Lichtreflektion eines Gegenstandes messen

[flammenvogel]

Hallo,

für ein Projekt soll unserer Roboter die Helligkeits eines Gegenstandes messen (0,5 - 1 cm Entfernung). Damit wir die Helligkeit besser messen können, soll der Gegenstand mit einer hellen roten LED angestrahlt werden, die Lichtreflektion soll dann mit einem Photowiderstand gemessen werden.

Soweit die Theorie, das Problem: die praktische Umsetzung (bin leider kein Elektronik Experte ;-) )

1.) Welchen Fotowiderstand/Fotodiode/Fototransistor brauche ich? (Ich hab gelesen das der BPW21 ganz gut sein soll, aber ich würde es gerne genau wissen)

2.) Den Helligkeitswert muss ich irgendwie mit dem Application Board 2.0 für die C-Control messen, möglichst über den AD-Wandler (0..5V). Wie kann ich mit dem AD-Wandler (der ja eigentlich nur Spannungen messen kann) die Helligkeit messen? Ich muss irgendwie eine Schaltung bauen, die den Helligkeitswert des Sensors in eine Spannung von 0..5V umwandelt. Wie muss diese Schaltung aussehen?

3.) Hat jemand sowas schonmal gemacht und kann mir sagen, wie genau so ein Helligkeitsmesser wäre? Wir haben hier Objekte in verschieden Graustufen (weiß bis schwarz), die in der Helligkeit unterschieden werden sollen...

Fragen über Fragen. Ich hoffe ich falle euch mit meinen Anfängerfragen nicht zu sehr auf die Nerven :D

[Besserwessi]

Einen Photowiderstand sollte man nicht nehmen, die sind ziehmlich nichtlinear. Phototransitoren sparen etwas am Verstärker, sind aber nicht so linear wie eine Photodiode. Wenn genügend Lichtstärke vorhanden ist, kann man beim Phototransistor dafür gerade so ohne Verstärker auskommen, bei der Photodiode wohl nicht. Photodiode und Phototransitor liefern einen Strom proportional zur Helligkeit den man über einen Widerstand in eine Spannung umwandelt. Bei der Photdiode wohl besser mit einem Transimpedanzverstärker (Operationsverstärker).

Bei der Photodiode sollte man eine ohne Filter nehmen, auf die Qualität kommt es hier wohl noch nicht an. Eventuell wäre die BPW24 ganz gut wegen der integrierten Linse. Das Könnte einem eine externe Linse Sparen.
Wenn es um die diffuse steuerung geht, dann wohl die LED (ggf. mehrrere) von der Seite und die Photodiode / Phototransistor senkrecht.
Die LEDs wird man wohl vom Controller aus ein/Ausschalten um vom Umgebungslicht unabhängig zu werden. Es sollte reichen Differenz ziwischen beleuchtet und dunkel nach dem AD-wandler digital zu bilden. Wenn man es nicht relativ dunkel hat wird man wohl nicht um eine AC-kopplung und Verstärkung rumkommen.

[Hubert.G]

Die LED und der Fototransistor sollten in der Wellenlänge des Lichts zusammenpassen.
Mit einem Widerstand und dem Fototransistor einen Spannungsteiler bilden und von dort auf den ADC-Eingang. Als Widerstand eventuell ein Poti.
Diese Art von Helligkeitsmessung ist stark von der Umgebungshelligkeit abhängig. Reproduzierbar daher nur unter den exakt gleichen Bedingungen.

[Jannik]

Hallo,
Ich habe auch nicht gerade sehr viel Ahnung von dem Thema, aber ich will mal mein Senf dazu geben.
Zu Punkt 1:
Es kommt natürlich auf die Wellenlänge des Lichts an, welches du erfassen willst. Dazu gibt es "irgendwo" Tabellen.
Punkt 2:
Du greift ja Quasi die Spannung, die an deinem Fotowiderstand abfällt von deinem Widerstand ab und wertest diese aus. Je nachdem wie stark die Intensivität des Lichts schwankt und welchen Widerstand du verwendest hast du vll. schon schwankungen zwischen 0...5V. Ansonsten kann man die Spannung auch mittels OP verstärken.
Es ist wohl auch möglich eine interne Referenzspannung im Controler von 2,56V zu nutzen.
Zu 3:
Nein ;)

Ich würde mir einfach mal ein "paar" Widerstände besorgen und damit experimentieren, welcher die besten Ergebnisse liefert. Eine grobe auswahl sollte vorher dann anhand der Wellenlänge getroffen werden.
Habe soetwas leider auch noch nie gemacht. Aber ich denke so verkehrt ist das nicht.

[flammenvogel]

Also, erstmal danke für die víelen Antworten...

Was die Wellenlänge des zu messenden Lichtes anbelangt. Ich wollte wie gesagt einfach eine rote LED nehmen (also irgendwas mit einer Wellenlänge von 650 - 750 nm). Ideal wäre es natürlich für die Messung, wenn man einen Fototransistor/Fotodiode hätte, die nur auf diese Wellenlänge (der LED) abgestimmt ist. Leider konnte ich so etwas bisher nicht finden.

Was das Umgebungslicht angeht, um den Einfluss zu minimieren soll eben auch einer möglichst kurzen Entfernung gemessen werden. Eventuell ließe sich auch noch eine kleine Abschirmung, um den Messsensor herum realisieren, sodass die LED wirklich die einzige Lichtquelle ist.

Ich denke ich werde einfach mal ein paar Operationsverstärker, Fototransistoren und Fotodioden bestellen und mal ein bisschen basteln.

Ich melde mich dann wieder, wenn die ersten Probleme auftauchen^^

Eine Frage noch, wie sieht das mit der Reaktionszeit der Fotodioden/Fototransitoren aus? Ich hab gelesen, das Fototransitoren langsamer sein sollen als Fotodioden. Könnt ihr mir sagen um wieviel langsamer? (mehr als 250ms Verzögerung sollten es nämlich nicht sein)...

[Jannik]

Wieso eigentlich eine rote LED? Wieso kein Infrarot? Da wird man denke ich weniger Probleme mit Störungen von anderen Lichtquellen haben.

[flammenvogel]

Unserer Orientierungssystem arbeitet bereits mit Infrarotlicht, daher möchte ich möglichst keine andere Infrarotquelle haben...

[Herkulase]

Was genau meins Du denn mit "Helligkeit"? Was genau soll denn die Messung aussagen? Wieviel ROTes Licht Reflektiert wird, oder wie stark die Reflexion algemein ist? Dann müsstest Du natürlich mit verschiedenen Wellenlängen messen. Was die Störbarkeit der Anordnung durch Umgebungslicht angeht: hier moduliert man meistens das "Messlicht" mit irgendeiner Frequenz. So kann man es von anderem Licht unterscheiden.
Im allgemeinen brauchen Fotowiderstände auch eine wesentlich längere Belichtungszeit, bis sie einen stabilen Wert einstellen. Die sind recht träge.

[Besserwessi]

Wegen der passenden Photodiode zur LED braucht man sich nicht viel sorgen machen, die meisten photodioden oder Phototransitoren gehen von ca. 400 nm bis ca. 980 nm. Die Empfindlichkeit ist im roten oder Ir größer als im blauen oder grünen.
Wenn man das ganze abschirmen kann, geht das ganz gut abwechselnd mit und ohne LED zu messen.
Für reproduzierbare Ergebnisse muß vor allem der Abstand und Winkel zwischen Probe und Photdiode/Phototransistor konstant bleiben.
Wenn man mehrere LED-Farben nimmt kann man sogar recht gut verschiedene Farben unterscheiden. Mit passendem Verstärker reichen auch die blauen LEDs noch gut aus.

Beim Operationsverstärker sollte man darauf achent einen zu kaufen, der auch mit 5 V noch klar kommt (z.B. TLC272, TS912, LM358).

[flammenvogel]

Ich habe mir jetzt ein paar Fototransistoren besorgt.

Leider gibt es ein kleines Problem. Ich habe mich jetzt für den Fototransistor BPW 40N entschieden. Wenn ich den Fototransistor wie in der Schaltskizze anschließe, kann ich auch eine Spannung messen. Leider will das ganze irgendwie nicht so recht mit dem RN-Control Board funktionieren. Ich messe dort immer den Wert 1024. Kann mir jemand auf die Sprünge helfen?

[oberallgeier]

Hallo flammenvogel,


... die Helligkeits eines Gegenstandes messen (0,5 - 1 cm Entfernung). Damit wir die Helligkeit besser messen können, soll der Gegenstand mit einer hellen roten LED angestrahlt werden, ...Fragen über Fragen. Ein Gegenstand ... ein bestimmter, gleichbleibender, oder ein unbestimmter zufälliger Gegenstand? Ich vermute, dass die Helligkeit zufällig herumliegender Gegenstände gemessen werden soll.

Aus Deiner Aufgabenstellung lese ich aber auch heraus, dass Du nicht die Helligkeit eines Gegenstandes messen willst - das wäre dann eine Art Messung wie sie der Fotoapparat vom Motiv macht - sondern dass Du die Lichtreflexion der Gegenstands-Oberfläche messen willst. Jetzt wird es etwas diffiziler. Welche Farbe hat der Gegenstand? Welche Oberfläche hat er? Mit welcher Farbe misst Du - ok, mit einer roten LED....

Nehmen wir mal einen hübschen Swarowsky-Würfel. Der steht mit seiner Fläche leicht schräg zu Deiner Messeinrichtung - bummms - da wirste wahrscheinlich wenig Brauchbares messen, das Licht Deiner Mess-L E D wird wohl weggespiegelt werden. Nehmen wir also einen ebenso hübschen Würfel aus festem, knallegrünen Fotokarton. Nun scheinst Du mit Deiner roten Leucht di ode drauf - und wirst (fast) nix messen. Bummmms - jetzt zeigt sich, dass das rote Licht vom grünen Karton geschluckt wird - es wird also nicht reflektiert (ist ja ein grüner Karton, der reflektiert üblicherweise nur grünes Licht). Schlimm schlimm, gell?

Ich hab das etwas ausführlich oder langatmig dargestellt - Herkulase hatte ja schon das Gleiche gesagt, nur viel kürzer. Langer Rede kurzer Sinn: Leuchtdioden haben z.T. ein ziemlich enges Emissionsspektrum - wenn das von Deinem Gegenstand nicht reflektiert wird, weil der die falsche Farbe hat, dann bleibt er dunkel . . . für Deine Messeinrichtung.

Es kommt noch schlimmer: Ich habe bei ähnlichen Messungen (https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?p=365779#365779) festgestellt, dass mit diesem Reflexionsverfahren (zur Messung der Helligkeit) selbst bei diffus streuenden Oberflächen drastisch geringere Helligkeitswerte gemessen werden, wenn die angestrahlte Fläche gleich weit entfernt, aber 45 ° zur Messeinrichtung geneigt ist (IR-Licht, 950 nm, gepulst mit 37 kHz, ED während eines Pulses wird zu Messzwecken variiert).

Fazit: eine hübsche Aufgabe . . . .

[Besserwessi]

Die Schaltung oben ist falsch: der Widerstand gehört von GND and den AD Eingang. Einfach nur von VCC nach GND gibt doch nur etwas Stromverbrauch aber wenig sinnvolles.
@Oberallgeier:
Das Spektrum der LEDs kann man auch nutzen um verschiedene farben zu unterscheiden. Man muß halt nur mehr als eine LED nehmen. Zur Helligkietsmessung solle man den direkt reflektierten Anteil nicht mit nehmen. Normal sind 45 Grad Lichteinfall und messen des senkrecht zur Oberfläche abgestrahlten Licht.

[flammenvogel]

@Besserwessi: Hmm, stimmt. kA wie wir darauf gekommen sind. Wir wursteln schon ein bisschen länger mit der Schaltung rum und sind mitlerweile wohl ein bisschen "blind" ;-)

@oberallgeier: So dramatisch ist das Problem nicht, wir messen aus wenigen Millimetern Abstand und im 90° Winkel zur abzutastenen Fläche, außerdem haben wir um die Messaperatur eine kleinen Sichtschutz gebaut, der die Messaperatur vom Umgebungslicht weitestgehend abschirmt...