，其特征是：在安装基座的横截面上，四个红外光入射通道均匀分布在一以红外光出射通道为圆心的圆上。

6.根据权利要求1－5任一项所述的传感器，其特征是：所述红外发射器包括单片机、红外发光器件驱动电路和所述红外发光器件，所述红外发光器件为红外发光二极管；红外发光器件驱动电路包括限流电阻和NPN型三极管，限流电阻一端连接单片机相应的输出端，限流电阻另一端连接NPN型三极管的基极，红外发光二极管的阳极连接电源正极，红外发光二极管的阴极连接NPN型三极管的集电极，NPN型三极管的发射极接地。

7.根据权利要求1－5任一项所述的传感器，其特征是：所述红外接收器包括所述光敏元件、负载电阻和放大器，所述光敏元件为红外接收二极管；红外接收二极管的阴极连接电源正极，红外接收二极管的阳极连接负载电阻一端及放大器的输入端，负载电阻另一端接地，放大器的输出端与控制电路相应的输入端连接。