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Untersuchungen zum Abstandssensor GP2D12


Aufgrund verschiedentlich aufgetretener Probleme mit den Abstandssensoren GP2D12 haben wir diese Bauteile ein wenig eingehender untersucht. Hier die Ergebnisse und Folgerungen daraus:

Spikes im Ausgang

Betreibt man einen GP2D12 direkt an einem geregelten Labornetzteil - also außerhalb aller Einflüsse des c`t-Bot - so ergibt sich am Ausgang folgendes Bild:

Man sieht also einen sehr kräftigen positiven Spike etwa alle 1mS und ein Paar kleinerer Spikes in gleichem Rythmus im Abstand von etwa 150uS, einer positiv, der andere negativ.

Lötet man einen kleinen 100nF-Kondensator direkt an die Betriebsspannungspins des GP2D12 wie hier gezeigt:

so verschwindet der große Spike:

es muß natürlich nicht ein SMD-Kondensator sein, entscheidend ist aber ein kurzer Weg.

Das Paar kleinerer Spikes kann man sehr verkleinern, wenn man parallel zu dem 100nF-Kondensator noch einen Tantalelko 10uF zu dem 100nF parallel schaltet (Polung beachten):

Dann ist bei gleicher Oszilloskopeinstellung das Spikepaar nicht mehr erkennbar:

Erst bei viel größerer Empfindlichkeit ist es noch schwach zu sehen:

Es sei noch einmal betont, daß diese Messungen allesamt außerhalb der Bot-Umgebung aufgenommen sind - das sind also Design-Eigenschaften des Sensors selbst.

Betrieb über BS250

Der als Schalter eingesetzte FET BS250 hat im durchgeschalteten Zustand laut Datenblatt einen Restwiderstand von etwa 14 Ohm. Die daraus resultierende "Bremse" in der Betriebsspannung läßt sich recht einfach kompensieren, wenn man dicht an jeden Abstandssensor einen 100uF-Elko mit kleinem Innenwiderstand an die Betriebsspannung schaltet.

Alternativ kann man auch den Transistor überbrücken, verzichtet dann aber auf die Möglichkeit, die Sensoren zur Energieeinsparung abzuschalten.

Messzyklen

Die Sensoren haben eine Mess-Zykluszeit von etwa 38mS. Nur in diesen Intervallen ändert sich das Ausgangssignal, während der Messperiode wird es konstant gehalten. Dies ist sehr schön erkennbar, wenn man den Sensor vor einer sich drehenden Halbscheibe montiert und den Ausgang aufnimmt:

Es entsteht also nicht wie man vielleicht erwarten könnte ein trapezförmiges Signal sondern vielmehr eine Folge von Treppenstufen. Aus dieser Erkenntnis lassen sich diverse Folgerungen für die Software ableiten - es ist beispielsweise wenig sinnvoll, den Sensor in sehr kurzen Abständen immer wieder abzufragen.

Abstrahlwinkel

Der Sensor hat ein sehr enges Messfeld (etwa 1,4 Grad in beiden Achsen). Allerdings ist der Abstrahlwinkel der eingebauten Leuchtdiode offenbar viel größer - betreibt man die beiden Senoren parallel wie im c´t-Bot vorgesehen, entsteht ein unruhiges Ausgangssignal. Eine kleine seitliche Abschattung der LED wie im nachfolgenden Bild gezeigt beruhigt die Signale:

teilweise erfaßte Objekte

Ein verblüffendes Experiment ist folgendes: läßt man den Sensor "in die Ferne" schauen (also kein Objekt im Meßbereich) und bringt dann ein Objekt (Karton) etwa zur Hälfte in den Strahlengang, so gibt der Sensor den dafür korrekten Abstandswert aus.

Stellt man nun einen weiteren Karton 10cm hinter diese Anordnung, so wechselt der Ausgangswert des Sensors plötzlich zu dem diesem entsprechenden Abstandswert. Man kann sich also bei einem Messwert nicht unbedingt darauf verlassen, daß nicht ein weiteres Objekt dichter am Sensor ist, wenn dieses nur teilweise im Messwinkel ist.

leitendes Gehäuse

Das Kunststoffgehäuse des GP2D12 ist niederohmig leitend (etwa 200 Ohm zwischen den beiden Schraublöchern gemessen). Dazu liegt es über die Schraube, mit der das Innenleben im Sensorgehäuse befestigt ist, auf der Betriebsspannungsmasse des Sensors.

Bei der normalen Befestigungsart der Sensoren wird hierüber das Chassis des c´t-Bot mit einem gewissen Übergangswiderstand an zwei getrennten Stellen auf Masse gelegt. Es wäre vorstellbar - experimentell war es nicht nachzuweisen - daß hierüber eine Art Brummschleife entsteht. Wenn jemand also trotz der oben geschilderten Maßnahmen stark schwankende Meßwerte erhält, wäre es einen Versuch Wert, einen der beiden Sensoren (oder beide) mit Kunststoffschrauben unter Beilegung einer Kunststoff-Unterlegscheibe zwischen Sensorgehäuse und Alu-Träger isoliert anzuschrauben. Bei unseren Experimenten konnte hier kein Einfluß erzielt werden, das kann aber durchaus im Bereich von Exemplarstreuungen eine Auswirkung haben.

In jedem Fall ist natürlich darauf zu achten, daß keine Lötstellen der Sensorplatinen Kontakt zu den Sensorgehäusen haben, das kann dann zu sehr seltsamen Effekten führen.

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gp2d12.shtml (06.02.2011 16:10:03)