Analyse og korrektionsmetode for ultralydsafstandssensor

1. Indflydelsen af ​​ultralyds udbredelseshastighed på rækkevidde

Stabil og nøjagtig ultralydsudbredelseshastighed er en nødvendig betingelse for at sikre målenøjagtighed. Udbredelseshastigheden af ​​en bølge afhænger af udbredelsesmediets karakteristika. Temperaturen, trykket og densiteten af ​​udbredelsesmediet vil alle have en direkte effekt på lydens hastighed. Til afstandsmåling er hovedårsagen til ændringen i lydhastighed ændringen i mediets temperatur, som er en af ​​hovedkilderne til fejl i ultrasonisk afstandsmåler . Derfor skal ultralydshastigheden korrigeres i afstandsprocessen. Forholdet mellem ultralydsudbredelseshastigheden i luften og temperaturen kan udtrykkes som c=331,4×1+t/273u33114+01607t (m/s), hvor t er den omgivende temperatur. Derfor har det en stor fejl at bruge ultralydshastigheden på 341m/s ved normal temperatur til at beregne afstanden til ultralydsområdet under forskellige temperaturmiljøer. For at forbedre nøjagtigheden af ​​afstandsmåling er det nødvendigt at udføre temperaturkompensation på ultralydshastigheden og bruge temperatursensorer og andre temperaturmåleanordninger til at måle værdien af ​​miljøtemperaturen og derved opnå ultralydshastigheden i miljøet. Det er også muligt at bruge en kombination af forudindstillet lydhastighed og temperaturkompensation til at korrigere lydhastigheden, hvilket mere effektivt vil reducere fejlen forårsaget af temperaturændringer.

2. Faktorer, der påvirker bestemmelsen af ​​ekkotid t og metoder til at reducere fejl

I måleprocessen, for at forhindre interferens af andre signaler og forbedre målingens pålidelighed, når single-chip computeren begynder at tælle, sender ultralydssensoren ofte et pulstog sammensat af flere firkantbølger (såsom 5-9 pulser som et tog) som måling. Hvis tærskelspændingen af ​​komparatoren i det modtagende kredsløb på ultralydstransducerens afstandsmåling er en vis værdi, på grund af påvirkningen af ​​støv og andre stoffer, er den faktiske måling ikke nødvendigvis nulkrydsningsudløseren for det første ekko. Gennem observation og analyse af det ultralyds modtagende ekko, konstateres det, at efter at det modtagne ekko er detekteret af kuverten, er fronten af ​​kuvertkurven en eksponentielt stigende kurve, cirka ved toppen af ​​den niende bølge til kuverten, og den tredje bølge er cirka 75% af toppen. Derfor er modtagerkredsløbet ofte designet til at stoppe med at tælle, når det tredje ekko modtages. Derfor er den endelige målte tid 3 impulser længere end den faktiske afstand svarende til sendetiden, hvilket forårsager målefejlen for ekkotiden t.

For at forbedre timingens nøjagtighed er det nødvendigt nøjagtigt at detektere ankomsttiden for den ultralyds transducer sensor . En enkelt komparator med en fast tærskelværdi bruges til at detektere ekkoet. På grund af lydbølgens absorptionsdæmpning og diffusionstab under transmission falder lydintensiteten eksponentielt, når afstanden til målet øges. Inden for rækkevidden, afstanden mellem det nærmeste mål og det fjerneste mål. Den store forskel i ekkoamplitude kan få tidspunktet for at krydse tærsklen til at bevæge sig frem og tilbage og derved påvirke nøjagtigheden af ​​timingen.

Metoden til at løse dette problem: Metode et er at bruge et dual-comparator shaping-kredsløb, som mere præcist kan bestemme ankomsttiden for ekkofronten. Som vist i figur 2, er vm spidsspændingen, lad v1 være tærskelspændingen for komparator 1, v2 er tærskelspændingen for komparator 2, (hvor (v2>v1, dens værdi er indstillet ved eksperiment), når ultralydssensoren udsender ultralyd. Når timeren t1 og t0 for den enkelte chip-mikrocomputer, starter f1, når den samme chip-mikrocomputer tid. t0 stopper timing På dette tidspunkt er tiden talt af t0 t1. Når komparatoren 2 vender, stopper t1 tiden.

Den anden metode er at seriekoble det automatiske forstærkningskontrolkredsløb (agc) i ekkomodtagekredsløbet, således at spændingsforstærkningsfaktoren i forstærkerkredsløbets modtagetid stiger eksponentielt med forøgelsen af måleafstanden for at kompensere for absorptionsdæmpningen, og diffusionstab holder ekkoamplituden konstant i det modtagne kredsløbs amplitude eller kun i et lille amplitudeområde, eller kun i et lille amplitude. og derefter output gennem formningskredsløbet, hvilket i høj grad kan forbedre nøjagtigheden af rækkevidden. Selvfølgelig, fordi aGC-kredsløbet (inklusive selve forstærkeren) har en forsinkelse i signalets trinrespons, er den øjeblikkelige sporing muligvis ikke særlig god, og ekkosignalet er bare eksplosivt, så der er en vis fejl, men dette er ubetydeligt.

Den tredje metode er at designe et kredsløb, der gradvist reducerer tærskelspændingen, efterhånden som tiden stiger i løbet af måletiden, og genererer et tærskelsignal, der til enhver tid stiger og aftager eksponentielt og føjes til komparatoren. Dette vil kompensere for returneringen forårsaget af en stigning i måleafstanden. Bølgeamplituden reduceres for at forbedre nøjagtigheden og repeterbarheden af ​​målingen. Ved hjælp af programmerbare forstærkere og digitale potentiometre og andre enheder kan en række af sådanne kredsløb designes gennem kombinationen af ​​software og hardware. Det er også muligt at kombinere en operationsforstærker og et felteffektrør til en styret forstærker. Felteffektrøret bruges som en spændingsstyret modstand til at danne en feedbackreguleringsløkke. Men følgbarheden af ​​dette kredsløb er ikke så god som det ovennævnte digitale kredsløb.

3. Indflydelsen af ​​ultralydsstrålens indfaldsvinkel på detektionsmålet på afstandsmålingen. Hvis systemet bruges til at måle afstanden mellem overfladen og punktet, når indfaldsvinklen for ultralydsbølgen (eller vinklen af ​​den reflekterede bølge, der falder ind på den modtagende transducer) er mindre end 90b, er afstanden målt af systemet (transduceren) det målte punkt (transduceren). I stedet for den lodrette afstand d mellem måleplanet og måleobjektet vil dette forårsage målefejl. Måden at løse dette problem på er at bruge den relevante viden om trekanter til at beregne og korrigere.

4. Død zone

Under afstandsmåling er højfrekvent ultralydstransducer bruger en række ultralydsbølger som målebærer i en periode, så modtagelsen kan først startes, efter at transmissionen er afsluttet. Indstil tidspunktet for afsendelse af strålen til t, så kan signalet, der reflekteres fra objektet inden for t tid, ikke fanges. Derudover har ultralydssensoren en vis inerti, det vil sige, at der er en proces fra tvungen vibration til balanceret vibration til dæmpet vibration. Derfor vil der være en vis efter vibration, efter at transmissionen er afsluttet. Dette efter vibration genererer også et spændingssignal gennem transduceren. Signalet overlejres på ekkosignalet, så kredsløbet ikke kan identificere det sande ekko, hvilket forstyrrer systemets arbejde med at fange retursignalet. Derfor kan systemet ikke aktiveres til ekkomodtagelse, før eftervibrationen forsvinder. Ovenstående to årsager gør, at ultralydssensoren har et vist måleområde, det vil sige, at der er en såkaldt blindzone.

Derudover er der mange andre årsager til målefejl, såsom kommandooperationen tager en vis tid, hvilket gør måledataene for store, stabiliteten og nøjagtigheden af ​​tidsbasens pulsfrekvens og anden materialeinterferens i feltmiljøet.