Metoda analize i korekcije ultrazvučnog senzora dometa

1. Utjecaj brzine širenja ultrazvuka na mjerenje udaljenosti

Stabilna i točna brzina širenja ultrazvuka nužan je uvjet za osiguranje točnosti mjerenja. Brzina širenja vala ovisi o karakteristikama medija za širenje. Temperatura, tlak i gustoća medija za širenje imat će izravan učinak na brzinu zvuka. Za mjerenje udaljenosti, glavni uzrok promjene brzine zvuka je promjena temperature medija, što je jedan od glavnih izvora pogrešaka u ultrazvučni senzor za mjerenje udaljenosti . Stoga se u procesu mjerenja udaljenosti ultrazvučna brzina mora korigirati. Odnos između brzine širenja ultrazvuka u zraku i temperature može se izraziti kao c=331,4×1+t/273u33114+01607t (m/s), gdje je t temperatura okoline. Stoga korištenje brzine ultrazvuka od 341 m/s pri normalnoj temperaturi za izračun udaljenosti ultrazvučnog raspona pod različitim temperaturnim okruženjima ima veliku pogrešku. Kako bi se povećala točnost mjerenja udaljenosti, potrebno je izvršiti temperaturnu kompenzaciju na ultrazvučnu brzinu, te koristiti temperaturne senzore i druge uređaje za mjerenje temperature za mjerenje vrijednosti temperature okoline, čime se dobiva ultrazvučna brzina u okolini. Također je moguće koristiti kombinaciju unaprijed postavljene brzine zvuka i temperaturne kompenzacije za ispravljanje brzine zvuka, što će učinkovitije smanjiti pogrešku uzrokovanu temperaturnim promjenama.

2. Čimbenici koji utječu na određivanje vremena odjeka t i metode za smanjenje pogrešaka

U procesu mjerenja, kako bi se spriječila interferencija drugih signala i poboljšala pouzdanost mjerenja, kada jednočipno računalo počne brojati, ultrazvučni senzor često odašilje niz impulsa sastavljen od više kvadratnih valova (kao što je 5-9 impulsa kao niz) kao mjerenje. Ako je napon praga komparatora u prijemnom krugu od mjerenje udaljenosti ultrazvučnim sondama je određena vrijednost, zbog utjecaja prašine i drugih tvari, stvarno mjerenje ne mora nužno biti okidač prvog odjeka za prelazak nule. Promatranjem i analizom ultrazvučnog prijamnog eha, utvrđeno je da nakon što ovojnica detektira primljeni eho, prednji dio krivulje ovojnice je eksponencijalno rastuća krivulja, približno na vrhuncu devetog vala do ovojnice, a treći val iznosi približno 75% vrha. Stoga je prijemni krug često dizajniran tako da prestane brojati kada se primi treći eho. Stoga je konačno izmjereno vrijeme 3 impulsa duže od stvarne udaljenosti koja odgovara vremenu slanja, što uzrokuje pogrešku mjerenja vremena odjeka t.

Kako bi se poboljšala točnost mjerenja vremena, potrebno je točno detektirati vrijeme dolaska senzor ultrazvučnog pretvarača . Za otkrivanje jeke koristi se jedan komparator s fiksnim pragom. Zbog slabljenja apsorpcije i difuzijskog gubitka zvučnog vala tijekom prijenosa, intenzitet zvuka eksponencijalno opada kako se udaljenost mete povećava. Unutar dometa, udaljenost između najbližeg cilja i najudaljenijeg cilja. Velika razlika u amplitudi odjeka može uzrokovati pomicanje vremena prelaska praga naprijed-natrag, što utječe na točnost mjerenja vremena.

Metoda za rješavanje ovog problema: Prva metoda je korištenje strujnog kruga za oblikovanje s dvostrukim komparatorom, koji može točnije odrediti vrijeme dolaska fronte odjeka. Kao što je prikazano na slici 2, vm je vršni napon, neka v1 bude napon praga komparatora 1, v2 je napon praga komparatora 2, (gdje je (v2>v1, njegova vrijednost je postavljena eksperimentom), kada ultrazvučni senzor emitira ultrazvuk. Kada mjerač vremena t1 i t0 mikroračunala s jednim čipom počnu mjeriti vrijeme u isto vrijeme, kada komparator 1 okreće, t0 prestaje mjeriti vrijeme. U ovom trenutku vrijeme koje računa t0 je t1. U ovom trenutku vrijeme koje broji t1 je t2, t je vrijeme širenja koje odgovara prednjem rubu odjeka, tada je udaljenost izračunata t1 i t2.

Druga metoda je serijsko povezivanje kruga automatske kontrole pojačanja (agc) u krugu za primanje eha, tako da tijekom vremena prijema kruga za pojačanje faktor pojačanja napona eksponencijalno raste s povećanjem mjerne udaljenosti kako bi se kompenziralo slabljenje apsorpcije, a gubitak difuzije održava amplitudu primljenog eha konstantnom ili se samo mijenja u malom rasponu kako bi se zadovoljili zahtjevi kruga za oblikovanje, a zatim izlazi kroz krug za oblikovanje, koji može uvelike poboljšati točnost određivanja raspona. Naravno, budući da aGC krug (uključujući i samo pojačalo) ima zaostatak u odzivu signala na korak, trenutačno praćenje možda neće biti dobro, a eho signal je samo eksplozivan, tako da postoji određena pogreška, ali to je zanemarivo.

Treća metoda je projektiranje sklopa koji postupno smanjuje napon praga kako vrijeme raste tijekom vremena mjerenja i generira signal praga koji raste u bilo kojem trenutku i eksponencijalno opada te se dodaje komparatoru. To će kompenzirati povrat uzrokovan povećanjem mjerne udaljenosti. Amplituda vala je smanjena kako bi se poboljšala točnost i ponovljivost mjerenja. Upotrebom programibilnih pojačala i digitalnih potenciometara i drugih uređaja, kombinacijom softvera i hardvera, mogu se dizajnirati različiti takvi sklopovi. Također je moguće kombinirati operacijsko pojačalo i cijev s efektom polja u kontrolirano pojačalo. Cijev s efektom polja koristi se kao naponski kontrolirani otpornik za formiranje povratne regulacijske petlje. Ali sljedljivost ovog sklopa nije tako dobra kao kod gore spomenutog digitalnog sklopa.

3. Utjecaj upadnog kuta ultrazvučne zrake na metu detekcije na mjerenje udaljenosti. Ako se sustav koristi za mjerenje udaljenosti između površine i točke, kada je upadni kut ultrazvučnog vala (ili kut reflektiranog vala koji pada na prijamni pretvarač) manji od 90b, udaljenost koju sustav mjeri je izmjerena točka (objekt) i pretvarač. Umjesto okomite udaljenosti d između mjerne ravnine i mjernog objekta, to će uzrokovati pogreške mjerenja. Način rješavanja ovog problema je korištenje relevantnog znanja o trokutima za izračunavanje i ispravljanje.

4. Mrtva zona

Tijekom mjerenja udaljenosti, visokofrekventni ultrazvučni pretvornik koristi niz ultrazvučnih valova kao nositelj mjerenja tijekom određenog vremenskog razdoblja, tako da prijem može započeti tek nakon završetka prijenosa. Postavite vrijeme slanja zrake na t, tada se signal reflektiran od objekta unutar t vremena ne može uhvatiti. Osim toga, ultrazvučni senzor ima određenu inerciju, odnosno postoji proces od prisilne vibracije preko uravnotežene vibracije do prigušene vibracije. Stoga će nakon dovršetka prijenosa doći do određene naknadne vibracije. Ovo nakon vibracije također stvara naponski signal kroz pretvarač. Signal se superponira na eho signal, tako da sklop ne može identificirati pravi eho, što remeti rad sustava na hvatanju povratnog signala. Stoga se sustav ne može aktivirati za prijem jeke prije nego što naknadna vibracija nestane. Gornja dva razloga uzrokuju da ultrazvučni senzor ima određeni raspon mjerenja, odnosno postoji tzv. slijepa zona.

Osim toga, postoje mnogi drugi uzroci pogrešaka u mjerenju, kao što je operacija naredbe koja traje određeno vrijeme, što čini mjerne podatke prevelikim, stabilnost i točnost frekvencije pulsa vremenske baze i druge materijalne smetnje u okolini polja.