Analyse og korrigeringsmetode for ultralydavstandssensor

1. Påvirkningen av ultralydspredningshastigheten på avstanden

Stabil og nøyaktig ultrasonisk forplantningshastighet er en nødvendig betingelse for å sikre målenøyaktighet. Forplantningshastigheten til en bølge avhenger av egenskapene til forplantningsmediet. Temperaturen, trykket og tettheten til forplantningsmediet vil alle ha en direkte effekt på lydhastigheten. For avstandsmåling er hovedårsaken til endringen i lydhastighet endringen i mediets temperatur, som er en av hovedkildene til feil i ultrasonisk avstandsmålingssensor . Derfor, i avstandsprosessen, må ultralydhastigheten korrigeres. Forholdet mellom ultralydsforplantningshastigheten i luften og temperaturen kan uttrykkes som c=331,4×1+t/273u33114+01607t (m/s), hvor t er omgivelsestemperaturen. Derfor har det en stor feil å bruke ultralydhastigheten på 341m/s ved normal temperatur for å beregne avstanden til ultralydavstanden under forskjellige temperaturmiljøer. For å forbedre nøyaktigheten av avstandsmåling, er det nødvendig å utføre temperaturkompensasjon på ultralydhastigheten, og bruke temperatursensorer og andre temperaturmåleenheter for å måle verdien av omgivelsestemperaturen, og dermed oppnå ultralydhastigheten i miljøet. Det er også mulig å bruke en kombinasjon av forhåndsinnstilt lydhastighet og temperaturkompensasjon for å korrigere lydhastigheten, noe som mer effektivt vil redusere feilen forårsaket av temperaturendringer.

2. Faktorer som påvirker bestemmelsen av ekkotid t og metoder for å redusere feil

I måleprosessen, for å forhindre interferens av andre signaler og forbedre påliteligheten til målingen, når enkeltbrikkedatamaskinen begynner å telle, sender ultralydsensoren ofte et pulstog sammensatt av flere firkantbølger (som 5-9 pulser som et tog) som målingen. Hvis terskelspenningen til komparatoren i mottakskretsen på ultrasonisk transduser avstandsmåling er en viss verdi, på grunn av påvirkning av støv og andre stoffer, kan den faktiske målingen ikke nødvendigvis være null-kryss-utløseren for det første ekkoet. Gjennom observasjon og analyse av det ultralydmottakende ekkoet, er det funnet at etter at det mottatte ekkoet er detektert av konvolutten, er fronten av konvoluttkurven en eksponentielt stigende kurve, omtrent på toppen av den niende bølgen til konvolutten, og den tredje bølgen er omtrent 75 % av toppen. Derfor er mottakskretsen ofte designet for å slutte å telle når det tredje ekkoet mottas. Derfor er den endelige målte tiden 3 pulser lengre enn den faktiske avstanden som tilsvarer sendetiden, noe som forårsaker målefeilen til ekkotiden t.

For å forbedre tidsnøyaktigheten, er det nødvendig å nøyaktig oppdage ankomsttiden til ultrasonisk transdusersensor . En enkelt komparator med en fast terskel brukes til å detektere ekkoet. På grunn av absorpsjonsdempningen og diffusjonstapet av lydbølgen under overføring, avtar lydintensiteten eksponentielt når avstanden til målet øker. Innenfor rekkevidden, avstanden mellom det nærmeste målet og det fjerneste målet. Den store forskjellen i ekkoamplitude kan føre til at tiden for å krysse terskelen beveger seg frem og tilbake, og dermed påvirke nøyaktigheten av timingen.

Metoden for å løse dette problemet: Metode én er å bruke en dual-comparator formingskrets, som mer nøyaktig kan bestemme ankomsttiden til ekkofronten. Som vist i figur 2, er vm toppspenningen, la v1 være terskelspenningen til komparator 1, v2 er terskelspenningen til komparator 2, (hvor (v2>v1, verdien er satt av eksperiment), når ultralydsensoren sender ut ultralyd. Når timeren t1 og t0 til den ene chip-mikrodatamaskinen starter, starter f1 når en-chip-mikrodatamaskinen tar samme tid. t0 stopper timing På dette tidspunktet er tiden tellet med t0 t1 Når komparatoren 2 vender, stopper t1 timingen.

Den andre metoden er å seriekoble den automatiske forsterkningskontrollkretsen (agc) i ekkomottakskretsen, slik at spenningsforsterkningsfaktoren øker eksponentielt i løpet av mottakstiden til forsterkerkretsen med økningen av måleavstanden for å kompensere for absorpsjonsdempningen og diffusjonstapet holder ekkoamplituden til den mottatte kretsen konstant eller kun i et lite amplitudeområde eller i formendringene. og deretter utgang gjennom formingskretsen, noe som i stor grad kan forbedre nøyaktigheten av rekkevidde. Selvfølgelig, fordi aGC-kretsen (inkludert selve forsterkeren) har en etterslep i trinnresponsen til signalet, kan det hende at den øyeblikkelige sporingen ikke er veldig bra, og ekkosignalet er bare eksplosivt, så det er en viss feil, men dette er ubetydelig .

Den tredje metoden er å designe en krets som gradvis reduserer terskelspenningen ettersom tiden øker i løpet av måletiden, og genererer et terskelsignal som øker når som helst og avtar eksponentielt og legges til komparatoren. Dette vil kompensere for returen forårsaket av økning i måleavstanden. Bølgeamplituden reduseres for å forbedre nøyaktigheten og repeterbarheten til målingen. Ved å bruke programmerbare forsterkere og digitale potensiometre og andre enheter, gjennom kombinasjonen av programvare og maskinvare, kan en rekke slike kretser utformes. Det er også mulig å kombinere en operasjonsforsterker og et felteffektrør for å danne en kontrollert forsterker. Felteffektrøret brukes som en spenningsstyrt motstand for å danne en tilbakekoblingsreguleringssløyfe. Men følgbarheten til denne kretsen er ikke like god som den ovennevnte digitale kretsen.

3. Påvirkningen av innfallsvinkelen til ultralydstrålen på deteksjonsmålet på avstandsavstanden. Hvis systemet brukes til å måle avstanden mellom overflaten og punktet, når innfallsvinkelen til ultralydbølgen (eller vinkelen til den reflekterte bølgen som faller inn på den mottakende transduseren) er mindre enn 90b, er avstanden målt av systemet (transducerobjektet) det målte punktet. I stedet for den vertikale avstanden d mellom måleplanet og måleobjektet vil dette forårsake målefeil. Måten å løse dette problemet på er å bruke relevant kunnskap om trekanter for å beregne og korrigere.

4. Død sone

Under avstandsmåling vil høyfrekvent ultralydsvinger bruker en rekke ultralydbølger som målebærer i en periode, slik at mottaket først kan startes etter at overføringen er fullført. Sett tidspunktet for sending av strålen til t, så kan ikke signalet som reflekteres fra objektet innen t tid fanges opp. I tillegg har ultralydsensoren en viss treghet, det vil si at det er en prosess fra tvungen vibrasjon til balansert vibrasjon til dempet vibrasjon. Derfor vil det være en viss ettervibrasjon etter at overføringen er fullført. Dette etter vibrasjon genererer også et spenningssignal gjennom svingeren. Signalet legges over ekkosignalet, slik at kretsen ikke kan identifisere det sanne ekkoet, noe som forstyrrer systemets arbeid med å fange retursignalet. Derfor kan ikke systemet aktiveres for ekkomottak før ettervibrasjonen forsvinner. De to ovennevnte årsakene gjør at ultralydsensoren har et visst måleområde, det vil si at det er en såkalt blindsone.

I tillegg er det mange andre årsaker til målefeil, slik som kommandooperasjonen tar en viss tid, noe som gjør måledataene for store, stabiliteten og nøyaktigheten til tidsbasens pulsfrekvens og annen materiell interferens i feltmiljøet.