Metode Analisis dan Koreksi Sensor Jarak Ultrasonik

1. Pengaruh kecepatan rambat ultrasonik pada jangkauan

Kecepatan propagasi ultrasonik yang stabil dan akurat merupakan kondisi yang diperlukan untuk memastikan akurasi pengukuran. Kecepatan rambat suatu gelombang bergantung pada karakteristik medium rambatnya. Suhu, tekanan, dan kepadatan medium perambatan semuanya akan mempunyai pengaruh langsung terhadap kecepatan suara. Untuk pengukuran jarak, penyebab utama perubahan kecepatan bunyi adalah perubahan suhu medium yang merupakan salah satu sumber utama kesalahan dalam pengukuran jarak. sensor pengukuran jarak ultrasonik . Oleh karena itu, dalam proses jangkauan, kecepatan ultrasonik harus dikoreksi. Hubungan antara kecepatan rambat ultrasonik di udara dan suhu dapat dinyatakan sebagai c=331.4×1+t/273u33114+01607t (m/s), di mana t adalah suhu lingkungan. Oleh karena itu, menggunakan kecepatan ultrasonik 341m/s pada suhu normal untuk menghitung jarak jangkauan ultrasonik pada lingkungan suhu yang berbeda memiliki kesalahan yang besar. Untuk meningkatkan keakuratan pengukuran jarak, perlu dilakukan kompensasi suhu pada kecepatan ultrasonik, dan menggunakan sensor suhu serta alat pengukur suhu lainnya untuk mengukur nilai suhu lingkungan, sehingga diperoleh kecepatan ultrasonik di lingkungan. Dimungkinkan juga untuk menggunakan kombinasi preset kecepatan suara dan kompensasi suhu untuk mengoreksi kecepatan suara, yang akan lebih efektif mengurangi kesalahan yang disebabkan oleh perubahan suhu.

2. Faktor-faktor yang mempengaruhi penentuan waktu gema t dan metode untuk mengurangi kesalahan

Dalam proses pengukuran, untuk mencegah gangguan sinyal lain dan meningkatkan keandalan pengukuran, ketika komputer chip tunggal mulai menghitung, sensor ultrasonik sering mengirimkan rangkaian pulsa yang terdiri dari beberapa gelombang persegi (seperti 5-9 pulsa sebagai kereta) sebagai pengukuran. Jika tegangan ambang komparator pada rangkaian penerima adalah pengukuran jarak transduser ultrasonik adalah nilai tertentu, karena pengaruh debu dan zat lain, pengukuran sebenarnya belum tentu menjadi pemicu zero-crossing dari gema pertama. Melalui pengamatan dan analisis gema penerima ultrasonik, ditemukan bahwa setelah gema yang diterima terdeteksi oleh selubung, bagian depan kurva selubung merupakan kurva yang naik secara eksponensial, kira-kira pada puncak gelombang kesembilan ke selubung, dan gelombang ketiga Gelombang tersebut kira-kira 75% dari puncak. Oleh karena itu, rangkaian penerima sering kali dirancang untuk berhenti menghitung ketika gema ketiga diterima. Oleh karena itu, waktu pengukuran akhir adalah 3 pulsa lebih panjang dari jarak sebenarnya yang sesuai dengan waktu pengiriman, yang menyebabkan kesalahan pengukuran waktu gema t.

Untuk meningkatkan akurasi waktu, perlu dilakukan deteksi waktu kedatangan secara akurat sensor transduser ultrasonik . Komparator tunggal dengan ambang tetap digunakan untuk mendeteksi gema. Karena redaman penyerapan dan hilangnya difusi gelombang suara selama transmisi, intensitas suara berkurang secara eksponensial seiring bertambahnya jarak target. Dalam jangkauan, jarak antara target terdekat dan target terjauh Perbedaan amplitudo gema yang besar dapat menyebabkan waktu melewati ambang batas bergerak maju mundur, sehingga mempengaruhi keakuratan waktu.

Metode untuk mengatasi masalah ini: Metode pertama adalah dengan menggunakan rangkaian pembentuk komparator ganda, yang dapat menentukan waktu kedatangan muka gema dengan lebih akurat. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2, vm adalah tegangan puncak, misalkan v1 adalah tegangan ambang batas komparator 1, v2 adalah tegangan ambang batas komparator 2, (di mana (v2>v1, nilainya ditentukan oleh eksperimen), ketika sensor ultrasonik memancarkan ultrasonik. Ketika pengatur waktu t1 dan t0 dari komputer mikro chip tunggal memulai waktu pada saat yang sama, ketika komparator 1 membalik, t0 menghentikan waktu. Pada saat ini, waktu dihitung dengan t0 adalah t1. Ketika komparator 2 membalik, t1 menghentikan penghitungan waktu. Pada saat ini, waktu yang dihitung dengan t1 adalah t2, jelas t2>t1, t adalah waktu rambat yang sesuai dengan tepi depan gema, maka jarak yang dihitung dengan t lebih akurat daripada t1 dan t2.

Metode kedua adalah dengan menghubungkan secara serial rangkaian kendali penguatan otomatis (agc) pada rangkaian penerima gema, sehingga selama waktu penerimaan rangkaian penguat, faktor amplifikasi tegangan meningkat secara eksponensial seiring dengan bertambahnya jarak pengukuran untuk mengkompensasi redaman serapan dan kerugian difusi menjaga amplitudo gema yang diterima tetap konstan atau hanya berubah dalam rentang kecil untuk memenuhi persyaratan rangkaian pembentuk, dan kemudian dikeluarkan melalui rangkaian pembentuk, yang dapat sangat meningkatkan akurasi jangkauan. Tentu saja, karena rangkaian aGC (termasuk penguat itu sendiri) memiliki kelambatan dalam respons langkah sinyal, pelacakan sesaat mungkin tidak terlalu baik, dan sinyal gema hanya bersifat eksplosif, sehingga terdapat kesalahan tertentu, tetapi hal ini dapat diabaikan.

Metode ketiga adalah merancang rangkaian yang secara bertahap menurunkan tegangan ambang batas seiring bertambahnya waktu selama waktu pengukuran, dan menghasilkan sinyal ambang batas yang meningkat setiap saat dan menurun secara eksponensial dan ditambahkan ke komparator. Hal ini akan mengkompensasi pengembalian yang disebabkan oleh peningkatan jarak pengukuran. Amplitudo gelombang dikurangi untuk meningkatkan akurasi dan pengulangan pengukuran. Menggunakan amplifier yang dapat diprogram dan potensiometer digital serta perangkat lain, melalui kombinasi perangkat lunak dan perangkat keras, berbagai rangkaian tersebut dapat dirancang. Dimungkinkan juga untuk menggabungkan penguat operasional dan tabung efek medan untuk membentuk penguat terkontrol. Tabung efek medan digunakan sebagai resistor yang dikontrol tegangan untuk membentuk loop pengaturan umpan balik. Namun keterlacakan rangkaian ini tidak sebaik rangkaian digital tersebut di atas.

3. Pengaruh sudut datang sinar ultrasonik terhadap target deteksi pada jangkauan. Jika sistem digunakan untuk mengukur jarak antara permukaan dan titik, bila sudut datang gelombang ultrasonik (atau sudut datang gelombang pantul pada transduser penerima) kurang dari 90b, maka jarak yang diukur oleh sistem adalah titik (benda) yang diukur dan transduser. Daripada jarak vertikal d antara bidang pengukuran dan benda ukur, hal ini akan menyebabkan kesalahan pengukuran. Cara mengatasi masalah ini adalah dengan menggunakan pengetahuan yang relevan tentang segitiga untuk menghitung dan mengoreksi.

4. Zona mati

Selama pengukuran jarak, transduser ultrasonik frekuensi tinggi menggunakan serangkaian gelombang ultrasonik sebagai pembawa pengukuran untuk jangka waktu tertentu, sehingga penerimaan hanya dapat dimulai setelah transmisi selesai. Atur waktu pengiriman sinar ke t, maka sinyal yang dipantulkan dari objek dalam waktu t tidak dapat ditangkap. Selain itu sensor ultrasonik mempunyai inersia tertentu yaitu terjadi proses dari getaran paksa, getaran seimbang, hingga getaran teredam. Oleh karena itu, akan ada getaran tertentu setelah transmisi selesai. Getaran setelah ini juga menghasilkan sinyal tegangan melalui transduser. Sinyal tersebut ditumpangkan pada sinyal gema, sehingga rangkaian tidak dapat mengidentifikasi gema yang sebenarnya, sehingga mengganggu kerja sistem dalam menangkap sinyal balik. Oleh karena itu, sistem tidak dapat diaktifkan untuk penerimaan gema sebelum getaran setelahnya hilang. Dua alasan di atas menyebabkan sensor ultrasonik memiliki rentang pengukuran tertentu, yaitu ada yang disebut zona buta.

Selain itu, masih banyak lagi penyebab kesalahan pengukuran, seperti pengoperasian perintah yang memakan waktu tertentu sehingga membuat data pengukuran menjadi terlalu besar, kestabilan dan keakuratan frekuensi pulsa berbasis waktu, dan gangguan material lainnya di lingkungan lapangan.