当您设计微型光学开关时，反射式传感器是您最好的朋友。它们以优雅直观的方式简化了人与机器之间的交互。这些传感器通常隐藏在红外(IR)透射盖后面，当手指或其他物体触摸盖的表面时就会立即启动。
光学传感器或反射式传感器简化了按钮的设计过程，使按钮感觉直观、智能且操作可靠。该机制既简单又高效：
这些传感器的工作方式是隐形的，没有移动部件或摩擦，而且几乎没有磨损。此外，光学传感器可以进行调整和微调，以解决盖子表面的湿气、水、污垢和划痕。戴上手套后，它们的性能同样有效。
请记住，就像集成到应用中的任何传感器一样，需要考虑一些关键的挑战，以确保一切按计划运行。对于光学传感器来说，它们主要是应用外壳内的环境和机械障碍。
假设您想要在检测器位置处理由阳光和典型光源等外部干扰引起的环境噪声。现在来考虑一下由周围孔径、污垢、水、湿气或盖子表面划痕的反射产生的偏移电流。该偏移电流会叠加在接近信号上，从而使输出信号的总幅度增加。
如果在设计阶段不解决这些因素，噪声信号的强度可能会增加到超过设定阈值的程度，从而导致错误检测。为了防止这种情况发生，设计传感器时应尽量减少这些环境影响，从而保持健康的信噪比。
为了美观，传感器通常都隐藏在红外传输盖下，或者光学传感器的观察孔尺寸可能需要保持在最小。
另外，为了给紧密排列的多个按钮腾出空间，传感器应占据尽可能小的空间。这种情况一方面对传感器的封装尺寸产生了严格的机械限制，另一方面对发射角/观测角特性提出了严格的要求。
现在我们已经了解到设计带有反射式传感器的光学开关所涉及的环境和机械挑战。下面就来深入研究一下三个特定的用例。
光学传感器按钮尺寸紧凑，可以安装在汽车的任何地方。然而，为了应对车辆的多变条件，必须提供高标准的可靠性。还需要考虑温度波动和阳光影响等因素。
传感器可以通过优化的孔径得到保护并正确定向，以使其免受破坏性阳光的影响。此外，传感器封装的设计可以消除所有麻烦的光波长。这意味着传感器仅响应发射器波长范围内的光，已经滤除大部分环境噪声。
可以在检测器处使用直流光抑制电路和高通滤波器进一步改善传感器，如图1所示。这种布置可确保仅检测和放大脉冲发射器信号。
图1：检测器上的直流光抑制电路和高通滤波器。(图片来源：Vishay Intertechnology)
当您的设计需要在有限的空间内实现多个按钮时，具有发射器的传感器就非常适合——利用垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的发射器具有高辐射强度和强大的光学输出。
VCSEL的窄发射角大大减少了由盖子引起的偏移，从而使传感器特别适合在透明材料下运行。此外，传感器的辐射方向图和紧凑的尺寸使其可实现极其紧密的并排放置——事实上，其紧密程度甚至可使手指的宽度成为限制因素。由于VCSEL的辐射方向图，可以找到盖子仅产生最小偏移的最佳位置。这个最佳点最好根据距离曲线来确定。
图2中的距离曲线展示了传感器的相对输出信号与镜子或盖玻片距离的关系。信号在大约2mm的距离内保持足够低。这表明，如上所述，理想情况下，盖玻片应保持在此范围内，最大距离为2mm，以将偏移保持在最低限度，从而提高信噪比。
图2：此距离曲线显示了传感器的相对输出信号与镜子或盖玻片距离的关系。(图片来源：Vishay Intertechnology)
假设您的目标是设计一个鲁棒且适合恶劣工业或医疗应用的按钮。光学按钮可以简化清洁工作，因为其光滑的表面没有可供污垢渗透的缝隙。然而，重要的是传感器不会被液体或污垢触发。相反，即使手指位置不精确并且没有直接位于传感器上方，它也应该记录按压操作。
由于红外发射器的发射角较宽，光学按钮对盖子表面污染物的敏感度将会降低。这种广泛的发射可以让辐射功率分布在更大的区域。此外，这种更宽的发射有助于检测未直接放在传感器上方的手指。重要的是，此类环境中经常使用的手套不会造成问题，而是同样容易被传感器检测到。
图3：简化的按钮设计应用。(图片来源：Vishay Intertechnology)
图3所示的模型展示了满足这些标准的按钮设计的简化现实应用。该传感器在2mm厚的红外透射聚碳酸酯盖下工作，并且其顶部距离该盖3mm。孔径设计得足够大，适合传感器的宽发射角，以最大限度地减少偏移噪声。
为了使其对阳光不敏感，它采用了图1所示的电路拓扑。发射器的脉冲频率为5kHz。这里还设计了一个额外的高通滤波器，其截止频率设置为低于该频率，而用于有效抑制50Hz典型电源的嗡嗡声。
输出信号可以直接连接到模数转换器进行进一步处理。校准例程可以让传感器忽略孔径引起的偏移。这带来了极其鲁棒的设计，从而能够高度抵抗外部因素导致的误触发。
（原文刊登于EDN姊妹网站Electronic Products，参考链接：Reflective sensors simplify optical switch designs，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年12月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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