基于夏普GP2Y0A21传感器的PSD技术定距仪设计

在精密测距行业中基于PSD 技术的非接触性激光测距仪代表了最高的性能，但由于其高昂的价格，使得很多科研者、工程师、生产者等不得不望而却步。介绍了基于PSD 技术的夏普GP2Y0A21 型传感器，并在此基础上结合ADC 及单片机进行了定距装置的设计，对GP2Y0A21 型传感器在距离最敏感的区域做了详细的记录测量，在设计中以PROTEUS 仿真为平台，然后再进行实物验证，在反复验证后，本系统的设计性能参数能达到定距26 mm、分辨率0.1 mm、响应时间小于10 mm,基本不受背景光及温度的影响，能满足大部分工程应用的性能要求，且所用的元器件价格低廉，有很高的性价比，具有很好的工程应用价值。

PSD 是一种基于横向光电效应的位置敏感传感器，由于其对光斑位置的敏感达到了微米级水平，因此被用于许多科研攻关， 但在工业生产行业中却因为它的造价成本高，且微米级的精度也没必要，因此并不普及。基于PSD 技术的夏普GP2Y0A21 传感器默认的测距分辨率为1 mm, 在经过本文的电路设计后可以很好的提高其定距分辨率，并在控制成本的前提下达到了工业生产中工程应用的要求。

夏普GP2Y0A21 传感器简介

夏普GP2Y0A21 型距离测量传感器是基于PSD 的微距传感器，其有效的测量距离在80 cm 以内，有效的测量角度大于40°，输出的信号为模拟电压，在0 到8 cm 左右的范围内与距离成正比非线性的关系， 在10~80 cm 的距离范围内成反比非线性关系，平均功耗约为30 mA,反应时间约为5 ms,并且对背景光及温度的适应性较强。由于输出的信号为模拟电压的形式，且价格低廉，因此工程测量等方面有很多可以值得挖掘利用的实用前景。

由于GP2Y0A21 是基于PSD 原理的设计，而PSD 的光谱范围很宽，对于PSD 来说，这既是它的优点也是它的缺点，优点是它能够适应各种光谱的设计，缺点是容易被周围环境的杂光影响，尤其是背景光；早在上世纪60 年Lucovusky 利用横向光电效应引导出PSD 方程：

其中L 为有效光敏面的1/2、X 为光照的重心位置、I1和I2分别为PSD 两电极的电流。按照这个公式通过电路的设计可以确定光照位置，但这是在理想情况下所得，实际情况是背景光以及半导体的暗电流会对X 造成较大的误差。因此许多学者在Lucovusky 方程的基础上提出了光信号调制解调法、采样-保持法等手段加以辅助。对于光信号的调制解调法，其方法是利用互相关检测原理，对光信号进行调制和解调，由于调制的光信号有时间相关性并与时间成函数关系，杂波等信号则没有此特性，在接收部分再对此函数信号进行一定时间的积累而杂光等无法积累，这样就可以把带有时间内容的函数光信号从杂波中剥离出来，从而滤除了杂光等的影响，得到精确的光照位置信号。

GP2Y0A21 采用了光信号调制和解调电路， 其调制信号为1 kHz,电路框图如图1 所示，主要由5 个部分组成：信号处理电路、红外LED 驱动电路、振荡电路、电源稳压电路、电路输出电路，它的光信号处理电路中又包含了I-V 转换电路、比较电路、同步检测电路、解调电路以及电源稳压和振荡电路。由于采用了互相关检测的原理设计，因此实际应用中几乎不受类似背景光等杂光的影响。

图1 夏普GP2Y0A21 内部电路框图