一种基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统技术方案

本发明专利技术提供一种基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统

【技术实现步骤摘要】
一种基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统


[0001]本专利技术涉及非接触式人机交互领域，尤其涉及一种基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统，具体指利用基于钙钛矿型复合氧化物的热电堆实现人体辐射的敏感探测，进一步通过手势选择性触发热电堆阵列实现非接触式人机交互功能
。

技术介绍

[0002]非接触式人机交互技术在公共场所的使用，可以避免交叉感染，切断病毒的传播路径
。
非接触式人机交互技术的核心是传感器，其可分为主动式和被动式两大类
。
主动式传感器，例如近红外接近开关，包括一个连续的发射器和一个接收器，从而需要消耗较高的电功率
。
被动式传感器探测的是与人体相关的信号，常见的有人体自发热辐射
、
由排汗引起的湿度分布以及人体表面积聚的电荷
。
相较于基于湿度分布
、
人体表面电荷的被动式传感器，基于人体热辐射的传感器具有激励源可靠
、
感知范围可调等优点
。
然而，人体发出的光子能量较弱，主要集中在长波红外波段
(8
‑
14
μ
m)
，辐射功率较低，在
5mW/cm2左右，因此基于人体辐射探测的非接触人机交互系统的实现离不开高灵敏长波红外探测器的开发
。
[0003]光热电探测器是一类热敏型探测器，其包括光热转换
、
热电转换两个部分，原理是将吸收的辐射转变为热能，在热电材料两端形成温度梯度，
Seebeck 效应的存在驱使热电材料的载流子发生定向移动，从而产生电势差
。
光热电探测器具有谱学响应范围宽
、
无需制冷
、
不依赖外部供电等优点，特别适用于低功耗长波红外探测场合
。
目前商业化的光热电探测器为了获得高的电压响应，采用了热电堆的结构，即在红外吸收体的外围分布着多对
p
‑
n
热电结
。
以荷兰
Smartec
公司生产的
SMTIR9901
型热电堆为例，该热电堆由
100
对
BiSb/NiCr
热电结组成
。
因此，商业光热电探测器的制备工艺相对复杂
。
另一方面，商业的光热电探测器尽管具有较高的灵敏度
(
例如，
SMTIR9901
型热电堆的灵敏度可达
110V/W)
，然而受限于较小的光敏面积
(SMTIR9901
型热电堆的光敏面积为
0.5mm2)
，在探测人体辐射时，其输出电压仅在数百微伏量级
。
在实际应用过程中，如此低的电压输出，对后续放大电路的性能提出了较高的要求
。
申请人在申请号为
201810444716.9
的中国专利中公开了一种基于钙钛矿型复合氧化物的超宽带光热电探测器
。
钙钛矿型复合氧化物具有独特的强关联性质，其载流子有效质量往往较大，这使得其具有相当高的 Seebeck
系数；另一方面，钙钛矿型复合氧化物中钛
‑
氧键的存在，使得其在长波红外波段存在强的声子吸收
。
这两个特性使得钙钛矿型复合氧化物兼具了高的长波红外吸收以及热电转换能力
。
从而，基于钙钛矿型复合氧化物的热电堆有望在简化传统热电堆结构的同时，实现人体辐射的敏感探测，进而用于非接触式人机交互系统的构建
。

技术实现思路

[0004]根据上述提出的技术问题，而提供一种基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统，利用基于钙钛矿型复合氧化物的热电堆将人体红外辐射转化为电信号，进一步通过手势选择性触发热电堆阵列来实现非接触式人机交互功能
。
本专利技术采用的技术手段如
下：
[0005]一种基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统，包括包括依次相连的热电堆
、
放大电路和电压比较电路，所述热电堆，用于探测人体红外辐射，将光信号转化为电压信号，其中：所述热电堆包括基底
、
若干钙钛矿型复合氧化物和金属导线，所述基底具有预设的导热率，所述钙钛矿型复合氧化物一端连接在基底上，另一端悬空设置，通过金属导线将相邻的钙钛矿型复合氧化物相连
。
[0006]进一步的，基底设有圆形通孔，所述钙钛矿型复合氧化物为长方体状，各钙钛矿型复合氧化物围绕通孔圆心
、
沿着其径向对称分布，长方体状钙钛矿型复合氧化物的悬空侧位于圆心处
。
[0007]进一步地，钙钛矿型复合氧化物和基底之间填充有导热绝缘介质
。
[0008]进一步地，通过金属导线将相邻的钙钛矿型复合氧化物首尾相连，形成辐射状热电堆结构
。
[0009]进一步地，上述基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统的工作模式为接近开关，热电堆的输出与放大电路相连，放大后的信号传递给电压比较电路，人体接近热电堆时，热电堆将人体红外辐射转化为电压信号，当放大后的电压信号超过比较电路的参考电压时，比较电路输出高电平，为后端指示电路或者执行器提供电能
。
[0010]本专利技术还公开了一种工作模式为手势识别的基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统，包括依次相连的热电堆
、
多通道数据采集模块
、
微处理器及显示模块，所述热电堆数量至少两个，用于探测人体红外辐射，将光信号转化为电压信号，其中：所述热电堆包括基底
、
若干钙钛矿型复合氧化物和金属导线，所述基底具有预设的导热率，所述钙钛矿型复合氧化物一端连接在基底上，另一端悬空设置，通过金属导线将相邻的钙钛矿型复合氧化物相连；
[0011]所述多通道数据采集模块，用于采集热电堆阵列的多通道电压信号，并将电压信号传递给微处理器；
[0012]所述微处理器，用于处理所述多通道数据采集模块采集的电压信号，识别热电堆阵列的触发序列，根据触发序列与手势的对应关系，实现非接触式人机交互功能
。
[0013]进一步地，基底设有圆形通孔，所述钙钛矿型复合氧化物为长方体状，各钙钛矿型复合氧化物围绕通孔圆心
、
沿着其径向对称分布，长方体状钙钛矿型复合氧化物的悬空侧位于圆心处
。
[0014]进一步地，钙钛矿型复合氧化物和基底之间填充有导热绝缘介质
。
[0015]进一步地，通过金属导线将相邻的钙钛矿型复合氧化物首尾相连，形成辐射状热电堆结构
。
[0016]进一步地，工作模式为手势识别，若干个热电堆排成二维阵列，利用多通道数据采集模块记录各个热电堆的输出信号，当手指在热电堆阵列上方移动时，相应的热电堆会被触发，产生电信号，多通道数据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统，其特征在于，包括依次相连的热电堆
、
放大电路和电压比较电路，所述热电堆，用于探测人体红外辐射，将光信号转化为电压信号，其中：所述热电堆包括基底
、
若干钙钛矿型复合氧化物和金属导线，所述基底具有预设的导热率，所述钙钛矿型复合氧化物一端连接在基底上，另一端悬空设置，通过金属导线将相邻的钙钛矿型复合氧化物相连
。2.
如权利要求1所述的基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统，其特征在于，基底设有圆形通孔，所述钙钛矿型复合氧化物为长方体状，各钙钛矿型复合氧化物围绕通孔圆心
、
沿着其径向对称分布，长方体状钙钛矿型复合氧化物的悬空侧位于圆心处
。3.
如权利要求1所述的基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统，其特征在于，钙钛矿型复合氧化物和基底之间填充有导热绝缘介质
。4.
如权利要求1所述的基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统，其特征在于，通过金属导线将相邻的钙钛矿型复合氧化物首尾相连，形成辐射状热电堆结构
。5.
如权利要求1所述的基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统，其特征在于，工作模式为接近开关，热电堆的输出与放大电路相连，放大后的信号传递给电压比较电路，人体接近热电堆时，热电堆将人体红外辐射转化为电压信号，当放大后的电压信号超过比较电路的参考电压时，比较电路输出高电平，为后端指示电路或者执行器提供电能
。6.
一种基于人体红外辐射探测的非接触式人机交互系统，其特征在于，包括依次相连的热电堆
、
多通道数据采集模块
、
微处理器...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜鹏，郭晓晗，陆晓伟，包信和，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：