Zastosowanie ultradzwięków w pomiarach odległości

Zastosowanie ultradzwięków w pomiarach odległości
Na podstawie badań przeprowadzonych w Kole Naukowym WIEM
Badania wykonali:
Iwona Ilnicka
Rafał Stępień
12.12.2008
Rafał Stępień
ST1 sem IX
Tematyka prezentacji
Dlaczego ultradzwięki?
Zalety i wady
Zastosowania
Metody pomiaru odleglości
Metody pomiaru predkości
Przykładowe rozwiązania
Układ modelowy
Schematy
Zasada działania
Wyniki pomiarów
2
Dlaczego ultradzwięki?
Cechy:
Fala akustyczna
Częstotliwość fali 20kHz<f<100MHz (hiperdzwięki), w
praktyce kilkadziesiąt kHz
Odbijają się od przeszkód
Odbierane i generowane przez niektóre zwierzęta
Zalety:
Łatwość wytworzenia ultradzwięków i implementacji
Dobra dokładność pomiaru odległości
Stosunek cena/możliwości
Brak szkodliwego oddziaływania na człowieka
Wady
Mały zasięg
3
Zastosowania ultradzwięków
Głównie medycyna
USG
poprawa ukrwienia
działanie przeciwbólowe
Zastosowania odległościowe:
SONAR
Dalmierze
Inne:
Silne źródła: rozgrzewanie i
niszczenie materiałów
Obróbka powierzchniowa
4
Metody pomiaru odległości
Najprostrza: pomiar echa (czasu trwania “lotu”
sygnału)
Odległość zmierzoną można wyrazić następującym wzorem:
S=
Vd∗T
−k
2
Gdzie S – odległość do obiektu, Vd – prędkość dzwięku, T –
czas odbicia,k- współczynnik korekcyjny
5
Metody pomiaru odległości
Inne:
Cross correlation - Sygnał wysyłany i powracający
zostają ze sobą skorelowane i następuje pomiar
maksymalnego czasu lotu, brak wpływu szumu
Phong Illumination Model - Pomiar odległości jest
realizowany pośrednio poprzez ultradźwięki (detekcja
powierzchni), a następnie podczerwień (duża
dokładność na małych odległościach)
Porównanie faz: pomiar odległości jest realizowany
poprzez porównanie faz sygnału wysłanego i
odebranego
6
Metody pomiaru prędkości
Prosta
Z ustalonym czasem mierzona jest zmiana odległości
V=
dS ∆ S
=
dt ∆ t
∆ S =S2−S1
Złożone:
Metoda doplerowskiego przesunięcia częstotliwości
Inne
7
Przykładowe rozwiązania
8
Układ modelowy
Założenia projektowe
Konstrukcja modułowa umożliwiająca zbadanie
właściwości odbiornika I nadajnika
Sterowanie mikroprocesorowe
Pomiar odległości i prędkości (metoda pośrednia)
Zasięg 1 metr
Napięcie zasilania 12V
Wykorzystanie tanich nadajników/odbiorników
ultradźwiękowych
9
Schematy - nadajnik
10
Schematy - odbiornik
11
Problemy napotkane podczas konstrukcji
Bliskość położenia nadajnika I odbiornika
powodowala błędy pomiarowe
Trudność w doborze funkcji k
Silna zależność Fwy od napięcia zasilania
Mała dokładność pomiaru prędkości
12
Wyniki pomiarów
Odbicie od kartonu:
Karton
Odległość zmierzona [cm]
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
Odległość rzeczywista [cm]
100
120
Karton
13
Wyniki pomiarów
Odbicie od szklanki:
Szklanka
Odległość zmierzona [cm]
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
Odległość rzeczywista [cm]
40
Szklanka
14
Wyniki pomiarów
Odbicie od bawełny
Odległość zmierzona [cm]
Bawełna
25
20
15
10
5
0
2
4
6
8
Odległość rzeczywista [cm]
10
12
Bawełna
15
Pomiar prędkości
Układ pomiarowy:
Tabela pomiarowa
L.P.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
V1 [cm/s]
4,3
4,2
3,8
4,1
4,2
4,8
4,7
4,2
5,1
4,8
V2 [cm/s]
4,54
4,54
4,54
4,54
4,54
4,54
4,54
4,54
4,54
4,54
∆(V2-V1) [cm/s]
0,24
0,34
0,74
0,44
0,34
-0,26
-0,16
0,34
-0,56
-0,26
16
Wnioski
Zastosowanie przetworników ultradźwiękowych
umożliwia uzyskanie w miarę dokładnych wyników
pomiaru odległości i prędkości w stosunkowo prostym
układzie, bez stosowania cyfrowej obróbki sygnałów.
Maksymalny zasięg pomiaru dla urządzenia
wykorzystującego ultradźwięki jest silnie uzależniony
od rodzaju materiału
Pomiar w zakresie małych odległości obarczony jest
znacznym błędem. Odległościomierz nie może
zmierzyć odległości mniejszej niż fizyczna odległość
modułów nadajnika i odbiornika w układzie.
Pomiar prędkości wykonywany jest przez układ
niejako „przy okazji”, zastosowany sposób nie jest
idealny ale jest prosty.
17
Dziękuje za uwagę
18