طريقة التحليل والتصحيح لمستشعر المدى بالموجات فوق الصوتية

1. تأثير سرعة الانتشار بالموجات فوق الصوتية على المدى

تعد سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية المستقرة والدقيقة شرطًا ضروريًا لضمان دقة القياس. تعتمد سرعة انتشار الموجة على خصائص وسط الانتشار. سيكون لدرجة الحرارة والضغط والكثافة لوسط الانتشار تأثير مباشر على سرعة الصوت. بالنسبة لقياس المسافة فإن السبب الرئيسي لتغير سرعة الصوت هو التغير في درجة حرارة الوسط، وهو أحد المصادر الرئيسية للأخطاء في قياس المسافة. مستشعر قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية . لذلك، في عملية النطاق، يجب تصحيح سرعة الموجات فوق الصوتية. يمكن التعبير عن العلاقة بين سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء ودرجة الحرارة بـ c=331.4×1+t/273u33114+01607t (m/s)، حيث t هي درجة الحرارة المحيطة. ولذلك، فإن استخدام سرعة الموجات فوق الصوتية البالغة 341 م / ث في درجة الحرارة العادية لحساب مسافة الموجات فوق الصوتية التي تتراوح تحت بيئات درجات الحرارة المختلفة له خطأ كبير. من أجل تحسين دقة قياس المسافة، من الضروري إجراء تعويض درجة الحرارة على سرعة الموجات فوق الصوتية، واستخدام أجهزة استشعار درجة الحرارة وأجهزة قياس درجة الحرارة الأخرى لقياس قيمة درجة حرارة البيئة، وبالتالي الحصول على سرعة الموجات فوق الصوتية في البيئة. من الممكن أيضًا استخدام مجموعة من سرعة الصوت المضبوطة مسبقًا وتعويض درجة الحرارة لتصحيح سرعة الصوت، مما سيقلل بشكل أكثر فعالية الخطأ الناتج عن تغيرات درجة الحرارة.

2. العوامل المؤثرة في تحديد زمن الصدى وطرق تقليل الأخطاء

في عملية القياس، من أجل منع تداخل الإشارات الأخرى وتحسين موثوقية القياس، عندما يبدأ الكمبيوتر ذو الشريحة الواحدة في العد، غالبًا ما يرسل المستشعر بالموجات فوق الصوتية قطارًا نبضيًا يتكون من موجات مربعة متعددة (مثل 5-9 نبضات كقطار) كقياس. إذا كان جهد عتبة المقارنة في دائرة الاستقبال يعد قياس مسافة محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية قيمة معينة، نظرًا لتأثير الغبار والمواد الأخرى، قد لا يكون القياس الفعلي بالضرورة هو الزناد الصفري للصدى الأول. من خلال مراقبة وتحليل صدى الاستقبال بالموجات فوق الصوتية، وجد أنه بعد اكتشاف الصدى المستقبل بواسطة المغلف، يكون الجزء الأمامي من منحنى المغلف منحنى صاعد بشكل كبير، تقريبًا عند ذروة الموجة التاسعة إلى المغلف، والموجة الثالثة حوالي 75٪ من الذروة. لذلك، غالبًا ما يتم تصميم دائرة الاستقبال بحيث تتوقف عن العد عند استقبال الصدى الثالث. ولذلك، فإن الوقت المقاس النهائي هو 3 نبضات أطول من المسافة الفعلية المقابلة لوقت الإرسال، مما يسبب خطأ في قياس وقت الصدى t.

من أجل تحسين دقة التوقيت، من الضروري الكشف بدقة عن وقت وصول استشعار محول بالموجات فوق الصوتية . يتم استخدام مقارنة واحدة ذات عتبة ثابتة للكشف عن الصدى. بسبب توهين الامتصاص وفقدان انتشار الموجة الصوتية أثناء الإرسال، تتضاءل شدة الصوت بشكل كبير مع زيادة مسافة الهدف. ضمن النطاق، المسافة بين أقرب هدف وأبعد هدف، قد يؤدي الاختلاف الكبير في سعة الصدى إلى تحرك وقت عبور العتبة ذهابًا وإيابًا، مما يؤثر على دقة التوقيت.

طريقة حل هذه المشكلة: الطريقة الأولى هي استخدام دائرة تشكيل مقارنة مزدوجة، والتي يمكنها تحديد وقت وصول واجهة الصدى بدقة أكبر. كما هو موضح في الشكل 2، vm هو جهد الذروة، فليكن v1 هو جهد عتبة المقارنة 1، v2 هو جهد عتبة المقارنة 2، (حيث (v2 > v1، يتم تعيين قيمته عن طريق التجربة)، عندما يصدر مستشعر الموجات فوق الصوتية الموجات فوق الصوتية. عندما يبدأ المؤقت t1 وt0 للكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة التوقيت في نفس الوقت، عندما تنقلب المقارنة 1، يتوقف t0 عن التوقيت. محسوب بواسطة t0 هو t1. عندما ينقلب المقارنة 2، يتوقف t1 عن التوقيت. في هذا الوقت، الوقت المحسوب بواسطة t1 هو t2، من الواضح أن t2>t1، t هو وقت الانتشار المقابل للحافة الأمامية للصدى، وبالتالي فإن المسافة المحسوبة بواسطة t أكثر دقة من t1 وt2.

الطريقة الثانية هي التوصيل التسلسلي لدائرة التحكم في الكسب التلقائي (agc) في دائرة استقبال الصدى، بحيث يزيد عامل تضخيم الجهد بشكل كبير مع زيادة مسافة القياس للتعويض عن توهين الامتصاص وفقدان الانتشار، أثناء وقت استقبال دائرة التضخيم، أو يتغير فقط في نطاق صغير لتلبية متطلبات دائرة التشكيل، ثم يخرج من خلال دائرة التشكيل، مما يمكن أن يحسن دقة المدى بشكل كبير. بالطبع، نظرًا لأن دائرة AGC (بما في ذلك مكبر الصوت نفسه) بها تأخر في الاستجابة لخطوة الإشارة، فقد لا يكون التتبع الفوري جيدًا جدًا، وإشارة الصدى متفجرة فقط، لذلك هناك خطأ معين، لكن هذا لا يكاد يذكر.

الطريقة الثالثة هي تصميم دائرة تعمل على تقليل جهد العتبة تدريجيًا مع زيادة الوقت خلال زمن القياس، وتولد إشارة عتبة تزيد في أي وقت وتتناقص بشكل كبير وتضاف إلى جهاز المقارنة. وهذا سوف يعوض الإرجاع الناتج عن زيادة مسافة القياس. يتم تقليل سعة الموجة لتحسين دقة القياس وتكراره. باستخدام مكبرات الصوت القابلة للبرمجة ومقاييس فرق الجهد الرقمية وغيرها من الأجهزة، من خلال الجمع بين البرامج والأجهزة، يمكن تصميم مجموعة متنوعة من هذه الدوائر. من الممكن أيضًا الجمع بين مكبر الصوت التشغيلي وأنبوب التأثير الميداني لتشكيل مكبر صوت يتم التحكم فيه. يتم استخدام أنبوب التأثير الميداني كمقاوم يتم التحكم فيه بالجهد لتشكيل حلقة تنظيم التغذية الراجعة. لكن قابلية متابعة هذه الدائرة ليست بجودة الدائرة الرقمية المذكورة أعلاه.

3. تأثير زاوية سقوط شعاع الموجات فوق الصوتية على هدف الكشف على النطاق. إذا تم استخدام النظام لقياس المسافة بين السطح والنقطة، عندما تكون زاوية سقوط الموجة فوق الصوتية (أو زاوية سقوط الموجة المنعكسة على محول الطاقة المستقبل) أقل من 90 ب، فإن المسافة التي يقاسها النظام هي النقطة المقاسة (الجسم) ومحول الطاقة. بدلاً من المسافة الرأسية d بين مستوى القياس وجسم القياس، سيؤدي ذلك إلى أخطاء في القياس. طريقة حل هذه المشكلة هي استخدام المعرفة ذات الصلة بالمثلثات للحساب والتصحيح.

4. المنطقة الميتة

أثناء قياس المسافة، يستخدم محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية عالية التردد سلسلة من الموجات فوق الصوتية كحامل قياس لفترة من الوقت، لذلك لا يمكن بدء الاستقبال إلا بعد اكتمال الإرسال. اضبط وقت إرسال الشعاع على t، ثم لا يمكن التقاط الإشارة المنعكسة من الكائن خلال الوقت t. بالإضافة إلى ذلك، يحتوي المستشعر بالموجات فوق الصوتية على بعض الجمود، أي أن هناك عملية من الاهتزاز القسري إلى الاهتزاز المتوازن إلى الاهتزاز المخمد. لذلك، سيكون هناك اهتزاز معين بعد اكتمال الإرسال. وهذا بعد الاهتزاز يولد أيضًا إشارة جهد عبر محول الطاقة. ويتم تركيب الإشارة على إشارة الصدى، بحيث لا تتمكن الدائرة من التعرف على الصدى الحقيقي، مما يعطل عمل النظام في التقاط إشارة العودة. ولذلك، لا يمكن تنشيط النظام لاستقبال الصدى قبل اختفاء الاهتزاز اللاحق. السببان المذكوران أعلاه يتسببان في أن يكون لدى مستشعر الموجات فوق الصوتية نطاق قياس معين، أي أن هناك ما يسمى بالمنطقة العمياء.

بالإضافة إلى ذلك، هناك العديد من الأسباب الأخرى لأخطاء القياس، مثل أن عملية الأمر تستغرق قدرًا معينًا من الوقت، مما يجعل بيانات القياس كبيرة جدًا، واستقرار ودقة تردد النبض الأساسي للوقت، وتداخل المواد الأخرى في البيئة الميدانية.