Metoda analizy i korekcji ultradźwiękowego czujnika odległości

1.Wpływ prędkości propagacji ultradźwięków na odległość

Stabilna i dokładna prędkość propagacji ultradźwięków jest warunkiem koniecznym zapewnienia dokładności pomiaru. Prędkość propagacji fali zależy od właściwości ośrodka propagacyjnego. Temperatura, ciśnienie i gęstość ośrodka propagacyjnego będą miały bezpośredni wpływ na prędkość dźwięku. W przypadku pomiaru odległości główną przyczyną zmiany prędkości dźwięku jest zmiana temperatury ośrodka, co jest jednym z głównych źródeł błędów ultradźwiękowy czujnik pomiaru odległości . Dlatego w procesie ustalania odległości należy skorygować prędkość ultradźwiękową. Zależność prędkości propagacji ultradźwięków w powietrzu od temperatury można wyrazić jako c=331,4×1+t/273u33114+01607t (m/s), gdzie t jest temperaturą otoczenia. Dlatego użycie prędkości ultradźwiękowej 341 m/s w normalnej temperaturze do obliczenia odległości ultradźwiękowej w różnych temperaturach obarczone jest dużym błędem. Aby poprawić dokładność pomiaru odległości, należy wykonać kompensację temperatury na prędkości ultradźwiękowej oraz zastosować czujniki temperatury i inne urządzenia do pomiaru temperatury do pomiaru wartości temperatury otoczenia, uzyskując w ten sposób prędkość ultradźwiękową w otoczeniu. Możliwe jest również zastosowanie kombinacji zadanej prędkości dźwięku i kompensacji temperatury w celu skorygowania prędkości dźwięku, co skuteczniej zmniejszy błąd spowodowany zmianami temperatury.

2. Czynniki wpływające na wyznaczanie czasu echa t i metody redukcji błędów

W procesie pomiaru, aby zapobiec zakłóceniom innych sygnałów i poprawić niezawodność pomiaru, gdy komputer jednoukładowy zaczyna zliczać, czujnik ultradźwiękowy często przesyła jako pomiar ciąg impulsów składający się z wielu fal prostokątnych (np. ciąg 5-9 impulsów). Jeżeli napięcie progowe komparatora w obwodzie odbiorczym Pomiar odległości przetwornikiem ultradźwiękowym ma pewną wartość, ze względu na wpływ kurzu i innych substancji rzeczywisty pomiar niekoniecznie musi być wyzwalaczem przejścia przez zero pierwszego echa. Poprzez obserwację i analizę ultradźwiękowego echa odbiorczego stwierdzono, że po wykryciu odebranego echa przez obwiednię, przód krzywej obwiedni jest krzywą rosnącą wykładniczo, w przybliżeniu na szczycie dziewiątej fali do obwiedni, a trzecia fala stanowi około 75% wartości szczytowej. Dlatego obwód odbiorczy jest często zaprojektowany tak, aby zatrzymać zliczanie po odebraniu trzeciego echa. Zatem ostateczny zmierzony czas jest o 3 impulsy dłuższy od rzeczywistej odległości odpowiadającej czasowi wysłania, co powoduje błąd pomiaru czasu echa t.

Aby poprawić dokładność pomiaru czasu, konieczne jest dokładne wykrycie czasu przybycia czujnik ultradźwiękowy . Do wykrywania echa używany jest pojedynczy komparator ze stałym progiem. Ze względu na tłumienie absorpcji i straty dyfuzyjne fali dźwiękowej podczas transmisji, natężenie dźwięku maleje wykładniczo wraz ze wzrostem odległości od celu. W zasięgu, odległość pomiędzy najbliższym i najdalszym celem. Duża różnica w amplitudzie echa może powodować przesuwanie się czasu przekroczenia progu, wpływając w ten sposób na dokładność pomiaru czasu.

Metoda rozwiązania tego problemu: Metoda pierwsza polega na użyciu obwodu kształtującego z dwoma komparatorami, który może dokładniej określić czas przybycia czoła echa. Jak pokazano na rysunku 2, vm to napięcie szczytowe, niech v1 to napięcie progowe komparatora 1, v2 to napięcie progowe komparatora 2 (gdzie (v2>v1, jego wartość jest ustalana eksperymentalnie), gdy czujnik ultradźwiękowy emituje ultradźwięki. Kiedy timery t1 i t0 jednoukładowego mikrokomputera rozpoczynają odmierzanie czasu w tym samym czasie, kiedy komparator 1 przestawia się, t0 zatrzymuje odmierzanie czasu. czas, czas liczony przez t0 wynosi t1. Kiedy komparator 2 się odwraca, t1 przestaje odmierzać czas. W tym momencie czas liczony przez t1 wynosi t2, oczywiście t2>t1, t jest czasem propagacji odpowiadającym przedniej krawędzi echa, wówczas odległość obliczona przez t jest dokładniejsza niż t1 i t2.

Druga metoda polega na szeregowym podłączeniu obwodu automatycznej kontroli wzmocnienia (agc) do obwodu odbiorczego echa, tak aby w czasie odbioru przez obwód wzmacniający współczynnik wzmocnienia napięcia wzrastał wykładniczo wraz ze wzrostem odległości pomiarowej, aby skompensować tłumienie absorpcji i straty dyfuzyjne, utrzymując amplitudę odebranego echa na stałym poziomie lub zmieniając się jedynie w niewielkim zakresie, aby spełnić wymagania obwodu kształtującego, a następnie wysyłać sygnał przez obwód kształtujący, co może znacznie poprawić dokładność pomiaru zakresu. Oczywiście, ponieważ obwód aGC (w tym sam wzmacniacz) ma opóźnienie w odpowiedzi skokowej sygnału, chwilowe śledzenie może nie być zbyt dobre, a sygnał echa jest po prostu wybuchowy, więc jest pewien błąd, ale jest to znikome.

Trzecia metoda polega na zaprojektowaniu obwodu, który stopniowo zmniejsza napięcie progowe w miarę upływu czasu w czasie pomiaru i generuje sygnał progowy, który w dowolnym momencie wzrasta i maleje wykładniczo, i jest dodawany do komparatora. To skompensuje zwrot spowodowany zwiększeniem odległości pomiaru. Amplituda fali jest zmniejszana w celu poprawy dokładności i powtarzalności pomiaru. Wykorzystując programowalne wzmacniacze i potencjometry cyfrowe oraz inne urządzenia, poprzez połączenie oprogramowania i sprzętu, można zaprojektować różnorodne tego typu obwody. Możliwe jest również połączenie wzmacniacza operacyjnego i lampy z efektem polowym w celu utworzenia wzmacniacza sterowanego. Lampa z efektem polowym służy jako rezystor sterowany napięciem, tworząc pętlę regulacji ze sprzężeniem zwrotnym. Ale podążalność tego obwodu nie jest tak dobra, jak wyżej wspomnianego obwodu cyfrowego.

3. Wpływ kąta padania wiązki ultradźwiękowej na wykrywany cel na odległość. Jeżeli system wykorzystuje się do pomiaru odległości pomiędzy powierzchnią a punktem, gdy kąt padania fali ultradźwiękowej (lub kąt padania fali odbitej na przetwornik odbiorczy) jest mniejszy niż 90b, odległością mierzoną przez system jest mierzony punkt (obiekt) i przetwornik. Zamiast pionowej odległości d między płaszczyzną pomiaru a mierzonym przedmiotem będzie to powodować błędy pomiaru. Sposobem rozwiązania tego problemu jest wykorzystanie odpowiedniej wiedzy o trójkątach do obliczeń i poprawek.

4. Martwa strefa

Podczas pomiaru odległości, Przetwornik ultradźwiękowy wysokiej częstotliwości wykorzystuje serię fal ultradźwiękowych jako nośnik pomiaru przez pewien okres czasu, dlatego odbiór można rozpocząć dopiero po zakończeniu transmisji. Ustaw czas wysłania wiązki na t, wówczas sygnał odbity od obiektu w czasie t nie będzie mógł zostać przechwycony. Ponadto czujnik ultradźwiękowy ma pewną bezwładność, to znaczy zachodzi proces od wibracji wymuszonych przez wibracje zrównoważone do wibracji tłumionych. Dlatego po zakończeniu transmisji wystąpią pewne wibracje. To po wibracjach generuje również sygnał napięciowy przez przetwornik. Sygnał nakłada się na sygnał echa, przez co obwód nie jest w stanie zidentyfikować prawdziwego echa, co zakłóca pracę systemu w zakresie przechwytywania sygnału zwrotnego. Dlatego nie można włączyć systemu do odbioru echa przed zniknięciem wibracji następczych. Powyższe dwa powody powodują, że czujnik ultradźwiękowy ma określony zakres pomiarowy, czyli tzw. martwą strefę.

Ponadto istnieje wiele innych przyczyn błędów pomiarowych, jak np. wykonanie polecenia zajmuje określoną ilość czasu, co powoduje, że dane pomiarowe są zbyt duże, stabilność i dokładność częstotliwości impulsów podstawy czasu oraz inne zakłócenia materiałowe w środowisku polowym.