Метод аналізу та корекції ультразвукового датчика дальності

1. Вплив швидкості розповсюдження ультразвуку на дальність

Стабільна і точна швидкість поширення ультразвуку є необхідною умовою для забезпечення точності вимірювань. Швидкість поширення хвилі залежить від характеристик середовища поширення. Температура, тиск і щільність середовища розповсюдження безпосередньо впливатимуть на швидкість звуку. Для вимірювання відстані основною причиною зміни швидкості звуку є зміна температури середовища, яка є одним із основних джерел похибок у ультразвуковий датчик відстані . Таким чином, у процесі визначення дальності швидкість ультразвуку повинна бути скоригована. Зв’язок між швидкістю поширення ультразвуку в повітрі та температурою можна виразити як c=331,4×1+t/273u33114+01607t (м/с), де t — температура навколишнього середовища. Таким чином, використання ультразвукової швидкості 341 м/с за нормальної температури для обчислення відстані ультразвукового діапазону за різних температурних середовищ має велику похибку. Щоб підвищити точність вимірювання відстані, необхідно виконати температурну компенсацію швидкості ультразвуку та використовувати датчики температури та інші прилади для вимірювання температури для вимірювання значення температури навколишнього середовища, отримуючи таким чином швидкість ультразвуку в середовищі. Також можна використовувати комбінацію попереднього налаштування швидкості звуку та температурної компенсації для корекції швидкості звуку, що ефективніше зменшить помилку, спричинену змінами температури.

2. Фактори, що впливають на визначення часу відлуння t і методи зменшення похибок

У процесі вимірювання, щоб запобігти інтерференції інших сигналів і підвищити надійність вимірювання, коли однокристальний комп’ютер починає рахувати, ультразвуковий датчик часто передає серію імпульсів, що складається з кількох прямокутних хвиль (наприклад, 5-9 імпульсів як серію) як вимірювання. Якщо порогова напруга компаратора в приймальному ланцюзі в вимірювання відстані ультразвуковим перетворювачем є певним значенням, через вплив пилу та інших речовин фактичне вимірювання може не обов’язково бути тригером перетину нуля першого відлуння. Завдяки спостереженню та аналізу ультразвукового ехо-сигналу виявлено, що після того, як отриманий ехо-сигнал виявлено обвідною, передня частина огинаючої кривої є експоненціально зростаючою кривою, приблизно на піку дев’ятої хвилі до огинаючої, а третя хвиля становить приблизно 75% від піку. Тому приймальна схема часто призначена для припинення підрахунку, коли отримано третій ехо-сигнал. Таким чином, кінцевий виміряний час на 3 імпульси довший за фактичну відстань, що відповідає часу надсилання, що спричиняє похибку вимірювання часу відлуння t.

Щоб підвищити точність синхронізації, необхідно точно визначити час прибуття датчик ультразвукового перетворювача . Для виявлення відлуння використовується один компаратор із фіксованим порогом. Через ослаблення поглинання та дифузійну втрату звукової хвилі під час передачі, інтенсивність звуку експоненціально спадає зі збільшенням відстані до цілі. У межах діапазону відстань між найближчою та найдальшою ціллю. Велика різниця в амплітуді відлуння може спричинити переміщення часу перетину порогу вперед і назад, що впливає на точність часу.

Спосіб вирішення цієї проблеми: Перший спосіб полягає у використанні схеми формування подвійного компаратора, яка може точніше визначити час прибуття фронту відлуння. Як показано на малюнку 2, vm — пікова напруга, нехай v1 — порогова напруга компаратора 1, v2 — порогова напруга компаратора 2 (де (v2>v1, його значення встановлюється експериментально), коли ультразвуковий датчик випромінює ультразвук. Коли таймер t1 і t0 однокристального мікрокомп’ютера починають відлік часу одночасно, коли компаратор 1 Перевертається, t0 припиняє відлік часу. Коли компаратор 2 припиняє відраховувати час, в цей час відлік часу t2, очевидно, t2>t1, t є часом розповсюдження, що відповідає передньому краю відлуння, тоді відстань, розрахована t1 і t2.

Другий метод полягає в послідовному підключенні схеми автоматичного регулювання підсилення (agc) до ланцюга прийому ехо-сигналу, щоб протягом часу прийому ланцюгом підсилення коефіцієнт посилення напруги експоненціально зростав із збільшенням відстані вимірювання, щоб компенсувати загасання поглинання, а дифузійні втрати зберігають амплітуду отриманого ехо-сигналу постійною або змінюються лише в невеликому діапазоні, щоб відповідати вимогам схеми формування, а потім виводять через схему формування, яка може значно підвищити точність вимірювання дальності. Звичайно, оскільки схема aGC (включаючи сам підсилювач) має затримку в ступінчастій реакції сигналу, миттєве відстеження може бути не дуже хорошим, а ехо-сигнал просто вибуховий, тому є певна похибка, але вона незначна.

Третій метод полягає в розробці схеми, яка поступово зменшує порогову напругу зі збільшенням часу протягом часу вимірювання та генерує пороговий сигнал, який зростає в будь-який час і зменшується експоненціально, і додається до компаратора. Це компенсує віддачу, спричинену збільшенням відстані вимірювання. Амплітуда хвилі зменшується, щоб підвищити точність і повторюваність вимірювання. За допомогою програмованих підсилювачів, цифрових потенціометрів та інших пристроїв за допомогою поєднання програмного й апаратного забезпечення можна сконструювати різноманітні такі схеми. Також можна поєднати операційний підсилювач і лампу з ефектом поля для створення керованого підсилювача. Польова трубка використовується як резистор, керований напругою, для формування контуру регулювання зворотного зв’язку. Але відслідковуваність цієї схеми не така хороша, як у згаданої вище цифрової схеми.

3. Вплив кута падіння ультразвукового променя на ціль виявлення на визначення дальності. Якщо система використовується для вимірювання відстані між поверхнею та точкою, коли кут падіння ультразвукової хвилі (або кут відбитої хвилі, що падає на приймальний перетворювач) менше 90b, відстань, виміряна системою, є вимірюваною точкою (об’єктом) і перетворювачем. Замість вертикальної відстані d між площиною вимірювання та об’єктом вимірювання це спричинить помилки вимірювання. Спосіб розв’язання цієї задачі полягає у використанні відповідних знань про трикутники для обчислення та виправлення.

4. Мертва зона

Під час вимірювання відстані, високочастотний ультразвуковий перетворювач використовує серію ультразвукових хвиль як носій вимірювання протягом певного періоду часу, тому прийом можна розпочати лише після завершення передачі. Встановіть час відправлення променя на t, тоді сигнал, відбитий від об'єкта протягом часу t, не може бути захоплений. Крім того, ультразвуковий датчик має певну інерційність, тобто відбувається процес від вимушеної вібрації до збалансованої вібрації до демпфованої вібрації. Таким чином, після завершення передачі буде певна післявібрація. Це після вібрації також генерує сигнал напруги через перетворювач. Сигнал накладається на луна-сигнал, так що схема не може ідентифікувати справжню луну, що порушує роботу системи по захопленню зворотного сигналу. Таким чином, систему не можна активувати для прийому луни, поки не зникне післявібрація. Дві вищезазначені причини призводять до того, що ультразвуковий датчик має певний діапазон вимірювання, тобто існує так звана сліпа зона.

Крім того, існує багато інших причин помилок вимірювання, наприклад, операція команди займає певний проміжок часу, що робить дані вимірювання занадто великими, стабільність і точність частоти імпульсів часової бази та інші суттєві перешкоди в польовому середовищі.