3. WYNIKI POMIARÓW Z WYKORZYSTANIEM ULTRADŹWIĘKÓW

3. WYNIKI POMIARÓW Z WYKORZYSTANIEM ULTRADŹWIĘKÓW.
Przy rozchodzeniu się fal dźwiękowych może dochodzić do częściowego lub całkowitego
odbicia oraz przenikania fali przez granice ośrodków. Przeszkody napotykane na drodze
rozprzestrzeniania się dźwięku mogą doprowadzić do uginania się, czyli jakby opływania
przeszkody. Stopień uginania się biegnącej fali akustycznej zależy od długości tej fali i wielkości
przedmiotu stanowiącego przeszkodę.
W miarę wzrostu częstotliwości drgań, kiedy długość fali maleje (co dotyczy szczególnie
obszaru ultradźwiękowego) uginanie się staje się coraz mniejsze. O ile jeszcze w zakresie niższych
częstotliwości fal ultradźwiękowych występuje jeszcze zjawisko ugięcia, to w przypadku wyższych
częstotliwości rozchodzenie się tych fal występuje prawie prostoliniowo, co pozwala na ich
skupienie lub rozpraszanie za pomocą soczewek, czy też zwierciadeł akustycznych..
3.1. Pomiar z wykorzystaniem ultradźwięków
Układ pomiarowy:
Rys.6. Układ pomiarowy do pomiarów odległości dalmierzem ultradźwiękowym
Pomiar polegał na przesuwaniu obiektu, do którego była mierzona odległość. Wynik
pomiaru był spisywany z odległościomierza, dane te pozwoliły na analizę dokładności pomiaru z
wykorzystaniem skonstruowanego przez nas układu odległościomierza.
Rysunek 7 przedstawia zależność odległości rzeczywistej do zmierzonej w przypadku obiektu
plastikowego.
Plastik
Odległość zmierzona[cm]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
Odległość rzeczywista[cm]
60
70
Plastik
Rys.7. Wyniki pomiaru dla obiektu plastikowego
Zależność odległości zmierzonej i rzeczywistej dla obiektu kartonowego przedstawia rysunek 8.
Odległość zmierzona [cm]
Karton
120
100
80
60
40
20
0
0
20
40
60
80
100
Odległość rzeczywista [cm]
120
Karton
Rys.
8. Wyniki pomiaru dla kartonu
W przypadku obiektów, które dobrze odbijają fale ultradźwiękowe pomiar odległości jest
wystarczająco precyzyjny dla zastosowań w robotyce. Zasięg pomiaru zależy silnie od wielkości
obiektu, dlatego w przypadku kartonu (duże pudło) uzyskano pomiar odległości do prawie 115cm a
w przypadku obiektu plastikowego (ściana obiektu prostopadła do wiązki ultradźwięków miała
wymiary 12cm na 12cm).
Duże błędy pomiaru występują dla odległości mniejszych od 10cm, co ma bezpośredni związek z
wpływem konstrukcji odległościomierza (niezerowa odległość pomiędzy czujnikami).
Zależność odległości zmierzonej i rzeczywistej dla obiektu kartonowego przedstawia rysunek 9.
Odległość zmierzona [cm]
Bawełna
25
20
15
10
5
0
2
4
6
8
Odległość rzeczywista [cm]
Rys.9. Wyniki pomiaru dla bawełny
10
12
Bawełna
Ze względu na silne tłumienie fal ultradźwiękowych przez bawełnę pomiar jest obarczony dużym
błędem oraz bardzo małym zasięgiem, do 11,5 cm, co jest prawie 10-cio krotnie mniej niż w
przypadku kartonu.
Zależność odległości zmierzonej i rzeczywistej dla obiektu kartonowego przedstawia rysunek 10.
Szklanka
Odległość zmierzona [cm]
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
10
20
30
Odległość rzeczywista [cm]
40
Szklanka
Rys.10. Wyniki pomiaru dla szklanki
Ze względu na rozstawienie nadajnika i odbiornika ultradźwiękowego w odległości porównywalnej
ze średnicą szklanki obserwuje się zmiany wskazań przyrządu dla pewnych odległości. Ma to
bezpośredni związek z kształtem obiektu – w przypadku kartonu czy plastiku ultradźwięki trafiały
na prostą płaszczyznę, co pozwalało na poprawny pomiar, w przypadku szklanki zaokrąglenie
powierzchni powoduje zmiany we wskazaniach. Pomiar kończy się przed 40cm ze względu na
niewielkie wymiary obiektu.
Zestawienie wszystkich obiektów na jednym wykresie przedstawia rysunek 11:
Odległość zmierzona
[cm]
Porównanie odległości dla czterech róznych materiałów
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
Odległość rzeczywista [cm]
Plastik
Karton
Szklanka
Bawełna
Rys.11. Zestawienie wyników pomiaru dla wszystkich materiałów
60
3.2. Pomiar odległości od obiektu, który nie znajduje się centralnie na osi odległościomierza
(obiekt przemieszczany równolegle do odległościomierza)
Układ pomiarowy przedstawiony jest na rysunku 12:
Rys.12. Układ pomiarowy
Obiekt był przemieszczany wokół osi oznaczonej na rysunku 9 jako y w odległości od
odległościomierza 10cm, 20cm i 30cm.
Przemieszczany obiekt - prostopadłościan o wymiarach 37mm x 16mm x37mm ustawiony
prostopadle do miernika od strony mniejszej ściany.
Pomiar dokonywany był w 5 „strefach”:
Oś nadajnika – obiekt znajduje się dokładnie na osi nadajnika.
Oś odbiornika – obiekt znajduje się dokładnie na osi odbiornika.
Symetrycznie – obiekt znajduje się dokładnie pomiędzy osiami nadajnika i odbiornika
Bliżej nadajnika – krawędź obiektu znajduje się po prawej stronie od osi nadajnika.
Bliżej odbiornika – krawędź obiektu znajduje się po lewej stronie od osi odbiornika.
Tabela3
x[cm]
Odległość od obiektu: 10 cm
Oś
Oś
Bliżej
nadajnika odbiornika Symetrycznie nadajnika
8,6
13,4
9,1
Bliżej
odbiornika
9,1
9,5
Tabela4
x[cm]
Odległość od obiektu: 20 cm
Oś
Oś
Bliżej
Bliżej
nadajnika odbiornika Symetrycznie nadajnika
odbiornika
20,2
20,6
20,8
20,2
21
Tabela5
x[cm]
Odległość od obiektu: 30 cm
Oś
Oś
Bliżej
Bliżej
nadajnika odbiornika Symetrycznie nadajnika
odbiornika
32,2
31,7
30,7
30,5
31
4. WYNIKI POMIARÓW Z WYKORZYSTANIEM CZUJNIKA PODCZERWIENI TYPU
GP2D12:
Układ pomiarowy do pomiarów odległości przedstawiony jest na rysunku 11:
Rys.13. Układ pomiarowy czujnika GP2D12
Czujnik GP2D12 ma wyjście napięciowe, napięcie to jest zależne od odległości od obiektu, nie jest
to zależność liniowa, o czym świadczą uzyskane wyniki.
Wykresy zależności napięcia wyjściowego w funkcji odległości od obiektu (karton biały szary i
czerwony) przedstawiają rysunki 14, 15 oraz 16.
Napięcie wyjściowe [V]
Karton biały
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
20
40
60
Odległość rzeczywista [cm]
Rys.14. Wyniki pomiaru dla kartonu białego
80
Karton biały
Karton szary
Napięcie wyjściowe [V]
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Odległość rzeczywista [cm]
80
Karton szary
Rys.15. Wyniki pomiaru dla kartonu szarego
Napięcie wyjściowe [V]
Karton czerwony
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
20
40
Odległość rzeczywista [cm]
60
80
Karton czerwony
Rys.16. Wyniki pomiaru dla kartonu czerwonego
Wykresy zależności napięcia wyjściowego w funkcji odległości od obiektu (szara pianka, szklanka)
przedstawiają rysunki 17, 18.
Pianka
Napięcie wyjściowe [V]
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Pianka
Odległość rzeczywista[cm]
Rys.17. Wyniki pomiaru dla szarej pianki
Szklanka
Napięcie wyjściowe [V]
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
10
20
30
40
50
Odległość rzeczywista [cm]
60
70
80
szklanka
Rys.18. Wyniki pomiaru dla szklanki
Pomiar odległości z wykorzystaniem czujnika GP2D12 w przypadku szklanki w ogóle się nie
sprawdził, zapewne z tego powodu, że część promieniowania IR przechodziło przez szkło i
powodowało to błędnych wyników pomiaru.
Wpływ koloru kartonu nie miał wielkiego znaczenia dla pomiarów.
5. WYNIKI POMIARÓW PRĘDKOŚCI W WYKORZYSTANIEM
ZAPROJEKTOWANEGO ODLEGŁOŚCIOMIERZA ULTRADŹWIĘKOWEGO.
Celem pomiarów było sprawdzenie w jakim stopniu skonstruowany przez nas układ nadaje się do
pomiarów prędkości. Pomiar prędkości odbywał się na zasadzie pomiaru przebytej drogi w danym
odcinku czasu. Prędkość poruszania się oblicza program który odejmuje od siebie dwie wartości
zmierzonej odległości i dzieli otrzymany wynik przez znany (ustawiony w programie) odcinek
czasu. Matematycznie można to zapisać następująco:
V=
dS ∆ S
=
dt
∆t
∆ S =S2−S1
Gdzie S1 i S2 to dystanse zmierzone do obiektu w odstępie czasu ∆t = 300ms.
Czas ∆t jest ustalony jako czas pomiędzy dwoma pomiarami odległości w programie sterującym
Układ pomiarowy do pomiarów prędkości przedstawiony jest na rysunku 19:
Rysunek 19 – układ pomiarowy do pomiarów prędkości
Odległościomierz ultradźwiękowy umieszczony był na ruchomej platformie, która mogła się
poruszać prostopadle do obiektu. Prędkość poruszania się platformy była równa 4,54cm/s co
zostało zmierzone na początku pomiarów. Punktem startowym dla odległościomierza był punkt C.
Odległość między punktem B i C była równa 10cm. Gdy platforma osiągnęła punkt C sprawdzana
była aktualna prędkość na wyświetlaczu odległościomierza ultradźwiękowego.
Wyniki pomiarów:
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
Błąd pomiaru dla większości przypadków nie przekracza 0,5cm/s, nie jest to wartość rewelacyjna
ale dla tak prostego układu można uznać ją za zadowalającą.