Sensore IR a riflessione: legame tensione-distanza

[ale_^110]

Salve. Ho realizzato un sensore a raggi infrarossi per la misura di distanze, costituito da un led emettitore, un fotodiodo e un po' di lettronica di contorno. La luce emessa dal led IR, in presenza di un oggetto nell'area coperta dal sensore (un cono di altezza 90 cm circa, e apertura di una ventina di gradi), viene riflessa ed investe il fotodiodo (polarizzato inversamente, in modo da essere utilizzato in modalità fotoconduttiva) che eroga una corrente proporzionale all'intensità della luce ricevuta, quindi la corrente risulta tanto più elevata quanto più l'oggetto è vicino al sensore, quanto maggiore è la sua superficie e quanto più questa è riflettente (a parità di stanza e superficie un foglio bianco fa sì che venga erogata una corrente più elevata di quella che si ha con un foglio nero). La corrente viene poi convertita in tensione, amplficata (in modo lineare) ed infine il segnale viene filtrato tramite due filtri passa-basso del II ordine, il tutto utlizzando un integrato contenente 4 amplificatori operazionali con gli opportuni componenti passivi. Ora viene il problema... Vorrei dterminare la relazione che lega l'ampiezza della tensione in uscita alla distanza dell'oggetto, in modo tale da poter determinare quest'ultima dalle misure di tensione. La relazione è non lineare, e questo si vede facedo qualche semplice esperimento che consiste nel variare la distanza di un oggetto dal sensore: la tensione aumenta al decrescere della distanza, ma in modo non lineare (la variazione di tensione per unità di distanza aumenta al diminuire della distanza). Bisogna notare che la tensione dipende anche dalla superficie dell'oggetto, ma credo che di questo si possa tenere conto tramite un coefficiente moltiplicativo, in modo tale da ottenere una relazione del tipo $ V_{out} = \alpha \cdot f(d) $, in cui f(d) è riferita, ad esempio ad una superficie bianca (o comunque alla superficie considerata la più riflettente) ed $\alpha$ assume valori compresi tra 0 ed 1, per tenere conto dell'attenuazione che si ha in presenza di superfici meno riflettenti. Qualcuno mi può aiutare?

[giacor86]

Così a naso mi verrebbe da dire che dipende anche dalla forma/dimensioni dell'oggetto di cui vuoi misurare la distanza... Comunque a parità di superficie riflettente, l'intensità della luce riflessa in una data direzione (quella del tuo fotodiodo) scala proporzionalmente al quadrato della distanza. Se sai la caratteristica "intensità - corrente" (che dovrebbe essere lineare, ma non mi ricordo bene) a questo punto dovrebbe essere fatta, no?

[ale_^110]

La caratteristica intensità-corrente è riportata sul datasheet del fotodiodo e fornisce la corrente erogata in funzione dell'irradiazione

in $ \frac{mW}{{cm}^2} $, fissate la tensione inversa e la lunghezza d'onda della luce. Nota la corrente, posso risalire alla intensità della luce in $mw/cm^2$, che so essere legata alla distanza dall'oggetto da una relazione del tipo $ I_r = \frac{I_s}{x^2} $, dove $I_s$ è l'intensità della luce riflessa dalla superficie, giusto? $I_s$ non la conosco... Posso risalire ad essa dalla corrente che attraversa il led emettitore? Mi spiego: il datasheet del led (TSAL 6200) riporta la caratteristica potenza irradiata-corrente .

Partendo dal valore della corrente erogata dal fotodiodo, determino l'intensità per cm^2 e,da questa, moltiplicando per la superficie attiva del fotodiodo, l'intensità ricevuta, $I_r$. L'intensità emessa, indichiamola con $I_e$, la determino dalla caratteristica del led emettitore, direttamente dal grafico (la corrente la conosco). Devo legare $I_e$ ad $I_s$.. Giusto?

[giacor86]

E ma legare teoricamente $I_e$ con $I_s$ è impossibile, se non sai la forma e le proprietà fisiche dell'oggetto di cui stai misurando la distanza..

cmq secondo me la questione è più semplice, almeno per superfici fissate. hai che la caratteristica $logI - logE$ del fotodiodo è circa una retta, allora

$logI = alogE + b$
$I = 10^(alogE + b)$
$I = cE^a$ Con $c=10^b$
Poi sai che $E = E_0/(4pid^2)$ Dove $E_0$ è l'intensità totale irradiata dall'oggetto di cui vuoi misurare la distanza $d$. Quindi

$I = f d^(-2a)$ con $f = c(E_0/(4pi))^a$
e questa è la relazione non lineare che cerchi tu. facendo varie coppie di misure $I-d$ (al limite ne bastano 2, anche se forse sarebbe meglio farne un po' di + e fare una statistica) dovresti ricavare i parametri $f$ ed $a$ ed avere la relazione. Poi in realtà $a$ e $b$ riesci anche a ricavarli dal datasheet quindi da $f$ puoi ricavarti $E_0$ del tuo particolare oggetto/superficie, ed in sto modo puoi caratterizzare le diverse risposte dei diversi bersagli..

[giacor86]

però hai ragione, a pensarci bene.. anche E_0 è funzione della distanza, quindi è un po' + complicata la questione.. anche se secondo me scala anche lei circa col quadrato della distanza e quindi la dipendenza finale dovrebbe essere qualcosa del tipo $I=fd^(-4a)$. prova a vedere se così ti torna un po' coi dati