基于夏普GP2Y0A21傳感器的PSD技術(shù)定距儀設(shè)計

在精密測距行業(yè)中基于PSD 技術(shù)的非接觸性激光測距儀代表了最高的性能，但由于其高昂的價格，使得很多科研者、工程師、生產(chǎn)者等不得不望而卻步。介紹了基于PSD 技術(shù)的夏普GP2Y0A21 型傳感器，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合ADC 及單片機進行了定距裝置的設(shè)計，對GP2Y0A21 型傳感器在距離最敏感的區(qū)域做了詳細(xì)的記錄測量，在設(shè)計中以PROTEUS 仿真為平臺，然后再進行實物驗證，在反復(fù)驗證后，本系統(tǒng)的設(shè)計性能參數(shù)能達(dá)到定距26 mm、分辨率0.1 mm、響應(yīng)時間小于10 mm,基本不受背景光及溫度的影響，能滿足大部分工程應(yīng)用的性能要求，且所用的元器件價格低廉，有很高的性價比，具有很好的工程應(yīng)用價值。

PSD 是一種基于橫向光電效應(yīng)的位置敏感傳感器，由于其對光斑位置的敏感達(dá)到了微米級水平，因此被用于許多科研攻關(guān)， 但在工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)中卻因為它的造價成本高，且微米級的精度也沒必要，因此并不普及。基于PSD 技術(shù)的夏普GP2Y0A21 傳感器默認(rèn)的測距分辨率為1 mm, 在經(jīng)過本文的電路設(shè)計后可以很好的提高其定距分辨率，并在控制成本的前提下達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)中工程應(yīng)用的要求。

夏普GP2Y0A21 傳感器簡介

夏普GP2Y0A21 型距離測量傳感器是基于PSD 的微距傳感器，其有效的測量距離在80 cm 以內(nèi)，有效的測量角度大于40°，輸出的信號為模擬電壓，在0 到8 cm 左右的范圍內(nèi)與距離成正比非線性的關(guān)系， 在10~80 cm 的距離范圍內(nèi)成反比非線性關(guān)系，平均功耗約為30 mA,反應(yīng)時間約為5 ms,并且對背景光及溫度的適應(yīng)性較強。由于輸出的信號為模擬電壓的形式，且價格低廉，因此工程測量等方面有很多可以值得挖掘利用的實用前景。

由于GP2Y0A21 是基于PSD 原理的設(shè)計，而PSD 的光譜范圍很寬，對于PSD 來說，這既是它的優(yōu)點也是它的缺點，優(yōu)點是它能夠適應(yīng)各種光譜的設(shè)計，缺點是容易被周圍環(huán)境的雜光影響，尤其是背景光；早在上世紀(jì)60 年Lucovusky 利用橫向光電效應(yīng)引導(dǎo)出PSD 方程：

其中L 為有效光敏面的1/2、X 為光照的重心位置、I1和I2分別為PSD 兩電極的電流。按照這個公式通過電路的設(shè)計可以確定光照位置，但這是在理想情況下所得，實際情況是背景光以及半導(dǎo)體的暗電流會對X 造成較大的誤差。因此許多學(xué)者在Lucovusky 方程的基礎(chǔ)上提出了光信號調(diào)制解調(diào)法、采樣-保持法等手段加以輔助。對于光信號的調(diào)制解調(diào)法，其方法是利用互相關(guān)檢測原理，對光信號進行調(diào)制和解調(diào)，由于調(diào)制的光信號有時間相關(guān)性并與時間成函數(shù)關(guān)系，雜波等信號則沒有此特性，在接收部分再對此函數(shù)信號進行一定時間的積累而雜光等無法積累，這樣就可以把帶有時間內(nèi)容的函數(shù)光信號從雜波中剝離出來，從而濾除了雜光等的影響，得到精確的光照位置信號。

GP2Y0A21 采用了光信號調(diào)制和解調(diào)電路， 其調(diào)制信號為1 kHz,電路框圖如圖1 所示，主要由5 個部分組成：信號處理電路、紅外LED 驅(qū)動電路、振蕩電路、電源穩(wěn)壓電路、電路輸出電路，它的光信號處理電路中又包含了I-V 轉(zhuǎn)換電路、比較電路、同步檢測電路、解調(diào)電路以及電源穩(wěn)壓和振蕩電路。由于采用了互相關(guān)檢測的原理設(shè)計，因此實際應(yīng)用中幾乎不受類似背景光等雜光的影響。

圖1 夏普GP2Y0A21 內(nèi)部電路框圖