روش تحلیل و تصحیح سنسور محدوده التراسونیک

1. تاثیر سرعت انتشار اولتراسونیک در محدوده

سرعت انتشار اولتراسونیک پایدار و دقیق شرط لازم برای اطمینان از دقت اندازه گیری است. سرعت انتشار یک موج به ویژگی های محیط انتشار بستگی دارد. دما، فشار و چگالی محیط انتشار همگی تأثیر مستقیمی بر سرعت صوت خواهند داشت. برای اندازه گیری فاصله، علت اصلی تغییر سرعت صوت، تغییر دمای محیط است که یکی از منابع اصلی خطا در سنسور اندازه گیری فاصله اولتراسونیک بنابراین، در فرآیند محدوده، سرعت اولتراسونیک باید اصلاح شود. رابطه بین سرعت انتشار اولتراسونیک در هوا و دما را می توان به صورت c=331.4×1+t/273u33114+01607t (m/s) بیان کرد که t دمای محیط است. بنابراین، استفاده از سرعت اولتراسونیک 341 متر بر ثانیه در دمای معمولی برای محاسبه فاصله دامنه فراصوت در محیط‌های دمایی مختلف دارای خطای زیادی است. به منظور بهبود دقت اندازه‌گیری فاصله، باید جبران دما را روی سرعت اولتراسونیک انجام داد و از سنسورهای دما و سایر دستگاه‌های اندازه‌گیری دما برای اندازه‌گیری مقدار دمای محیط استفاده کرد و از این طریق سرعت اولتراسونیک در محیط را بدست آورد. همچنین می توان از ترکیبی از پیش تنظیم سرعت صدا و جبران دما برای اصلاح سرعت صدا استفاده کرد که به طور موثرتری خطای ناشی از تغییرات دما را کاهش می دهد.

2. عوامل موثر در تعیین زمان اکو t و روش های کاهش خطا

در فرآیند اندازه گیری، به منظور جلوگیری از تداخل سیگنال های دیگر و بهبود قابلیت اطمینان اندازه گیری، زمانی که کامپیوتر تک تراشه شروع به شمارش می کند، سنسور اولتراسونیک اغلب یک قطار پالسی متشکل از امواج مربعی متعدد (مانند 5-9 پالس به عنوان یک قطار) را به عنوان اندازه گیری ارسال می کند. اگر ولتاژ آستانه مقایسه کننده در مدار گیرنده از اندازه‌گیری فاصله مبدل اولتراسونیک مقدار مشخصی است، به دلیل تأثیر گرد و غبار و سایر مواد، اندازه‌گیری واقعی ممکن است لزوماً محرک عبور از صفر اولین اکو نباشد. از طریق مشاهده و تجزیه و تحلیل پژواک دریافت کننده اولتراسونیک، مشخص شد که پس از تشخیص پژواک دریافتی توسط پاکت، جلوی منحنی پاکت یک منحنی افزایش نمایی است، تقریباً در اوج موج نهم به پاکت، و موج سوم تقریباً 75٪ از اوج است. بنابراین، مدار دریافت اغلب طوری طراحی می شود که با دریافت سومین اکو، شمارش متوقف شود. بنابراین زمان اندازه گیری نهایی 3 پالس بیشتر از فاصله واقعی مربوط به زمان ارسال است که باعث خطای اندازه گیری زمان اکو t می شود.

به منظور بهبود دقت زمان بندی، لازم است که زمان رسیدن به دقت تشخیص داده شود مبدل اولتراسونیک سنسور یک مقایسه کننده منفرد با آستانه ثابت برای تشخیص اکو استفاده می شود. به دلیل تضعیف جذب و از دست دادن انتشار موج صوتی در حین انتقال، با افزایش فاصله هدف، شدت صدا به طور تصاعدی کاهش می یابد. در محدوده، فاصله بین نزدیکترین هدف و دورترین هدف تفاوت زیاد در دامنه پژواک ممکن است باعث شود که زمان عبور از آستانه به عقب و جلو حرکت کند و در نتیجه بر دقت زمانبندی تأثیر بگذارد.

روش حل این مشکل: روش اول استفاده از مدار شکل دهی با مقایسه کننده دوگانه است که می تواند زمان رسیدن جلوی اکو را با دقت بیشتری تعیین کند. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، vm اوج ولتاژ است، اجازه دهید v1 ولتاژ آستانه مقایسه کننده 1 باشد، v2 ولتاژ آستانه مقایسه کننده 2 است، (که در آن (v2>v1، مقدار آن توسط آزمایش تنظیم می شود)، زمانی که حسگر اولتراسونیک مافوق صوت را منتشر می کند. وقتی مقایسه‌کننده 1 می‌چرخد، t0 زمان‌بندی را متوقف می‌کند، در این زمان، زمان شمارش t0، t1 است، t1 زمان‌بندی را متوقف می‌کند.

روش دوم اتصال سریالی مدار کنترل بهره خودکار (agc) در مدار دریافت اکو است، به طوری که در طول زمان دریافت مدار تقویت کننده، ضریب تقویت ولتاژ به صورت تصاعدی با افزایش فاصله اندازه گیری افزایش می یابد تا میرایی جذب جبران شود و تلفات انتشار، دامنه یا تغییرات مورد نیاز شکل دریافتی را تنها در یک محدوده مورد نیاز شکل دریافتی ثابت نگه می دارد. سپس از طریق مدار شکل دهی خروجی، که می تواند تا حد زیادی دقت محدوده را بهبود بخشد. البته به دلیل اینکه مدار aGC (از جمله خود تقویت کننده) در پاسخ گامی سیگنال تاخیر دارد، ردیابی آنی ممکن است خیلی خوب نباشد و سیگنال اکو فقط انفجاری است، بنابراین یک خطای خاص وجود دارد، اما این ناچیز است.

روش سوم طراحی مداری است که با افزایش زمان در طول زمان اندازه گیری به تدریج ولتاژ آستانه را کاهش می دهد و سیگنال آستانه ای تولید می کند که در هر زمان افزایش می یابد و به صورت تصاعدی کاهش می یابد و به مقایسه کننده اضافه می شود. این بازده ناشی از افزایش فاصله اندازه گیری را جبران می کند. دامنه موج کاهش می‌یابد تا دقت و تکرارپذیری اندازه‌گیری بهبود یابد. با استفاده از تقویت‌کننده‌های قابل برنامه‌ریزی و پتانسیومترهای دیجیتال و سایر دستگاه‌ها، از طریق ترکیب نرم‌افزار و سخت‌افزار، می‌توان انواع این مدارها را طراحی کرد. همچنین ترکیب یک تقویت کننده عملیاتی و یک لوله اثر میدانی برای تشکیل یک تقویت کننده کنترل شده امکان پذیر است. لوله اثر میدان به عنوان یک مقاومت کنترل شده با ولتاژ برای تشکیل یک حلقه تنظیم بازخورد استفاده می شود. اما قابلیت پیگیری این مدار به خوبی مدار دیجیتالی فوق الذکر نیست.

3. تأثیر زاویه تابش پرتو اولتراسونیک بر هدف شناسایی در محدوده. اگر از سیستم برای اندازه گیری فاصله بین سطح و نقطه استفاده شود، هنگامی که زاویه تابش موج اولتراسونیک (یا زاویه برخورد موج منعکس شده بر مبدل گیرنده) کمتر از 90b باشد، فاصله اندازه گیری شده توسط سیستم نقطه اندازه گیری شده و ترانسدیوسر است. به جای فاصله عمودی d بین صفحه اندازه گیری و جسم اندازه گیری، این باعث خطاهای اندازه گیری می شود. راه حل این مشکل استفاده از دانش مربوطه مثلث ها برای محاسبه و تصحیح است.

4. منطقه مرده

در طول اندازه گیری فاصله، مبدل اولتراسونیک فرکانس بالا از یک سری امواج اولتراسونیک به عنوان حامل اندازه‌گیری برای یک دوره زمانی استفاده می‌کند، بنابراین دریافت تنها پس از تکمیل انتقال می‌تواند شروع شود. زمان ارسال پرتو را روی t تنظیم کنید، سپس سیگنال منعکس شده از جسم در مدت زمان t نمی تواند ضبط شود. علاوه بر این، سنسور اولتراسونیک دارای اینرسی مشخص است، یعنی فرآیندی از ارتعاش اجباری به لرزش متعادل و لرزش میرایی وجود دارد. بنابراین، پس از اتمام انتقال، ارتعاش خاصی وجود خواهد داشت. این پس از ارتعاش همچنین یک سیگنال ولتاژ از طریق مبدل تولید می کند. سیگنال بر روی سیگنال اکو قرار می گیرد، به طوری که مدار نمی تواند پژواک واقعی را شناسایی کند، که کار سیستم را برای گرفتن سیگنال برگشتی مختل می کند. بنابراین، قبل از ناپدید شدن لرزش پس از آن، نمی توان سیستم را برای دریافت اکو فعال کرد. دو دلیل فوق باعث می شود که سنسور اولتراسونیک محدوده اندازه گیری مشخصی داشته باشد، یعنی به اصطلاح منطقه کور وجود دارد.

علاوه بر این، بسیاری از دلایل دیگر برای خطاهای اندازه گیری وجود دارد، مانند عملیات فرمان مقدار معینی زمان می برد، که داده های اندازه گیری را بیش از حد بزرگ می کند، ثبات و دقت فرکانس پالس پایه زمانی و سایر تداخل مواد در محیط میدان.