夏普 GP2Y0A21红外传感器对不同颜色反射率的实验研究

陈惠珠

摘 要：测距传感器被广泛运用于现代军事、工农业生产过程中，不同类型的红外传感器会受到各种外界因素的干扰而影响其测量的精度。为探究夏普 GP2Y0A21红外传感器在红外测距中物体颜色对测量精度的影响，利用夏普 GP2Y0A21红外传感器在不同距离范围内输出的电压和不同颜色测试卡之间距离的关系，搭建了一套实验装置，探究了黑白两种颜色卡片对夏普 GP2Y0A21红外传感器红外电压的影响。

关键词：红外传感器；反射率；电压

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

0 前言

红外线作为一种特殊的光波，具有光波的物理传输特性——反射、折射、散射等。由于技术难度不大，成本低廉且性能优良得到广泛推广。传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，利用夏普GP2Y0A21红外传感器发射一束红外光线，照射到物体表面时，经过反射被红外接收管接收，并产生电压反馈[1]。由于物体距离与测到的电压值成一定比例关系，故可将测到的电压信号经过处理后计算出物体距离。但由于物体颜色不同，其对红外光线的反射率必然也会造成影响[2]，研究不同颜色物体对红外测距精度的影响具有重要意义。

1 搭建实验方案

（1）在宽为5cm、长为12cm、厚度为2cm的金属薄片上钻三个螺孔，金属薄片上端的两个小孔用于安装夏普GP2Y0A21红外传感器，将金属薄片下端4cm弯曲成90度，使传感器的切面和底座严格平行。下端的大螺孔用于固定在底座上。

（2）将另一宽为5cm、长为12cm、厚度为2cm的金属薄片下端4cm弯曲成90度，使金属薄片和底座的端面严格平行。金属薄片下端钻一个大螺孔用于固定在底座上，金属薄片的上部分用于粘贴不同颜色的实验测试卡，同时设计了一个底座，用来固定传感器支架和实验测试卡支架、以及可以在光滑导轨上移动，并可以用螺丝固定位置。

（3）实验测量电路；利用夏普 GP2Y0A21红外传感器的输出端、电位器、运算放大器、电阻等元器件搭建一个三级运算放大电路，对红外传感器输出端的电压信号进行放大输出。测量电路由恒压源向GP2Y0A21红外传感器提供一个5V稳压电源，GP2Y0A21红外传感器发射红外信号经物体反射，接收管接收信号产生电压反馈，经测试电路、电压表测得电压值。通过控制物体与GP2Y0A21红外传感器的距离，以及更换不同颜色的测试卡片。得到不同颜色测试卡片在不同距离时GP2Y0A21红外传感器接收信号所产生的电压值。即可通过分析得到不同颜色的卡片对GP2Y0A21红外传感器的反射率的影响。

2 实验过程及数据分析

将装有夏普 GP2Y0A21红外传感器支架、实验测试卡的支架分别安装固定到底座上，然后将两个底座套到光滑导轨某个刻度上。打开整个实验装置的总电源，将万用表设置为电压档，接入红外信号放大电路的电压输出端，开始测量夏普 GP2Y0A21红外传感器的红外信号经转化后的电压夏普 GP2Y0A21红外传感器信号。通过手动移动夏普 GP2Y0A21红外传感器底座，改变夏普 GP2Y0A21红外传感器和实验测试卡之间的距离（每次移动的幅度控制在1-5cm之内），记录电压表的电压U，以及夏普 GP2Y0A21红外传感器和实验测试卡之间的距离d。更换不同颜色的实验测试卡，重复步骤记录电压表的电压U，以及夏普 GP2Y0A21紅外传感器和实验测试卡之间的距d。实验将0-30厘米的测试距离分为（0-4.5cm、5-6.5cm、7-30cm）三个区间分别进行测量，实验测量的数据结果如图1、图2所示，其中黑色的数据点表示黑色反射板上测量到的数据，红色数据点表示白色反射板上测量到的数据。

（1）从数据图1中可以看出，在被测物距离夏普 GP2Y0A21红外传感器0-5cm时，随着距离的缩短，电压急剧下降。在0.5cm处黑色卡片反射的电压值为（0.60V）明显低于白色卡片发射的电压值为（1.62V）。在1-4.5cm这段距离中，白色卡片返回的电压值全部低于黑色卡片，但两者的电压值逐渐接近。

（2）另外实验还测量了5-6.5cm距离范围黑白两色卡片在相同位置对电压的影响，测量的数据结果表明夏普 GP2Y0A21红外线对白色卡片和黑色卡片的电压发射值均为3.14 V，不会随距离的变化而变化，原因可能是因为测量的距离短太短，且实验测量的电压表的量程不够引起的。

（3）从数据图4中可以看出在7-30cm较远距离时，黑白两种卡片的电压值都随着卡片远离夏普 GP2Y0A21红外传感器而逐渐减小，且成非线性的关系，这和理论推导的结果非常吻合。随着距离的增加，在25cm处白色卡片的电压返回值渐渐的高于黑色卡片且随着距离的远离电压值差异逐渐明显。

3 结论

通过实验测量了三个不同距离范围内红外传感器对黑白两种挡板的返回电压，实验结果表明在短距离上（0-4.5cm），夏普 GP2Y0A21红外传感器发射的红外线经白色卡片反射后所产生的电压值低于黑色卡片，当距离逐渐增加到7cm后，随着距离的增加，白色卡片返回的电压值逐渐高于黑色卡片，白色卡片对红外线的吸收率明显低于黑色卡片。

参考文献：

[1]邸旭，杨进华，韩文波，冷雪等.微光与红外成像技术[M].北京：机械工业出版社，2012（02）.

[2]周秀云，张涛，尹伯彪，黄建国等.光电检测技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2009（07）.