一种基于黑体传热的热释电隔空交互装置的制作方法

1.本实用新型涉及非接触交互技术领域，具体涉及一种基于黑体传热的热释电隔空交互装置。


背景技术：

2.随着人工智能的发展和需要，隔空交互装置的研究成为热门。隔空交互装置不仅可以实现隔空的手势操作，而且相比传统的接触交互装置，减少了细菌的接触传播以及长期接触导致的硬件疲劳与损坏，增加了使用寿命。目前的隔空交互技术主要有以下几种：计算机视觉、电容式、红外主动测距式、热释电式。
3.计算机视觉隔空交互装置在实现对视频的动作识别上取得了较好的效果，可以检测平行于交互界面方向的动作，但是不能识别垂直于交互界面方向上的动作，如手指的靠近行为。
4.电容式隔空交互装置基于介电常数改变引发的电容变化来识别物体的存在，由于手指引发的介电常数改变较微小，大多需要手指距离交互界面约在5mm以内才能检测到变化，这给交互带来了诸多不便，且由于距离太近，使得这样的交互与接触交互装置无明显差异。
5.红外主动测距式隔空交互装置通过发射和接收红外线，检测时间差来计算对应位置实现隔空交互，其在原理上虽可行，但任何物体都可截断红外线触发传感器，而且当手靠近交互界面时会触发多个传感器，这些都可能导致误触。
6.热释电式隔空交互装置基于热释电效应，通过温度的变化引发的热释电晶体电极化触发传感器。由于热释电传感器对环境温度极为敏感，易受到热源、光源、辐射等的干扰，导致误触发，且其只对平行于热释电传感器探头的温度变化敏感。因此热释电传感器使用场景局限于感应灯、感应门等对精确度要求不高的感应装置，未能应用在需要精确触发的隔空交互装置中。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本实用新型提供了一种基于黑体传热的热释电隔空交互装置，借鉴了物理中黑体的概念，设计了一种黑体式传感腔体，一个以上黑体式传感腔体组成整个装置，每个腔体中设置一个热释电传感器，从硬件设计上规避了热释电传感器本身对环境温度极为敏感的缺点。腔体结构设计上利用了传热原理，在热释电传感器探头两侧产生与其敏感方向平行的温度梯度，将垂直于交互面板方向的运动手势转化为平行于交互面板方向的温度变化，触发传感器。
8.本实用新型的技术方案为：一种基于黑体传热的热释电隔空交互装置，包括：黑体式传感单元和盖合在黑体式传感单元上的交互面板；所述黑体式传感单元包括：一个以上黑体式传感腔体，每个黑体式传感腔体分为左右两部分，且右部分为右室，左部分分为左上安装座和左下室；左下室和右室连通，左上安装座顶部设有用于安装热释电传感器的凹字
型卡槽，且凹字型卡槽与左下室通过设置在左上安装座上的接收孔连通，热释电传感器的探头朝向接收孔；同时，每个黑体式传感腔体的右室对应的交互面板上设有入射孔。
9.优选地，每个所述黑体式传感腔体等分为左右两部分。
10.优选地，每个所述黑体式传感腔体的左部分等分为左上安装座和左下室。
11.优选地，所述黑体式传感单元包括：两个以上黑体式传感腔体，且相邻黑体式传感腔体之间通过隔板隔开。
12.优选地，所述黑体式传感单元包括：两个以上黑体式传感腔体，且多个黑体式传感腔体之间通过隔板隔开。
13.优选地，所述接收孔的孔径为8
‑
12mm。
14.优选地，所述入射孔的孔径为1mm。
15.优选地，所述入射孔的孔径为1mm。
16.优选地，所述热释电传感器的灵敏度可调。
17.优选地，所述热释电传感器采用双元探头，双元探头对应的电容c1和电容c2分别靠近高温区和远离高温区。
18.有益效果：
19.1、本实用新型的热释电隔空交互装置，通过借鉴物理中黑体的概念，设计出黑体式传感腔体，将不同热释电传感器分置于不同的腔体内，从硬件设计上规避了热释电传感器本身对环境温度极为敏感的缺点，由于热释电传感器相较于其他非接触式传感器价格低廉适合落地应用，相较于电容式非接触按键能够更有效地减少误触碰；这样的设计对环境各类变量进行了一致化控制，使得红外线仅从入射孔进入，控制了红外线的入射位置，为进一步形成温差创造条件；同时，左下室和右室起到产生温度梯度的传热作用。
20.2、本实用新型对黑体式传感腔体的尺寸设计，有利于快速形成符合设定阈值的温差，从而提升热释电传感器的触发灵敏度。
21.3、本实用新型中将多个黑体式传感腔体之间通过隔板隔开，能够有效规避相邻热释电传感器之间的相互干扰。
22.4、本实用新型通过调节热释电传感器的灵敏度，能够调节有效检测距离，解决了隔空交互中的误触问题。
23.5、本实用新型的热释电隔空交互装置靠近至有效检测距离内即可识别，避免了电容式隔空交互装置的易接触的问题。
24.6、本实用新型的热释电隔空交互装置，尤其适用于公共场所，有助于减少细菌和病毒的接触传播。
25.7、本实用新型的热释电隔空交互装置，相比于传统接触式交互装置，有利于大大提升使用寿命。
附图说明
26.图1为实施例1中黑体式传感腔体的结构示意图。
27.图2为图1的俯视图及其无量纲尺寸示意图。
28.图3为实施例1中黑体式传感单元的结构示意图。
29.图4为实施例1中交互面板的结构示意图。
30.图5为实施例1中隔空交互装置的工作原理示意图。
31.图6为实施例1中热释电传感器的工作原理示意图。
32.图7为实施例1中交互面板外侧各热释电传感器的有效检测范围示意图。
33.图8为图7简化为平面几何问题的示意图。
34.图9为实施例2中隔空交互键盘的示意图。
35.图10为图8的1:3放大图。
36.图11为实施例3中电梯隔空交互界面的示意图。
37.其中，1
‑
黑体式传感单元，2
‑
交互面板，3
‑
黑体式传感腔体，4
‑
隔板，5
‑
右室，6
‑
左上安装座，7
‑
左下室，8
‑
凹字型卡槽，9
‑
接收孔，10
‑
入射孔。
具体实施方式
38.下面结合附图并举实施例，对本实用新型进行详细描述。
39.实施例1：
40.本实施例提供了一种基于黑体传热的热释电隔空交互装置，借鉴了物理中黑体的概念，设计了一个以上黑体式传感腔体，每个黑体式传感腔体中设置一个热释电传感器，从硬件设计上规避了热释电传感器本身对环境温度极为敏感的缺点，利用传热原理，产生温差，将热释电传感器探头方向与温度变化方向平行放置，将垂直于交互面板的动作变化转化为平行于交互面板的温度变化。
41.如图3和4所示，该隔空交互装置包括：黑体式传感单元1和盖合在黑体式传感单元1 上的交互面板2；其中，黑体式传感单元1包括：一个以上黑体式传感腔体3，且多个黑体式传感腔体3之间通过隔板4隔开，以防止不同黑体式传感腔体3之间存在干扰；如图1和2 所示，每个黑体式传感腔体3分为(优选等分)左右两部分，且右部分为右室5，左部分分为(优选等分)左上安装座6和左下室7；左下室7和右室5为连通的空腔，左上安装座6 顶部设有用于安装热释电传感器的凹字型卡槽8，且凹字型卡槽8与左下室7通过设置在左上安装座6上的接收孔9连通；同时，每个黑体式传感腔体3的右室5对应的交互面板2上设有入射孔10；
42.本实施例中，热释电传感器的探头朝向接收孔9。
43.本实施例中，接收孔9的孔径为8
‑
12mm(优选10mm)，能够有效保证从入射孔10进入右室5的红外线，经过右室5和左下室7内壁的多次反射(再次从入射孔10出射的红外线很少，可以忽略不计，因此黑体式传感腔体3可以看做为黑体)，穿过接收孔9进入凹字型卡槽 8，从而被热释电传感器的探头感知。
44.本实施例中，入射孔10的孔径为1mm。
45.本实施例中，如图5所示，通过调节热释电传感器的灵敏度可以有效调控该隔空交互装置对于红外线的有效检测范围，当手指靠近至检测最大距离时，除手指外其他部分发出的红外线在各热释电传感器的有效检测距离范围之外，实现了防误触。
46.本实施例中，热释电传感器采用双元探头，即内部一般由两个并联的电容c1、c2组成，c1、c2的内部电介质为热释电材料，由于c1、c2自身产生极化，在电容的两端产生极性相反且电量相等的正、负电荷，两个电容c1、c2的正、负电荷相互抵消，回路中不产生电流，热释电传感器无输出。
47.本实施例中，如图6所示，c1靠近高温区(该区的温度为t1)，c2远离高温区(处于低
温区，该区的温度为t2，且t1>t2)，在传热的过程中，c1的极化电流大于c2的极化电流。
48.本实施例中，触发热释电传感器的极化电流阈值大小可通过调节热释电传感器的灵敏度 (一般为可调电阻)来调节，灵敏度越低阈值越低，灵敏度越高阈值越高。
49.本实施例中，通过调节热释电传感器的极化电流的阈值，使得红外线的有效检测范围为距离入射孔10入口1
‑
2cm(沿孔轴线的距离)；对于2cm以外的物体发出的红外线引起的温度变化(温差)不足以达到阈值触发高电平。
50.本实施例中，热释电传感器的探头带有菲涅尔透镜，该透镜能够有效滤除掉人体温度对应波长范围以外的电磁波，这解决了任何物体靠近至距离入射孔10为1
‑
2cm内都可误触发交互装置的问题。
51.本实施例中，如图7所示，为交互装置的交互面板外侧各黑体式传感腔体3的有效检测范围示意图，已知黑体式传感腔体3在入射孔10之外的有效检测范围，在空间中可用立体角表示，且有效检测范围的空间形状可简化为倒置的圆台，大端端部为水平方向最大检测范围所在圆，小端端部为入射孔10的入口；由于入射孔10的入口相对大端非常小，为简化计算，可将圆台近似为圆锥状分布，计算结果不影响工程使用；
52.设圆锥的高度为h(即为图7和图8中所标注的h)，该高度为热释电传感器的最大检测距离，要防止误触，即不同热释电传感器的检测范围所在圆锥在空间中不能重叠，取圆锥母线与交互面板的夹角为60
°
，设相邻入射孔10之间的距离为a(即为图7和图8中所标注的 a)，下面推导a的最小值：
53.相邻圆锥底部之间相切为极限情况，此时入射孔10之间的距离a取最小值，如果a小于该值则圆锥间出现重叠区域，从而会导致误触；
54.以任意相邻的两个圆锥为例，相邻圆锥的顶点分别设为a、b，相邻圆锥底面所在圆相切的点分别设为设为c、d，则问题可简化为平面几何问题(如图8所示)；
55.∵各圆锥母线与交互面板的夹角均为60
°
；
56.∴∴dab＝60
°
，ad//bc；
57.∵圆锥底面平行于交互平面；
58.∴ab//dc；
59.∴四边形abcd为平行四边形；
60.又∴dab＝60
°
；
61.∴四边形abcd为菱形；
62.连接bd，则三角形abd为等边三角形，ab＝a；
63.过d向ab边做垂线，长度即圆锥高度h；
64.则
[0065][0066]
当且仅当圆锥之间不会重叠，即可避免相邻热释电传感器的检测区域重叠，防止手指进入非目标黑体式传感腔体3所在的检测区域，避免误触；
[0067]
该交互装置可根据需要确定有效检测距离h，然后根据公式(1)确定相邻入射孔10之间的间距a，对于相邻入射孔10之间的间距a确定且不可调整的情况也可根据公式(1)反
解出有效检测距离h。
[0068]
该隔空交互装置的工作原理为：根据热释电传感器的原理，其探头的敏感元输出电流的大小满足以下分析：
[0069]
设热释电传感器的敏感元面积为a，热释电材料所处的环境温度为t，作用时间为t，电极化矢量为p
s
，则极化电流为：
[0070][0071]
式中，为热释电系数，一般为常量；当温度随时间的导数发生变换时，产生极化电流，极化电流达到设定阈值时，输出高电平，否则为低电平；
[0072]
如图6所示，当手指靠近任意一个黑体式传感腔体3至1
‑
2cm后，手指发出的红外线经入射孔10进入黑体式传感腔体3的内部，右室5温度升高，为高温区，左下室7相较右室5 为低温区，根据传热原理，右室5向左下室7进行热量传递，在热释电传感器探头两侧产生温差；
[0073]
根据公式(2)，当热释电传感器向外输出的电信号大于设定阈值便会触发热释电传感器。
[0074]
实施例2：
[0075]
在实施例1的基础上，该交互装置可应用为隔空交互键盘，如图9所示，取各按键为 10mm*10mm圆角矩形，相邻按键之间的间距为2mm，入射孔10的孔径为1mm，则相邻入射孔10之间的间距a＝12mm；
[0076]
根据公式(1)可得有效检测距离在这样的距离下相邻热释电传感器的检测范围无重叠，能够有效防止误触；因此用户在距离隔空交互键盘12mm以内的操作可被检测到，距离键盘12mm以外的操作不会被检测到，这也有效防止了外界环境和非打字的手势产生的误触发；图10为单个按键的1:3放大图，可以看到入射孔10在正常比例下几乎看不到，在放大后可以被观察到，因此这样的设计不影响正常的使用和美观。
[0077]
实施例3：
[0078]
在实施例1的基础上，该交互装置可应用为电梯隔空交互界面，如图11所示，为电梯隔空交互界面的示意图，每个矩形方框代表一个黑体式传感腔体3，以六行两列黑体式传感腔体3组成的黑体式传感单元1为示例，来显示多个热释电传感器存在下的防误触等功能，矩形方框由led组成，实际的按键内容(如数字，字符等)印刷在矩形方框内，按键间的距离及有效检测距离仍按照(1)式进行计算，计算方法与实施例2中的隔空交互键盘相同，此处不再赘述。
[0079]
综上所述，以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。