SHARP IR Abstandsensor GP2Y0A21YK0F

SHARP IR GP2Y0A21YK0F.

Autor: Patricio Emiliano Hernandez Murga

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Ulrich Schneider

Aufgabe

In dieser Artikel werden folgenden Punkte behandelt:

• Auswahl eines Primärsensors
• Analyse des Sensors praktisch und anhand von passender Literatur
• Signalverarbeitung
• Bewertung der Sensordaten
• Inbetriebnahme des Analoger Abstandssensors: Sharp IR GP2Y0A21YK0F

Technische Übersicht

Der Sensor besteht aus einem IR Sender (Infrarot LED) und einem positionsempfindilchen Detektor ( engl. PSD - position sensitive detector).
Das Datenblatt ist es im Internet zu finden

Pinbelegung

Pin	Belegung
1	Ausgang
2	Masse
3	Versorgungsspannung

Eigenschaften

Technische Daten	Wert
Abmessung	44,5 mm x 13 mm x 13,5 mm
Versorgungsspannung (empholen)	4,5 V bis 5,5 V
Betriebstemperatur	-10 °C bis 60 °C
Messbereich zur Entfernungsmessung	10 cm bis 80 cm

Funktionsprinzip

Der Abstandsensor IR GP2Y0A21YK0F ist ein infraroter Triangulationssensor. Er besitzt einen integrierten positionsempfindlichen Detektor ( engl. position sensitive detektor, PSD ), und einem IRED (infrared emmiting diode). Das IRED strahlt ein infrarotes Licht aus, welches von dem zu detektierenden Objekt reflektiert wird. Das reflektierte Licht geht durch das Detektionslens und wird von dem PSD-Element empfangen. Die Abstand zum Objekt wird dann abhängig vom Schwerpunkt des Lichtflecks berechnet. Durch das geometrischen Messverfahren, Triangulation kann die Abstand zu dem zu detektierenden Objekt berechnet werden.

Grundlagen

Funktionsprinzip des positionsempfindlichen Detektors

Ein positionsempfindlicher Detektor funktioniert Ähnlich wie eine normale Photodiode. Das Licht auf dem aktiven Gebiet des PSD generiert einen Photostrom. Dieser Photostrom fließt in Richtung des p- und n-Gebietes ab. Der PSD kann von drei bis fünf Kontakten je nach Dimensionen haben. Beim IR Abstandsensor GP2Y0A21YK0F befindet sich ein eindimensionaler PSD. Daher besitzt er drei Kontaktierungen. Durch die erste Kontaktierung fließt ein gesamter Strom I. Durch die anderen zwei Leitungen kommt zu einer Aufteilung des Photostromes unter der Kontakten. Diese Aufteilung ist proportional zu der Position des Schwerpunkts des Lichtflecks.

Vorteile der PSD

Im Gegensatz zu Pixelelementen (CCD) ist bei positionsempfindlichen Detektoren die Auflösung nicht durch die Pixelgroße begrenzt und es ist keine aufwendige Analyse durch einen Computer nötig. Darüber hinaus sind bei positionsempfindlichen Detektoren Parameter wie Form, Große und Intensivitätsverteilung des Lichtflecks unbedeutend. Denn der Schwerpunkts des Lichtflecks gibt seine Position an.

Ermittlung der Position

Die Position wird durch die Bildung der Stromdifferenz zwischen zwei gegenüberliegenden Kontakten.

Schematischer Aufbau und Funktionsweise eines PSD-Elements.

Um die Diferenz der Verteilung des gesamten Photostromes unabhängig der Intensität von der einfallenden Lichtintensität zu machen, wird ein Verhältnis daraus gebildet: Durch die folgende Gleichung lässt sich dann die Lage des Schwerpunkts des Lichtes auf der aktiven Fläche:

$\begin{align} \frac{I_1 - I_2}{I_1 - I_2} &= \frac{L - 2x}{L} \end{align}$

Literatur

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