CN104749988B - 用于物体检测的光电开关 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于物体检测的光电开关，包括：光发射单元，包括配置成发射多路光信号的若干光发射器；光接收单元，包括与所述若干光发射器逐一对应的若干光纤接收器，所述若干光纤接收器配置成接收和汇集所述多路光信号，其中，所述若干光发射器和所述若干光纤接收器之间限定物体检测区域；光电转换单元，连接所述若干光纤接收器并且配置成执行由所述光纤接收器输出的光信号的光电转换以产生电信号；以及，控制和处理单元，连接所述光发射单元和所述光电转换单元并且配置成控制和处理所述光信号和／或所述电信号。

Description

用于物体检测的光电开关
技术领域
本发明涉及安检设备，更具体地涉及安检设备中用于物体检测的光电开关设计。
背景技术
在现有的安检设备中，用于物体检测的光电开关的功能是判断检测区域内是否有物体存在。现有的光电开关通常采用一个光接收管对应一个光发射管的光路方式。因此，当光发射管的数量较多时，光接收管的数量也相应地很多，从而造成开关整体体积较大、设计繁冗。而且，由于各个光接收管之间的器件差异性，会导致各路接收信号的一致性较差，从而影响了后续放大处理电路的性能，进而使整个***的性能下降。
而且，在现有光电开关的算法上，由于光电接收都是二值的(即仅设置了一个固定的阈值，如果超过该阈值则显示状态变化)，但是，在实践中，例如红外光等光线的发射和接收都极易受到太阳光、灯光等环境光的影响。因此在环境恶劣的情况下，容易出现误动作。
此外，在现有的光电开关设计中，多个发射管之间的间距是固定的。因此，不能调节检测的分辨率。
发明内容
本发明的至少一个目的是能够克服现有技术中存在的上述技术缺陷。
本发明的一个目的是提供一种能够将光路汇集在一起进行转换的用于物体检测的光电开关。
本发明的又一个目的是提供一种能够自动更新检测阈值的用于物体检测的光电开关。
本发明的另一个目的是提供一种具有优良的开放性、扩展性和适应性的用于物体检测的光电开关。
因此，根据本发明的一个方面，提供了一种用于物体检测的光电开关，所述光电开关包括：
光发射单元，包括配置成发射多路光信号的若干光发射器；
光接收单元，包括与所述若干光发射器逐一对应的若干光纤接收器，所述若干光纤接收器配置成接收和汇集所述多路光信号，其中，所述若干光发射器和所述若干光纤接收器之间限定物体检测区域；
光电转换单元，连接所述若干光纤接收器并且配置成执行由所述光纤接收器输出的光信号的光电转换以产生电信号；以及
控制和处理单元，连接所述光发射单元和所述光电转换单元并且配置成控制和处理所述光信号和/或所述电信号。
优选地，所述光发射单元还包括光发射驱动板，所述若干光发射器以等间距的方式布置在所述光发射驱动板上；更优选地，所述间距是能够调节的。
根据本发明的一个具体实施例，所述控制和处理单元包括：驱动控制电路，连接所述光发射单元，并且配置成控制所述若干光发射器的启动；放大处理电路，连接所述驱动控制电路，并且配置成放大由光电转换单元输出的电信号；和，微控制器，连接所述放大处理电路，并且配置成执行放大后的电信号的模拟-数字转换和处理、以及产生发送至所述驱动控制电路的驱动信号。
进一步地，所述控制和处理单元还可以包括检波处理电路，该检波处理电路连接在所述放大处理电路和所述微控制器之间，并且配置成对放大后的电信号执行检波处理。
优选地，所述微控制器还可以配置成执行由模拟-数字转换得到的数字值和由检波处理得到的信号值与预先设定的判断阈值之间的比较，以确定是否输出指示存在物体的遮拦状态。
优选地，所述微控制器还可以配置成基于由模拟-数字转换得到的数字值和由检波处理得到的信号值确定是否更新所述判断阈值。
优选地，所述微控制器还可以配置成基于由模拟-数字转换得到的数字值和由检波处理得到的信号值更新所述判断阈值。
优选地，所述驱动信号是脉宽调制信号。
进一步地，所述微控制器还配置成同时执行放大后的电信号的模拟-数字转换和处理以及对放大后的电信号执行检波处理。
优选地，所述光发射器是红外光发射二极管，以及，所述光电转换单元是红外光接收管。
具体地，所述驱动控制电路、所述放大处理电路、所述微控制器和所述检波处理电路设置在控制板上。
根据本发明，在所述光接收单元中，所述若干光纤接收器可以包括用于接收来自对应的光发射器发射的光信号的若干光接收端，以及用于汇集所接收到的多路光信号的单一的光输出端。在一个具体实施例中，所述单一的光输出端可以通过采用光纤融合技术将多个光纤接收器融合成单一的光纤而形成。在另一个具体实施例中，所述单一的光输出端可以是由多个光纤接收器集合而成的一簇光纤体。
本发明至少取得了如下技术效果：
本发明提供的用于物体检测的光电开关，通过采用多路光纤作为光路接收的载体，并且随后所接收的多路光路信号汇集成一个光路接收器中再进行光电转换，从而克服了现有技术中接收器繁冗的缺陷，实现了小体积的光电开关。而且，本发明提供的光电开关，所采用的算法除去了环境光的影响，判据阈值会随着环境的变化而变化，因此不仅能够适应不同的工作环境，而且也提高了稳定性和可靠性。此外，本发明提供的用于物体检测的光电开关，采用了开放式的架构设计，根据具体的应用要求，只要适度增加或者减少光发射器和接收光纤的数量，就能够扩大或者缩小检测区域；进一步地，只要适度减小或者增大光发射管之间的距离，即可提高或者降低检测的分辨率。因此，本发明提供的用于物体检测的光电开关具有优良的开放性、扩展性和适应性。
而且，本发明提供的用于物体检测的光电开关不仅可以应用于现有的安检设备上，并且能够实现可靠稳定的运行。此外，本发明提供的用于物体检测的光电开关能够实现准确检测的对象包括但不限于以下物品：透明塑料瓶、薄纸、钢制品、液体瓶等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面的附图仅仅是示例性地显示本发明的一些实施例，对本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。而且，这些附图也不应理解是对本发明所作出的任何限制。
图1是根据本发明的具体实施例的一种用于物体检测的光电开关的整体架构示意图；
图2是根据本发明的具体实施例的光电开关的工作流程图；
图3是从时间上反应根据本发明的具体实施例的光电开关中的工作流程的示意图；
图4是根据本发明的具体实施例的光电开关中所采用的算法的流程图；
图5是现有技术中所采用的光电开关的架构示意图；和
图6是根据本发明的具体实施例的光电开关的架构示意图。
具体实施方式
需要说明的是，以下实施例仅为对本发明的示例性说明。下面将参考附图并结合具体实施例来详细说明本发明。
一.整体框架
参见附图1-4和6，本发明提供了一种用于确定检测区域S内是否存在物体O的光电开关。参见图1，该光电开关包括光发射单元10、光接收单元20、光电转换单元30、以及控制和处理单元。光发射单元10包括配置成发射多路光信号的若干光发射器10-1,10-2,…,10-N。光接收单元20包括与若干光发射器逐一对应的若干光纤接收器20-1,20-2,…,20-N。物体检测区域S被限定在这些光发射器和这些光纤接收器之间。这些光纤接收器20-1,20-2,…,20-N配置成接收和汇集多路光信号。具体地，光纤接收器20-1,20-2,…,20-N中的每一个的一端被布置成接收来自对应的那个光发射器的光路，而这些光纤接收器20-1,20-2,…,20-N的另一端汇聚在一起，形成单一的光纤接收端。根据本发明，在光接收单元20中，若干光纤接收器20-1,20-2,…,20-N可以包括用于接收来自对应的光发射器10-1,10-2,…,10-N发射的光信号的若干光接收端，以及用于汇集所接收到的多路光信号的单一的光输出端。在一个具体实施例中，单一的光输出端可以通过采用光纤融合技术将多个光纤接收器融合成单一的光纤而形成。在另一个具体实施例中，单一的光输出端可以是由多个光纤接收器集合而成的一簇光纤体。这样，通过这些光纤接收器可以将接收到的光汇集到一起。光电转换单元30连接光纤接收器20-1,20-2,…,20-N的单一的光输出端，并且，光电转换单元30配置成执行由光纤接收器20-1,20-2,…,20-N输出的光信号的光电转换以产生电信号。
参见图1，控制和处理单元连接光发射单元10和光电转换单元30并且配置成控制和处理光信号和/或电信号。如图1所示，控制和处理单元包括：驱动控制电路70、放大处理电路40、微控制器(MCU)50、和检波处理电路60。驱动控制电路70连接光发射单元10，并且放大处理电路40配置成控制若干光发射器10-1,10-2,…,10-N的启动。放大处理电路40连接驱动控制电路70，并且放大处理电路40配置成放大由光电转换单元30输出的电信号。微控制器50连接放大处理电路40，并且微控制器50配置成执行放大后的电信号的模拟-数字转换和处理、以及产生发送至驱动控制电路70以驱动光发射器10-1,10-2,…,10-N的启动的驱动信号。检波处理电路60连接在放大处理电路40和微控制器50之间，并且检波处理电路60配置成对放大后的电信号执行检波处理。
具体地，放大处理电路40将由光电转换单元30输出的微弱电信号进行放大及去噪滤波处理，以输出放大后的模拟信号。一方面，一路放大后的模拟信号被输入至微控制器50中进行模拟数字AD转换，接着由微控制器50对转换后的数字值进行算法处理(可参见下面关于算法流程的描述)。另一方面，另外一路放大后的模拟信号被输入到检波处理电路60中执行检波处理，检波处理电路60通过解调去除载波信号后得到调制信号，并判断该调制信号是否达到预先设定的阈值，然后将所得到的二值结果输入到微控制器50中。微控制器50负责整个光电开关的控制逻辑，并且对放大处理电路40输出的放大后的信号进行AD转换然后执行算法处理、接收检波处理电路60输出的检波状态、产生驱动信号(优选为脉宽调制(PMW)信号)至驱动控制电路70，并且实现光信号发射与接收之间的同步。例如，根据本发明，微控制器50可以配置成执行由模拟-数字转换得到的数字值和由检波处理得到的信号值与预先设定的判断阈值之间的比较，以确定是否输出指示存在物体的遮拦状态。微控制器50还可以配置成基于由模拟-数字转换得到的数字值和由检波处理得到的信号值确定是否更新判断阈值。微控制器50还可以配置成基于由模拟-数字转换得到的数字值和由检波处理得到的信号值更新判断阈值。以及，微控制器还可以配置成同时执行放大后的电信号的模拟-数字转换和处理以及对放大后的电信号执行检波处理。而驱动控制电路70则负责产生点亮光发射器10-1,10-2,…,10-N的控制逻辑。
根据本发明，光发射器10-1,10-2,…,10-N优选是红外光发射二极管，而光电转换单元30优选是红外光接收管。优选地，光发射单元10还包括光发射驱动板11，若干光发射器10-1,10-2,…,10-N以等间距D的方式布置在光发射驱动板上，其中，间距D是能够调节的。优选地，这些光发射器10-1,10-2,…,10-N以线性方式排列，相应地这些光纤接收器20-1,20-2,…,20-N也以线性方式排列。根据本发明，驱动控制电路70、放大处理电路40、微控制器50和检波处理电路60优选地设置在控制板100上。
二.工作流程
参见图2所示，根据本发明的光电开关的工作流程如下。首先，启动光电开关，微控制器(MCU)50执行必要的初始化操作，并且标定预定的阈值。接着，控制驱动电路70驱动第1光发射器(即第1红外光发射二极管)10-1，该光发射器10-1发射光信号，光信号经光路由光纤接收器20-1接收；在光电转换单元(红外光接收管)30处，光信号被转换为电信号。然而，电信号经放大处理电路40放大以输出放大后的模拟信号。此时，一路放大后的模拟信号被输入至微控制器50中进行模拟数字AD转换，另外一路放大后的模拟信号被输入到检波处理电路60中执行检波处理后在进入微控制器50，微控制器50根据所采集的信号的数字值和检波电路得到的信号值，通过执行算法处理，判断从当前红外发射端发射到接收端的光路是否被遮挡的遮挡状态并输出。在完成上述过程后，驱动下一个红外发射管10-2，重复上述驱动点亮、AD采集及数据处理的操作。直至驱动完最后一个红外发射管10-N。接着，停止驱动任何红外发射管，重复AD采集以及数据处理的操作，由此采集到当前环境光的本底信号，因而获得当前环境的状态，判断是否存在物体O。此外，在完成每一个光路的上述操作后，综合所采集的信号的数字值和检波电路得到的信号值，使之与当前设定的阈值进行比较，以确定是否需要重新标定阈值。如果是，则返回执行阈值的标定；如果否，则执行下一个光路的检测。
图3是从时间上反应根据本发明的具体实施例的光电开关中的工作流程的示意图。如图3所示，以时间为序，以预定时间间隔依次驱动第1、第2…第N个红外发射管发射光信号，继而采集环境光信号，周而复始。在驱动例如第1红外发射管的光发射器发射光信号时，经光电转换，一路扩大的电信号由微控制器50执行AD采集，与此同时，另一路扩大的电信号经检波处理电路60执行检波处理。随后，微控制器50综合所采集的信号的数字值和检波电路得到的信号值执行算法处理。
三.算法流程
参见图4，显示了本发明提供的光电开关中所涉及的算法的流程图。经过放大处理电路40的放大处理之后，一路扩大的电信号经微控制器50执行AD数据采集。当被采集的数据数量达到规定值后，对所采集的这些数据进行中值滤波处理，同时，通过停止驱动任何红外发射管而重复AD采集以及数据处理的操作采集到当前环境光的本底信号，并从经中值滤波处理的结果中减去环境光的影响，然后将得到的数据值与设定的阈值进行比较。在微控制器50执行数据采集的同时，另一路扩大的电信号经检波处理电路60执行检波处理，取得调制信号值。接着，综合经由AD数据采集得到的数据值和检波处理得到的信号值，判断是否超过阈值，如果是，则输出遮拦状态；如果否，则再判断是否需要重新标定阈值。在需要重新标定阈值的情况下，由微控制器50执行AD数据采集和中值滤波，并减去环境光的影响；然后判断得到的数据值是否大于给定的常数值，如果是，则将该数据值乘以特定系数因子以得到新的阈值，并且将之前设定的阈值更新为新的阈值；如果否，则不执行阈值的重新标定。
通过上述的算法，本发明提供的光电开关，去除了环境光的影响，判据阈值会随着环境的变化而变化，因此不仅能够适应不同的工作环境，而且也提高了稳定性和可靠性。
四.本发明提供的光电开关的优势
1.光接收处理方式
参见图5，现有的光电开关设计中，通常采用一个发射管对应一个接收管并且每个接收管执行光电转换的方式。也即，将多路光路接收的载体放在光电转换接收器件上，多路光路信号对应着多路电路信号。这样，当发射管数量较多时，相应地，接收管的数量也必须多。然而，由于这些接收管之间的器件差异性，导致各路接收信号之间存在较差的一致性，从而影响了后续放大处理电路的性能，进而使整个***的性能下降。
根据本发明，如图6所示，在不改变发射管设计的前提下，采用多路光纤作为光接收载体，将多路光路信号汇集到一起后再进行光电转换。所以，根据本发明的光电开关设计只需采用一个作为光电转换载体的接收管。因此，可以消除了采用多个接收管的情况下因器件差异性所带来的不利影响，不仅提高了光电开关的性能，并且降低了整体的成本。
2.可扩张的架构
根据本发明，光电开关的架构是开放的。也就是说，根据具体的应用要求，如果需要扩大或者缩小检测区域，只要相应的增加或者减少红外发射管和接收光纤的个数N即可实现。并且，如果需要提高或者降低检测的分辨率，只要减小或者增大红外发射管之间的间距D即可实现。因此，本发明提供的光电开关在架构上具有优良的开放性、扩展性和适应性。
3.体积优势
在现有的光电开关中，由于采用了多个发射管对应多个接收管的方式，整个光电开关的部件较多，体积较大，因而不适合于对体积要求高及对空间敏感的应用场合。
根据本发明提供的光电开关，采用多路光信号汇合到一个接收管的结构，极大地缩小了光电开关所占用的空间体积，使之能够满足小型设备或者空间狭窄场合的应用需求。
4.自适应处理算法
在现有的光电开关中，所有光电接收的运算都是二值的。即预先设置一个固定的阈值，一旦超过该阈值则显示遮拦状态变化。但是，在实践应用中，由于红外光的发射和接收都极易受到太阳光、灯光等环境光的影响，因此在环境恶劣时，易出现误动作。
根据本发明提供的光电开关，在处理算法上，既采用了检波处理电路执行接收到的信号的二值判断，又采用了微控制器对接收到的信号执行AD采集及数据处理，并且通过特定的算法自适应跟踪当前的光环境，然后结合二路信号通路的处理结果来判断光路遮挡情况，实现了去除环境光的影响。而且，判据阈值会随着环境的变化而变化，从而能够适应不同的工作环境，稳定性和可靠性也得以提高。
五.本发明提供的光电开关的应用范围
本发明提供的用于物体检测的光电开关不仅可以应用于现有的安检设备上，并且能够实现可靠稳定的运行。并且，本发明提供的用于物体检测的光电开关能够实现准确检测的对象包括但不限于以下物品：透明塑料瓶、薄纸、钢制品、液体瓶等。
可以理解，上述描述的实施例仅用于描述而非限制本发明，本领域技术人员可以理解，可以对本发明进行修改和变形，只要不偏离本发明的精神和范围。上述的修改和变形被认为是本发明和所附权利要求的范围。本发明的保护范围由所附的权利要求所限定。此外，权利要求中的任何附图标记不应被理解为对本发明的限制。动词“包括”和其变形不排除出现权利要求中声明以外的其他的元件或步骤。在元件或步骤之前的不定冠词“一”不排除出现多个这样的元件或步骤。

Claims (14)

1.一种用于物体(O)检测的光电开关，包括：
光发射单元(10)，包括配置成发射多路光信号的若干光发射器(10-1,10-2,…,10-N)；
光接收单元(20)，包括与所述若干光发射器逐一对应的若干光纤接收器(20-1,20-2,…,20-N)，所述若干光纤接收器配置成接收和汇集所述多路光信号，其中，所述若干光发射器和所述若干光纤接收器之间限定物体检测区域(S)；
光电转换单元(30)，连接所述若干光纤接收器并且配置成执行由所述光纤接收器输出的光信号的光电转换以产生电信号；以及
控制和处理单元，连接所述光发射单元和所述光电转换单元并且配置成控制和处理所述光信号和/或所述电信号。
2.如权利要求1所述的光电开关，其中，
所述光发射单元还包括光发射驱动板(11)，所述若干光发射器以等间距(D)的方式布置在所述光发射驱动板上；
其中，所述间距(D)是能够调节的。
3.如权利要求1所述的光电开关，其中，
所述控制和处理单元包括：
驱动控制电路(70)，连接所述光发射单元，并且配置成控制所述若干光发射器的启动；
放大处理电路(40)，连接所述驱动控制电路，并且配置成放大由光电转换单元输出的电信号；和
微控制器(50)，连接所述放大处理电路，并且配置成执行放大后的电信号的模拟-数字转换和处理、以及产生发送至所述驱动控制电路的驱动信号。
4.如权利要求3所述的光电开关，其中，
所述控制和处理单元还包括：
检波处理电路(60)，连接在所述放大处理电路和所述微控制器之间，并且配置成对放大后的电信号执行检波处理。
5.如权利要求4所述的光电开关，其中，
所述微控制器还配置成执行由模拟-数字转换得到的数字值和由检波处理得到的信号值与预先设定的判断阈值之间的比较，以确定是否输出指示存在物体的遮拦状态。
6.如权利要求5所述的光电开关，其中，
所述微控制器还配置成基于由模拟-数字转换得到的数字值和由检波处理得到的信号值确定是否更新所述判断阈值。
7.如权利要求6所述的光电开关，其中，
所述微控制器还配置成基于由模拟-数字转换得到的数字值和由检波处理得到的信号值更新所述判断阈值。
8.如权利要求3所述的光电开关，其中，
所述驱动信号是脉宽调制信号。
9.如权利要求4所述的光电开关，其中，
所述微控制器还配置成同时执行放大后的电信号的模拟-数字转换和处理以及对放大后的电信号执行检波处理。
10.如权利要求1所述的光电开关，其中，
所述光发射器是红外光发射二极管，以及，所述光电转换单元是红外光接收管。
11.如权利要求4所述的光电开关，其中，
所述驱动控制电路(70)、所述放大处理电路(40)、所述微控制器(50)和所述检波处理电路(60)设置在控制板(100)上。
12.如权利要求1所述的光电开关，其中，
在所述光接收单元中，所述若干光纤接收器包括用于接收来自对应的光发射器发射的光信号的若干光接收端，以及用于汇集所接收到的多路光信号的单一的光输出端。
13.如权利要求12所述的光电开关，其中，
所述单一的光输出端通过采用光纤融合技术将多个光纤接收器融合成单一的光纤而形成。
14.如权利要求12所述的光电开关，其中，
所述单一的光输出端是由多个光纤接收器集合而成的一簇光纤体。
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