夏普 GP2Y0A21紅外傳感器對不同顏色反射率的實驗研究

陳惠珠

摘 要：測距傳感器被廣泛運用于現代軍事、工農業生產過程中，不同類型的紅外傳感器會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輸出的電壓和不同顏色測試卡之間距離的關系，搭建了一套實驗裝置，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。由于技術難度不大，成本低廉且性能優良得到廣泛推廣。傳感器具有一對紅外信號發射與接收二極管，利用夏普GP2Y0A21紅外傳感器發射一束紅外光線，照射到物體表面時，經過反射被紅外接收管接收，并產生電壓反饋[1]。由于物體距離與測到的電壓值成一定比例關系，故可將測到的電壓信號經過處理后計算出物體距離。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 搭建實驗方案

（1）在寬為5cm、長為12cm、厚度為2cm的金屬薄片上鉆三個螺孔，金屬薄片上端的兩個小孔用于安裝夏普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格平行。金屬薄片下端鉆一個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驗測試卡，同時設計了一個底座，用來固定傳感器支架和實驗測試卡支架、以及可以在光滑導軌上移動，并可以用螺絲固定位置。

（3）實驗測量電路；利用夏普 GP2Y0A21紅外傳感器的輸出端、電位器、運算放大器、電阻等元器件搭建一個三級運算放大電路，對紅外傳感器輸出端的電壓信號進行放大輸出。測量電路由恒壓源向GP2Y0A21紅外傳感器提供一個5V穩壓電源，GP2Y0A21紅外傳感器發射紅外信號經物體反射，接收管接收信號產生電壓反饋，經測試電路、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GP2Y0A21紅外傳感器接收信號所產生的電壓值。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 實驗過程及數據分析

將裝有夏普 GP2Y0A21紅外傳感器支架、實驗測試卡的支架分別安裝固定到底座上，然后將兩個底座套到光滑導軌某個刻度上。打開整個實驗裝置的總電源，將萬用表設置為電壓檔，接入紅外信號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經轉化后的電壓夏普 GP2Y0A21紅外傳感器信號。通過手動移動夏普 GP2Y0A21紅外傳感器底座，改變夏普 GP2Y0A21紅外傳感器和實驗測試卡之間的距離（每次移動的幅度控制在1-5cm之內），記錄電壓表的電壓U，以及夏普 GP2Y0A21紅外傳感器和實驗測試卡之間的距離d。更換不同顏色的實驗測試卡，重復步驟記錄電壓表的電壓U，以及夏普 GP2Y0A21紅外傳感器和實驗測試卡之間的距d。實驗將0-30厘米的測試距離分為（0-4.5cm、5-6.5cm、7-30cm）三個區間分別進行測量，實驗測量的數據結果如圖1、圖2所示，其中黑色的數據點表示黑色反射板上測量到的數據，紅色數據點表示白色反射板上測量到的數據。

（1）從數據圖1中可以看出，在被測物距離夏普 GP2Y0A21紅外傳感器0-5cm時，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）另外實驗還測量了5-6.5cm距離范圍黑白兩色卡片在相同位置對電壓的影響，測量的數據結果表明夏普 GP2Y0A21紅外線對白色卡片和黑色卡片的電壓發射值均為3.14 V，不會隨距離的變化而變化，原因可能是因為測量的距離短太短，且實驗測量的電壓表的量程不夠引起的。

（3）從數據圖4中可以看出在7-30cm較遠距離時，黑白兩種卡片的電壓值都隨著卡片遠離夏普 GP2Y0A21紅外傳感器而逐漸減小，且成非線性的關系，這和理論推導的結果非常吻合。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離電壓值差異逐漸明顯。

3 結論

通過實驗測量了三個不同距離范圍內紅外傳感器對黑白兩種擋板的返回電壓，實驗結果表明在短距離上（0-4.5cm），夏普 GP2Y0A21紅外傳感器發射的紅外線經白色卡片反射后所產生的電壓值低于黑色卡片，當距離逐漸增加到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：

[1]邸旭，楊進華，韓文波，冷雪等.微光與紅外成像技術[M].北京：機械工業出版社，2012（02）.

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