Metoda analýzy a korekce ultrazvukového snímače vzdálenosti

1.Vliv rychlosti šíření ultrazvuku na rozsah

Stabilní a přesná rychlost šíření ultrazvuku je nezbytnou podmínkou pro zajištění přesnosti měření. Rychlost šíření vlny závisí na vlastnostech prostředí, v němž se šíří. Teplota, tlak a hustota média šíření budou mít přímý vliv na rychlost zvuku. Pro měření vzdálenosti je hlavní příčinou změny rychlosti zvuku změna teploty média, která je jedním z hlavních zdrojů chyb v ultrazvukový senzor pro měření vzdálenosti . Proto v procesu měření vzdálenosti musí být korigována rychlost ultrazvuku. Vztah mezi rychlostí šíření ultrazvuku ve vzduchu a teplotou lze vyjádřit jako c=331,4×1+t/273u33114+01607t (m/s), kde t je teplota okolí. Proto použití rychlosti ultrazvuku 341 m/s při normální teplotě pro výpočet vzdálenosti ultrazvuku v různých teplotních prostředích má velkou chybu. Aby se zlepšila přesnost měření vzdálenosti, je nutné provést teplotní kompenzaci rychlosti ultrazvuku a použít teplotní senzory a další zařízení pro měření teploty k měření hodnoty teploty prostředí, čímž se získá rychlost ultrazvuku v prostředí. Pro korekci rychlosti zvuku je také možné použít kombinaci předvolby rychlosti zvuku a teplotní kompenzace, která efektivněji sníží chybu způsobenou změnami teploty.

2. Faktory ovlivňující stanovení doby echa t a metody pro snížení chyb

V procesu měření, aby se zabránilo rušení jiných signálů a zlepšila se spolehlivost měření, když jednočipový počítač začne počítat, ultrazvukový senzor často vysílá jako měření sled pulsů složený z více obdélníkových vln (například 5-9 pulsů jako sled). Pokud prahové napětí komparátoru v přijímacím obvodu Měření vzdálenosti ultrazvukovým snímačem je určitá hodnota, vzhledem k vlivu prachu a jiných látek nemusí být skutečné měření nutně spouštěčem prvního echa procházející nulou. Prostřednictvím pozorování a analýzy ultrazvukového přijímaného echa se zjistí, že poté, co je přijaté echo detekováno obálkou, přední část křivky obálky je exponenciálně rostoucí křivka, přibližně na vrcholu deváté vlny k obálce, a třetí vlna je přibližně 75 % vrcholu. Proto je přijímací obvod často navržen tak, aby zastavil počítání, když je přijato třetí echo. Výsledný měřený čas je tedy o 3 pulsy delší než skutečná vzdálenost odpovídající času odeslání, což způsobuje chybu měření času echa t.

Aby se zlepšila přesnost načasování, je nutné přesně detekovat čas příjezdu ultrazvukový snímač snímače . K detekci echa se používá jediný komparátor s pevným prahem. V důsledku útlumu absorpce a difúzní ztráty zvukové vlny během přenosu intenzita zvuku exponenciálně klesá s rostoucí vzdáleností cíle. V rámci dosahu, vzdálenost mezi nejbližším a nejvzdálenějším cílem Velký rozdíl v amplitudě ozvěny může způsobit, že se doba překročení prahové hodnoty bude pohybovat tam a zpět, a tím ovlivnit přesnost načasování.

Metoda k vyřešení tohoto problému: Metodou jedna je použití tvarovacího obvodu s dvojitým komparátorem, který může přesněji určit dobu příchodu ozvěny. Jak je znázorněno na obrázku 2, vm je špičkové napětí, nechť v1 je prahové napětí komparátoru 1, v2 je prahové napětí komparátoru 2, (kde (v2>v1, jeho hodnota je nastavena experimentem), když ultrazvukový senzor vysílá ultrazvuk. Když časovač t1 a t0 jednočipového mikropočítače spustí čas, když se komparátor zastaví na stejném čase f0 časování V tomto okamžiku je čas počítaný t0 t1 Když se komparátor 2 překlopí, t1 časování zastaví V tomto okamžiku je čas počítaný t1 t2, zjevně t2>t1, t je doba šíření odpovídající přední hraně echa, pak je vzdálenost vypočítaná pomocí t1 přesnější.

Druhou metodou je sériové připojení obvodu automatického řízení zesílení (agc) do obvodu pro příjem ozvěny, takže během doby příjmu zesilovacího obvodu se faktor zesílení napětí exponenciálně zvyšuje s rostoucí vzdáleností měření, aby se kompenzoval útlum absorpce, a ztráta difúze udržuje amplitudu přijímaného obvodu ozvěny konstantní nebo se může měnit pouze v malém rozsahu, aby vyhovoval požadavkům na tvarování výstupu. zlepšit přesnost určování vzdálenosti. Samozřejmě, protože obvod aGC (včetně samotného zesilovače) má zpoždění ve skokové odezvě signálu, okamžité sledování nemusí být příliš dobré a echo signál je prostě výbušný, takže existuje určitá chyba, ale je zanedbatelná.

Třetí metodou je navrhnout obvod, který postupně snižuje prahové napětí, jak se čas zvyšuje během doby měření, a generuje prahový signál, který se kdykoli zvyšuje a exponenciálně klesá a je přidán do komparátoru. To bude kompenzovat návrat způsobený zvýšením vzdálenosti měření. Amplituda vlny je snížena, aby se zlepšila přesnost a opakovatelnost měření. Pomocí programovatelných zesilovačů a digitálních potenciometrů a dalších zařízení, prostřednictvím kombinace softwaru a hardwaru, lze navrhnout řadu takových obvodů. Je také možné kombinovat operační zesilovač a elektronku s efektem pole a vytvořit tak řízený zesilovač. Elektronka s efektem pole se používá jako napěťově řízený odpor k vytvoření zpětnovazební regulační smyčky. Sledovatelnost tohoto obvodu ale není tak dobrá jako u výše uvedeného digitálního obvodu.

3. Vliv úhlu dopadu ultrazvukového paprsku na cíl detekce na vzdálenost.Pokud se systém používá k měření vzdálenosti mezi povrchem a bodem, když úhel dopadu ultrazvukové vlny (nebo úhel odražené vlny dopadající na přijímací snímač) je menší než 90b, je vzdálenost naměřená systémem měřeným bodem (objektem) a snímačem. Spíše než vertikální vzdálenost d mezi rovinou měření a měřeným objektem to způsobí chyby měření. Způsob, jak tento problém vyřešit, je využít k výpočtu a opravě příslušné znalosti trojúhelníků.

4. Mrtvá zóna

Během měření vzdálenosti se vysokofrekvenční ultrazvukový převodník používá řadu ultrazvukových vln jako nosič měření po určitou dobu, takže příjem může být zahájen až po dokončení přenosu. Nastavte čas vyslání paprsku na t, pak signál odražený od objektu v čase t nelze zachytit. Ultrazvukový snímač má navíc určitou setrvačnost, to znamená, že probíhá proces od vynucených vibrací přes vyvážené vibrace až po tlumené vibrace. Po dokončení přenosu tedy dojde k určitým vibracím. To po vibraci také generuje napěťový signál přes převodník. Signál je superponován se signálem echa, takže obvod nemůže identifikovat skutečnou ozvěnu, což narušuje práci systému při zachycování zpětného signálu. Systém proto nelze aktivovat pro příjem ozvěny, dokud nezmizí následné vibrace. Výše uvedené dva důvody způsobují, že ultrazvukový senzor má určitý rozsah měření, to znamená, že existuje takzvaná slepá zóna.

Kromě toho existuje mnoho dalších příčin chyb měření, například operace příkazu trvá určitou dobu, díky čemuž jsou naměřená data příliš velká, stabilita a přesnost frekvence impulzů časové základny a další materiálové rušení v prostředí pole.