CN103969655A - 基于电容放电电压时差精准测量距离装置及方法 - Google Patents

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刘达
唐克良
胡舟燕
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Tang Keliang
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    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
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Abstract

本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置，电容器C充电时，电压测试电路获得电容器C的初始电压V1；控制器控制发射器发射红外光，同时控制电容器C进行放电；当接收器接收到返回的红外光，控制器控制电容器C停止放电，获得电容器C的关断电压V2；计算器计算获得距离。其优点在于利用电容在极短时间内放电后的电压差来计算红外线传播时间，从而实现计算距离的精准测量，应用于阅读、观看屏幕或书籍时，人体与设备之间的距离精准测量。

Description

基于电容放电电压时差精准测量距离装置及方法
技术领域
本发明涉及一种测量距离装置及方法，特别涉及一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置及方法。
背景技术
红外线反射时间测定精准距离的方法，主要是通过红外线发射装置定向发射红外线，并通过计算红外线发射时间与红外线反射并接收到的时间差，来将时间差值转换为距离测量值。红外线测量距离的精度，主要受到传播介质和反射介质两方面的影响。其中反射介质引起的时间延迟，会将测量距离的结果误差达到几米甚至几十米，是影响距离测定的主要因素。目前红外线传播时间计算距离的方法大多数都用于长距离的测量环境因为只有红外线返回的时间变长，引起返回时间变化的因素作用会减少到忽略不计，从而减少由于反射介质导致时间误差的现象。而对于近距离，尤其是小于50CM范围内的红外线测量环境，则没有办法进行精准测量。
传统的热释电传感器测量距离装置及方法都是在被测物体表面不同颜色及反射率时误差巨大，可达50％的误差，如测一个50厘米远的物体，误差可能在20-30厘米。
图1为热释电测量距离结果图。
如图1所示，不同物体反射表面对于热释电传感器测量结果的影响：白色卡的测试距离结果准确度可以达到90％，而黑色卡仅能达到5％，同样无法进行精确测量。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置及方法，以克服上述现有技术的存在缺陷。
本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置，包括电容器C充放电电路、电容器C的电压测试电路、发射器、接收器、控制器和计算器；其中，电容器C充电时，电压测试电路获得电容器C的初始电压V1；控制器控制发射器发射红外光，同时控制电容器C进行放电；当接收器接收到返回的红外光，控制器控制电容器C停止放电，获得电容器C的关断电压V2；
计算器计算红外线飞行时间T公式如下：
T＝ε*V1-V2*C*R
其中，ε为电路补偿系数，R为电容放电电阻；
计算器计算被测物体的距离公式如下：
D＝光速*T/2。
进一步，本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置，还可以具有这样的特征：红外线波长为700-2500纳米。
进一步，本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置，还可以具有这样的特征：电路补偿系数ε为0-1。
进一步，本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置，还可以具有这样的特征：电路补偿系数ε为0.5。
进一步，本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置，还可以具有这样的特征：初始电压V1和关断电压V2范围为0-300V。
另外，本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离的方法，电容器C充电，获得电容器C的初始电压V1；控制器控制发射器发射红外光，同时控制电容器C进行放电；当接收器接收到返回的红外光，控制器控制电容器C停止放电，获得电容器C的关断电压V2；
红外线飞行时间T计算公式如下：
T＝ε*V1-V2*C*R
其中，ε为电路补偿系数，R为电容放电电阻；
被测物体的距离计算公式如下：
D＝光速*T/2。
进一步，本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离的方法，还可以具有这样的特征：红外线波长为700-2500纳米。
进一步，本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离的方法，还可以具有这样的特征：电路补偿系数ε为0-1。
进一步，本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离的方法，还可以具有这样的特征：电路补偿系数ε为0.5。
进一步，本发明提供一种基于电容放电电压时差精准测量距离的方法，还可以具有这样的特征：初始电压V1和关断电压V2范围为0-300V。
发明的有益效果
本发明提出了一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置及方法与其他红外线测距方法的本质区别是：本方法是基于硬件参数返回的数据结果对短距离内光线返回时间差进行计算测量(极短时间内，picosecond)，而其他红外线的测试方法都是基于光线的折返时间进行测量(微秒和毫秒级别)。因此本方法与其他红外线测距相比具有成本低廉，数据精准和可靠的优点。
本发明提出了一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置及方法是利用电容在极短时间内放电后的电压差来计算红外线传播时间，从而实现计算距离的精准测量，应用于阅读、观看屏幕或书籍时，人体与设备之间的距离精准测量，从根本上避免了传统红外线测量方法中，由于红外线在抵达测试人体时出现的漫反射现象以及测量体本身的吸收作用如黑色，棉布，绒布等衣服材质导致的传播时间延长现象，从而实现对测量距离的精准计算。
附图说明
图1为热释电测量距离结果图。
图2为基于电容放电电压时差精准测量距离装置的示意图。
图3为距离误差测试试验结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述。
图2为基于电容放电电压时差精准测量距离装置的示意图。
如图2所示，基于电容放电电压时差精准测量距离装置包括电容器C充放电电路、电压测试电路图中未画出、IR发射器、IR接收器、控制器和计算器图中未画出。
电容充放电电路包括：串联的电容器C、电容放电电阻R、第一开关K1和第二开关K2。
电压测试电路用于电容器C两端的电压值。电容器C充电时，电压测试电路获得电容器C的初始电压V1。
IR发射器放射波长为700-2500纳米的红外光。IR接收器接收被测物反射回来的红外光。
控制器控制第一开关K1和第二开关K2的通断，同时控制IR发射器发射以及获取IR接收器接收到红外线的信号。控制器控制发射器发射红外光，同时控制电容器C进行放电。当接收器接收到返回的红外光，控制器控制电容器C停止放电，电压测试电路获得电容器C的关断电压V2。
计算器计算红外线飞行时间T的公式如下：
T＝ε*V1-V2*C*R
其中，ε为电路补偿系数，范围为0-1，作为优选可以选择0.5。
R为电容放电电阻。
初始电压V1和关断电压V2范围为0-300V，可以选择100V、150V和200V。
计算器计算被测物体的距离公式如下：
D＝光速*T/2。
基于电容放电电压时差精准测量距离的方法如下：
初始状态：第一开关K1断开、第二开关K2闭合，此时电容器C处于充电状态。电压测试电路获取电容器C的充电电压V1。
第一步：控制器控制IR发生器发出红外光，同时控制器控制第一开关K1闭合。电容器C从电压V1开始放电。
第二步：当发射的红外线到达被测物后，反射回来，被IR接收器接收到时，控制器控制第二开关断开。电容器C停止放电，此时电压测试电路获取电容器C的关断电压V2。
第三步：计算器根据公式进行计算获得红外线飞行时间T。然后，计算器再根据公式计算追踪获得被测物体的距离。
本实施例中的第一开关K1和第二开关K2的通断顺序可以对换，即初始状态下第一开关K1闭合、第二开关K2断开。放电状态下第二开关K2闭合，停止放电时断开第一开关K1。当然也可以只设置一个开关实现电容器冲放电的转换。
图3为距离误差测试试验结果图。
如图3所示，本发明提供的基于电容放电电压时差精准测量距离装置在1-50cm的测量区间内，传感器返回距离计算得出的数值误差不超过3mm，实现对测量距离的精准度。对于视力监测行为，避免了测量误差导致视力监测不良的情况发生，提高视力监视的准确率。

Claims (10)

1.一种基于电容放电电压时差精准测量距离装置，其特征在于：包括电容器(C)充放电电路、所述电容器(C)的电压测试电路、发射器、接收器、控制器和计算器；
其中，所述电容器(C)充电时，所述电压测试电路获得所述电容器(C)的初始电压(V1)；
所述控制器控制所述发射器发射红外光，同时控制所述电容器(C)进行放电；
当所述接收器接收到返回的红外光，所述控制器控制所述电容器(C)停止放电，获得所述电容器(C)的关断电压(V2)；
所述计算器计算红外线飞行时间T公式如下：
T＝ε*(V1-V2)*C*R
其中，ε为电路补偿系数，R为电容放电电阻；
所述计算器计算被测物体的距离公式如下：
D＝光速*T/2。
2.根据权利要求1所述的基于电容放电电压时差精准测量距离装置，其特征在于：
其中，所述红外线波长为700-2500纳米。
3.根据权利要求1所述的基于电容放电电压时差精准测量距离装置，其特征在于：
其中，所述电路补偿系数ε为0-1。
4.根据权利要求3所述的基于电容放电电压时差精准测量距离装置，其特征在于：
其中，所述电路补偿系数ε为0.5。
5.根据权利要求1所述的基于电容放电电压时差精准测量距离装置，其特征在于：
其中，所述初始电压(V1)和所述关断电压(V2)范围为0-300V。
6.一种基于电容放电电压时差精准测量距离的方法，其特征在于：
电容器(C)充电，获得所述电容器(C)的初始电压(V1)；
控制器控制发射器发射红外光，同时控制所述电容器(C)进行放电；
当接收器接收到返回的红外光，所述控制器控制所述电容器(C)停止放电，获得所述电容器(C)的关断电压(V2)；
红外线飞行时间T计算公式如下：
T＝ε*(V1-V2)*C*R
其中，ε为电路补偿系数，R为电容放电电阻；
被测物体的距离计算公式如下：
D＝光速*T/2。
7.根据权利要求6所述的基于电容放电电压时差精准测量距离的方法，其特征在于：
其中，所述红外线波长为700-2500纳米。
8.根据权利要求6所述的基于电容放电电压时差精准测量距离的方法，其特征在于：
其中，所述电路补偿系数ε为0-1。
9.根据权利要求8所述的基于电容放电电压时差精准测量距离的方法，其特征在于：
其中，所述电路补偿系数ε为0.5。
10.根据权利要求6所述的基于电容放电电压时差精准测量距离的方法，其特征在于：
其中，所述初始电压(V1)和所述关断电压(V2)范围为0-300V。
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