陳惠珠

摘 要：測距傳感器被廣泛運(yùn)用于現(xiàn)代軍事、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，不同類型的紅外傳感器會(huì)受到各種外界因素的干擾而影響其測量的精度。為探究夏普 GP2Y0A21紅外傳感器在紅外測距中物體顏色對測量精度的影響，利用夏普 GP2Y0A21紅外傳感器在不同距離范圍內(nèi)輸出的電壓和不同顏色測試卡之間距離的關(guān)系，搭建了一套實(shí)驗(yàn)裝置，探究了黑白兩種顏色卡片對夏普 GP2Y0A21紅外傳感器紅外電壓的影響。

關(guān)鍵詞：紅外傳感器；反射率；電壓

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.08.243

0 前言

紅外線作為一種特殊的光波，具有光波的物理傳輸特性——反射、折射、散射等。由于技術(shù)難度不大，成本低廉且性能優(yōu)良得到廣泛推廣。傳感器具有一對紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，利用夏普GP2Y0A21紅外傳感器發(fā)射一束紅外光線，照射到物體表面時(shí)，經(jīng)過反射被紅外接收管接收，并產(chǎn)生電壓反饋[1]。由于物體距離與測到的電壓值成一定比例關(guān)系，故可將測到的電壓信號(hào)經(jīng)過處理后計(jì)算出物體距離。但由于物體顏色不同，其對紅外光線的反射率必然也會(huì)造成影響[2]，研究不同顏色物體對紅外測距精度的影響具有重要意義。

1 搭建實(shí)驗(yàn)方案

（1）在寬為5cm、長為12cm、厚度為2cm的金屬薄片上鉆三個(gè)螺孔，金屬薄片上端的兩個(gè)小孔用于安裝夏普GP2Y0A21紅外傳感器，將金屬薄片下端4cm彎曲成90度，使傳感器的切面和底座嚴(yán)格平行。下端的大螺孔用于固定在底座上。

（2）將另一寬為5cm、長為12cm、厚度為2cm的金屬薄片下端4cm彎曲成90度，使金屬薄片和底座的端面嚴(yán)格平行。金屬薄片下端鉆一個(gè)大螺孔用于固定在底座上，金屬薄片的上部分用于粘貼不同顏色的實(shí)驗(yàn)測試卡，同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)底座，用來固定傳感器支架和實(shí)驗(yàn)測試卡支架、以及可以在光滑導(dǎo)軌上移動(dòng)，并可以用螺絲固定位置。

（3）實(shí)驗(yàn)測量電路；利用夏普 GP2Y0A21紅外傳感器的輸出端、電位器、運(yùn)算放大器、電阻等元器件搭建一個(gè)三級運(yùn)算放大電路，對紅外傳感器輸出端的電壓信號(hào)進(jìn)行放大輸出。測量電路由恒壓源向GP2Y0A21紅外傳感器提供一個(gè)5V穩(wěn)壓電源，GP2Y0A21紅外傳感器發(fā)射紅外信號(hào)經(jīng)物體反射，接收管接收信號(hào)產(chǎn)生電壓反饋，經(jīng)測試電路、電壓表測得電壓值。通過控制物體與GP2Y0A21紅外傳感器的距離，以及更換不同顏色的測試卡片。得到不同顏色測試卡片在不同距離時(shí)GP2Y0A21紅外傳感器接收信號(hào)所產(chǎn)生的電壓值。即可通過分析得到不同顏色的卡片對GP2Y0A21紅外傳感器的反射率的影響。

2 實(shí)驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)分析

將裝有夏普 GP2Y0A21紅外傳感器支架、實(shí)驗(yàn)測試卡的支架分別安裝固定到底座上，然后將兩個(gè)底座套到光滑導(dǎo)軌某個(gè)刻度上。打開整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的總電源，將萬用表設(shè)置為電壓檔，接入紅外信號(hào)放大電路的電壓輸出端，開始測量夏普 GP2Y0A21紅外傳感器的紅外信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)化后的電壓夏普 GP2Y0A21紅外傳感器信號(hào)。通過手動(dòng)移動(dòng)夏普 GP2Y0A21紅外傳感器底座，改變夏普 GP2Y0A21紅外傳感器和實(shí)驗(yàn)測試卡之間的距離（每次移動(dòng)的幅度控制在1-5cm之內(nèi)），記錄電壓表的電壓U，以及夏普 GP2Y0A21紅外傳感器和實(shí)驗(yàn)測試卡之間的距離d。更換不同顏色的實(shí)驗(yàn)測試卡，重復(fù)步驟記錄電壓表的電壓U，以及夏普 GP2Y0A21紅外傳感器和實(shí)驗(yàn)測試卡之間的距d。實(shí)驗(yàn)將0-30厘米的測試距離分為（0-4.5cm、5-6.5cm、7-30cm）三個(gè)區(qū)間分別進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖1、圖2所示，其中黑色的數(shù)據(jù)點(diǎn)表示黑色反射板上測量到的數(shù)據(jù)，紅色數(shù)據(jù)點(diǎn)表示白色反射板上測量到的數(shù)據(jù)。

（1）從數(shù)據(jù)圖1中可以看出，在被測物距離夏普 GP2Y0A21紅外傳感器0-5cm時(shí)，隨著距離的縮短，電壓急劇下降。在0.5cm處黑色卡片反射的電壓值為（0.60V）明顯低于白色卡片發(fā)射的電壓值為（1.62V）。在1-4.5cm這段距離中，白色卡片返回的電壓值全部低于黑色卡片，但兩者的電壓值逐漸接近。

（2）另外實(shí)驗(yàn)還測量了5-6.5cm距離范圍黑白兩色卡片在相同位置對電壓的影響，測量的數(shù)據(jù)結(jié)果表明夏普 GP2Y0A21紅外線對白色卡片和黑色卡片的電壓發(fā)射值均為3.14 V，不會(huì)隨距離的變化而變化，原因可能是因?yàn)闇y量的距離短太短，且實(shí)驗(yàn)測量的電壓表的量程不夠引起的。

（3）從數(shù)據(jù)圖4中可以看出在7-30cm較遠(yuǎn)距離時(shí)，黑白兩種卡片的電壓值都隨著卡片遠(yuǎn)離夏普 GP2Y0A21紅外傳感器而逐漸減小，且成非線性的關(guān)系，這和理論推導(dǎo)的結(jié)果非常吻合。隨著距離的增加，在25cm處白色卡片的電壓返回值漸漸的高于黑色卡片且隨著距離的遠(yuǎn)離電壓值差異逐漸明顯。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)測量了三個(gè)不同距離范圍內(nèi)紅外傳感器對黑白兩種擋板的返回電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在短距離上（0-4.5cm），夏普 GP2Y0A21紅外傳感器發(fā)射的紅外線經(jīng)白色卡片反射后所產(chǎn)生的電壓值低于黑色卡片，當(dāng)距離逐漸增加到7cm后，隨著距離的增加，白色卡片返回的電壓值逐漸高于黑色卡片，白色卡片對紅外線的吸收率明顯低于黑色卡片。

參考文獻(xiàn)：

[1]邸旭，楊進(jìn)華，韓文波，冷雪等.微光與紅外成像技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012（02）.

[2]周秀云，張濤，尹伯彪，黃建國等.光電檢測技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009（07）.