Звук с частотой превышающий диапазон восприятия человеком (обычно 20КГц), называется ультразвуком. В ультразвуковом неразрушающем контроле и толщинометрии используются звуковые волны в диапазоне от 100КГц до 50МГц. Ультразвук — это технология, которая может быть воплощена различными способами, что придает ей эксплуатационную гибкость.
Целью разработки является проектирование ультразвукового измерителя расстояния.
Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.
Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.
І. Анализ существующих методов
1) Глазомерно расстояние определяют путем сравнения с известным на местности отрезком. На точность глазомерного определения расстояния оказывают влияние освещенность, размеры объекта, его контраст с окружающим фоном, прозрачность атмосферы и другие факторы. Расстояния кажутся меньшими, чем в действительности, при наблюдении через водные пространства, лощины и долины, при наблюдении крупных и отдельно расположенных объектов. И наоборот, расстояния кажутся большими, чем в действительности, при наблюдении в сумерках, против света, в туман, при пасмурной и дождливой погоде. Все эти особенности следует учитывать при глазомерном определении расстояний. Точность глазомерного определения расстояний зависит также от натренированности наблюдателя. Опытным наблюдателем расстояния до 1000 м могут быть определены глазомерно с ошибкой 10-15%. При определении расстояния более 1000 м ошибки могут достигать 30%, а при недостаточной опытности наблюдателя 50%.
Ультразвуковые исследования в гинекологии (2)
... Исследователю, работающему с ультразвуковой аппаратурой, необходимо знать фокусное расстояние используемого им преобразователя, так как только в зоне фокусирования изучаемый объект будет изображаться наиболее четко. В современных ультразвуковых сканерах выбор оптимального ...
2) Определение расстояний по спидометру. Расстояние, пройденное машиной, определяется как разность показаний спидометра в начале и конце пути. При движении по дорогам с твердым покрытием оно будет на 3-5%, а по вязкому грунту на 8-12% больше действительного расстояния. Такие погрешности в определении расстояний по спидометру возникают от пробуксовки колес (проскальзывания гусениц), износа протекторов покрышек и изменения давления в шинах. Если необходимо определить пройденное машиной расстояние возможно точнее, надо в показания спидометра внести поправку. Такая необходимость возникает, например, пря движении по азимуту или при ориентировании с использованием навигационных приборов.
3) Измерение расстояний шагами. Этот способ применяется обычно при движении по азимуту, составлении схем местности, нанесении на карту (схему) отдельных объектов и ориентиров и в других случаях. Счет шагов ведется, как правило, парами. При измерении расстоянии большой протяженности шаги более удобно считать тройками попеременно под левую и правую ногу. После каждой сотни пар или троек шагов делается отметка каким-нибудь способом и отсчет начинается снова. При переводе измеренного расстояния шагами в метры число пар или троек шагов умножают на длину одной пары или тройки шагов. Например, между точками поворота на маршруте пройдено 254 пары шагов. Длина одной пары шагов равна 1,6 м. Тогда Д =254Х1,6=406,4 м.
Обычно шаг человека среднего роста равен 0,7- 0,8 м. Длину своего шага достаточно точно можно определить по формуле
Д=(Р/4)+0,37,
где Д-длина одного шага в метрах
Р — рост человека в метрах.
Например, если рост человека 1,72 м, то длина его шага
Д=(1,72/4)+0,37=0,8 м.
Более точно длина шага определяется промером какого-нибудь ровного линейного участка местности, например дороги, протяженностью 200-300 м, который заранее измеряется мерной лентой (рулеткой, дальномером и т. п.).
При приближенном измерении расстояний длину пары шагов принимают равной 1,5 м.
Средняя ошибка измерения расстояний шагами в зависимости от условий движения составляет около 2-5% пройденного расстояния. Счет шагов может выполняться с помощью шагомера (рис.1).
Он имеет вид и размеры карманных часов. Внутри прибора помещен тяжелый молоточек, который при встряхивании опускается, а под воздействием пружины возвращается в первоначальное положение. При этом пружина перескакивает по зубцам колесика, вращение которого передается на стрелки. На большой шкале циферблата стрелка показывает число единиц и десятков шагов, на правой малой-сотни, а на левой малой-тысячи. Шагомер подвешивают отвесно к одежде. При ходьбе вследствие колебания его механизм приходит в действие и отсчитывает каждый шаг.
Рис.1 Шагомер
4) Определение расстоянии по времени и скорости движения. Этот способ применяется для приближенного определения величины пройденного расстояния, для чего среднюю скорость умножают на время движения. Средняя скорость пешехода около 5, а при движении на лыжах 8-10 км/ч. Например, если разведывательный дозор двигался на лыжах 3 ч, то он прошел около 30 км.
5) Определение расстояний по соотношению скоростей звука и света. Звук распространяется в воздухе со скоростью 330 м/с, т. е. округленно 1 км за 3 с, а свет- практически мгновенно (300000 км/ч).
Таким образом, расстояние в километрах до места вспышки выстрела (взрыва) равно числу секунд, прошедших от момента вспышки до момента, когда был услышан звук выстрела (взрыва), деленному на 3. Например, наблюдатель услышал звук взрыва через 11 с после вспышки. Расстояние до места вспышки
Д=11/3 = 3,7км.
6) Определение расстояний на слух. Натренированный слух-хороший помощник в определении расстояний ночью. Успешное применение этого способа во многом зависит от выбора места для прослушивания. Оно выбирается таким образом, чтобы ветер не попадал прямо в уши. Вокруг в радиусе нескольких метров устраняются причины шума, например сухая трава, ветки кустарника и т. п. В безветренную ночь при нормальном слухе различные источники шумов могут быть слышны на даль-ностях, указанных в табл. 1.
Таблица 1
|
Дальность слышимости, м |
||
|
Шаги человека |
40 |
|
|
Треск сломанной ветки |
80 |
|
|
Негромкий разговор, заряжание оружия |
100 |
|
|
Рубка или пилка леса (стук топора) |
300 |
|
|
Падение срубленных деревьев |
600 |
|
|
Движение автомобиля по шоссе |
800 |
|
|
Движение танка по грунтовой дороге |
2000 |
|
7) Определение расстояний геометрическими построениями на местности. Этот способ может применяться при определении ширины труднопроходимых или непроходимых участков местности и препятствий (рек, озер, затопленных зон и т. п.).
На рис.2 показано определение ширины реки построением на местности равнобедренного треугольника. Так как в таком треугольнике катеты равны, то ширина реки АВ равна длине катета АС. Точка А выбирается на местности так, чтобы с нее был виден местный предмет (точка В) на противоположном берегу, а также вдоль берега реки можно было измерить расстояние, равное ее ширине. Положение точки С находят методом приближения, измеряя угол АСВ компасом до тех пор, пока его значение не станет равным 45°.
Рис.2 Определение расстояний геометрическими построениями на местности.
Другой вариант этого способа показан на рис. 23,6. Точка С выбирается так, чтобы угол АСВ был равен 60°. Известно, что тангенс угла 60° равен 1/2, следовательно, ширина реки равна удвоенному значению расстояния АС. Как в первом, так и во втором случае угол при точке А должен быть равен 90°.
8) Методы измерения расстояний с помощью лазеров
Лазеры могут быть использованы при различных бесконтактных способах измерения расстояний или смещений. С помощью лазера осуществляются наиболее точные измерения длин и расстояний. Лазерные системы имеют очень большую скорость получения данных (с пропускной способностью до нескольких мегагерц) используются для больших диапазонов измерений, хотя эти качества, как правило, не объединены одним способом измерения. В зависимости от требований используются различные технические подходы. Они находят широкий спектр применения, например, в области архитектуры, контроля на производстве, анализа мест происшествий, военных целях и т. д.
Методы измерения расстояний
Некоторые из наиболее важных технологий, используемых для лазерных измерений расстояний:
- Триангуляция- геометрический метод, используемый для измерения расстояния в диапазоне от 1 мм до многих километров.
— Времяпролётный метод (или импульсный метод) — основан на измерении времени прохода лазерного импульса от измерительного прибора до некоторой цели и обратно. Такие методы обычно используются для больших расстояний, от сотен метров до нескольких километров. Используя передовые технологии, можно измерить расстояние между Землей и Луной с точностью до нескольких сантиметров. Типичная точность простых устройств измерения коротких расстояний равна нескольким миллиметрам или сантиметрам.
— Метод фазового сдвига использует модулированный по интенсивности лазерный луч. По сравнению с интерферометрическим методом, его точность ниже, но он позволяет однозначные измерения на больших расстояниях и больше подходит для целей с рассеянным отражением. Отметим, что методику фазового сдвига иногда, называют методом времени пролёта, так как сдвиг фазы пропорционален времени пролета, но этот термин является более подходящим для метода, описанного выше, где измеряется время пролета светового импульса.
— Методы частотной модуляции используют частотно-модулированные лазерные лучи, например, с повторяющимся линейным законом изменения частоты. Измеряемые расстояния могут быть переведены в смещение частоты, которые могут быть измерены с помощью биения исходящего и принятого пучка.
- Интерферометрия позволяет измерять расстояния с точностью, превышающей длину волны используемого света.
На малых расстояниях, иногда используются ультразвуковые дальномеры, регистрирующие время пролета звука до объекта. При этом устройство может содержать лазерный указатель только для задания правильного направления, а не для измерения самого расстояния.
Лазерный радар. Лазерный радар — устройство, которое использует один из методов измерения расстояния, описанных выше, и сканирует заданное направление в двух измерениях.
Это позволяет получить изображение или, точнее, профиль данного объекта, как требуется, например, в робототехнике. Для получения таких профилей с более высокой скоростью существуют сенсорные чипы, похожие на ПЗС (приборы с зарядовой связью) со встроенной аппаратурой для измерения фазовых сдвигов, так что расстояния для каждого пикселя могут быть измерены одновременно. Это позволяет быстро получать трехмерные изображения с помощью компактных устройств.
По сравнению с ультразвуковыми или радио- и микроволновыми устройствами (радарами), основное преимущество лазерных методов измерения расстояния в том, что лазерное излучение обладает гораздо меньшей длиной волны, что позволяет направить узкий сканирующий пучок и, таким образом, достичь более высокого пространственного разрешения. Еще одно преимущество в том, что оптический полосовой фильтр позволяет очень эффективно отсечь шум, возникающий от других оптических частот.
Как и практически при всех других методах измерения с использованием лазеров, при лазерном измерении расстояния присутствует лазерный шум. Другие, связанные с шумом проблемы могут возникнуть в результате шума детектирования, рассеивания света, и спец-эффектов.
Цели могут обладать различными свойствами отражения и рассеяния. Проблемы могут возникнуть из-за очень низкого отражения или из-за зеркального отражения.
Следует обратить внимание, что использование лазеров поднимает серьезные вопросы безопасности, особенно при использовании коротких интенсивных импульсов с модуляции добротности. Связанные с этим опасности могут быть сильно уменьшены за счет использования безопасных для глаз длин волн лазеров.
8.1 Метод триангуляции
Триангуляция — метод для измерения расстояний, часто с использованием лазера. Он использует способность лазерного луча распространятся в хорошо коллимированной форме (т. е. с малой расходимостью) на большие расстояния. Обычно лазерный луч освещает точку, расстояние до которой от лазерного устройства необходимо измерить; по существу, лазер используется в качестве указателя. Рассеяное или зеркальное отражения от этой точки контролируются детектором, который устанавливается на некотором расстоянии от лазерного луча, таком, что источник лазерного излучения, объекта и детектор образуют треугольник. На детекторе линза фокусирует отраженный свет на ПЗС-матрице, и положение яркого пятна на чипе показывает направление входящего света, т. е. угол между лазерным лучом и возвращенным светом , откуда расстояние и может быть рассчитано.
Высокая скорость обнаружения позволяет отслеживать положение движущейся или вибрирующей части, например, какой-либо машины. Полученная точность может, как правило, достигать одной тысячной доли расстояния. Для рассеянного отражения расстояние может быть ограничено требованием получить определенную отраженную оптическую мощность; при зеркальном отражении могут быть измерены гораздо большие расстояния, но требуется какое-либо угловое выравнивание в направлении измерения. Требования к лазерному источнику:
В идеале, лазерный источник для триангуляции должен иметь высокое качество пучка, чтобы осветить небольшое пятно на большом расстоянии.
Также требуется определенная оптическая мощность, особенно для целей с рассеянным отражением. Лучше использовать безопасные для глаз длины волны лазерного излучения (например, в 1,5 мкм области), хотя видимый луч помагает убедится, что подсвечена правильная точка.
Д анный метод, как правило, используются для измерения больших расстояний, от сотен метров до нескольких километров. В нём используются передовые технологии (высококачественные телескопы, очень чувствительны фотодетекторы и т.д.), с помощью него можно измерить, например, расстояние между Землей и Луной с точностью до нескольких сантиметров, или получить точный профиль плотины.
8.3 Метод сдвига фаз
Лазерные дальномеры часто базируются на методе фазового сдвига, метод для измерения расстояний следующим образом. Лазерный луч с синусоидально модулированной оптической мощностью направляется на цель. Отслеживается отраженный свет (рассеянный или зеркально отраженный), и фаза модуляции мощности по сравнению с переданным светом. По полученной разности фаз определяется расстояние.
Более высокие частоты модуляции позволяют получить более высокую точность.
Что касается интерферометра, метод фазового сдвига предполагает неопределенность в отношении расстояния, потому что с увеличением расстояния фаза будет периодически меняться.
Однако, периодичность гораздо больше, чем в интерферометре, так как частота модуляции значительно ниже, чем оптическая частота. Кроме того, неопределенность может быть легко удалена, например, путем измерения с двумя различными частотами модуляции. По сравнению с интерферометрами, устройства, основанные на технике фазового сдвига менее точны, но они позволяют однозначно измерять большие расстояния. Кроме того, они подходят для целей с рассеянным отражением от шероховатой поверхности.
8.4 Интерферометрический метод, Интерферометр, измерительный прибор, в котором используется интерференция волн.
Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется.Пучек света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе.
В месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина, вид которой, т. е. форма и взаимное расположение интерференционных максимумов и минимумов, зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.
9) Индуктивный метод. Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.
Вместе с тем, несмотря на прекрасную точность, разрешение и время отклика, существенная нелинейность, составляющая 3% — 5%, представляет определенную проблему. Что бы преодолеть это некоторые производители определяют выходной сигнал датчика как полиномную функцию, математически описывающую сигнал, и тем самым дают возможность запрограммировать с помощью такой функции большинство современных контроллеров для более точного алгоритма измерения. Типичная функция, описывающая выходной сигнал аналогового индуктивного датчика в зависимости от расстояния, представлена ниже:
Расстояние = a + b (Iвых ) + c (Iвых )2 + d (Iвых )3 + e (Iвых )4
Где: I вых = выходной ток Измеряемое расстояние = 0-2 мм, 0-20 мА (Iвых )
Коэффициенты функции имеют следующие значения: a = -0.144334; c = -0.00782; e = -7.27311 ? 10-6; b = 0.151453; d = 0.00040
Тем самым, например, на расстоянии 0,4638 мм выходной сигнал будет 5 мА. Проблемы с линейностью могут быть так же решены с использованием интегрированного в датчик микропроцессора. Такой метод позволяет произвести линеаризацию выходной характеристики датчика и существенно снизить нелинейность. Например, индуктивный датчик диаметром 12 мм и расстоянием измерения 0 — 4 мм., со встроенным микропроцессором имеет линейность лучше, чем 0,4%.
10) Ультразвуковой метод
В данном разделе описаны методы измерения расстояния посредством ультразвуковых датчиков, основанные на принципе измерения времени прохождения сигнала.
10.1 Метод непосредственного обнаружения.
В данном методе обработка отражённого от объекта сигнала производится в той же точке, что и излучение. В момент времени T0 (Рис.1) ультразвуковой передатчик излучает сигнал — пачку импульсов, продолжительностью Дt, которая распространяетсяв окружающей среде соскоростью звука C. Когда сигнал достигает объекта, часть сигнала отражается и приходит в приёмник в момент времени T1. Электронная схема устройства обработки сигнала определяет расстояние до объекта, измеряя время T1 — T0.
Для измерений расстояния может применяться как схема, использующая одну и ту же головку датчика для излучения и приёма, так и схема, в которой излучение и приём производят две разные головки.
Ультразвуковые датчики непосредственного обнаружения обеспечиваются набором средств, дающих возможность гибкой установки
ближней и дальней границы измерительного окна.
10.2 Метод отслеживания порога обнаружения
Он состоит в том, что пороговое напряжение детектора, подаваемое на компаратор, формируется напряжением, переменным во времени и повторяющим форму огибающей «хвоста» пачки импульсов, получаемого при затухании колебаний мембраны.
Применение метода отслеживания порога чувствительности позволило уменшить «слепую» зону в 2-2,5 раза. Однако использование датчиков вблизи границы «слепой» зоны требует тщательной проработки. Поэтому в характеристиках датчика по дальности в табл. 1 приводится как диапазон зондирования, так и диапазон настройки.
10.3 Метод перехода через ноль
Данный метод широко применяется в ультразвукових устройствах, в которых определяется время задержки эхосигнала относительно зондирующего импульса.
Сущность измерений заключается в следующем. Анализируется высокочастотный ультразвуковой сигнал — Рис. 1. В схеме измерения используется аналоговый компаратор. Как только импульс превышает порог компаратора, прибор выводит информацию о том, что ультразвуковой сигнал обнаружен. Далее, измерение задержки производится в момент перехода через нулевое значение.
Главное достоинство данного способа измерений состоит в том, что найденное время задержки не зависит от амплитуды сигнала. Если сигнал превысил порог компаратора, измерение происходит автоматически.
Метод перехода через ноль при всех своих достоинствах предъявляет достаточно жесткие требования к форме ультразвукового сигнала. Необходимо обеспечить высокую скорость нарастания переднего фронта. В противном случае может наблюдаться захват второго или даже третьего периода колебаний.
Практика разработки пъезопреобразователей показывает, что довольно трудно управлять формой акустических импульсов. Обычно применяют сильное демпфирование пъезопластин, которое позволяет расширить полосу пропускания и одновременно дает возможность получить короткие ультразвуковые импульсы.
10.4 Ультразвуковой метод
Одним из способов применения ультразвука является определение расстояния. Ультразвуковой импульс, посылаемый устройством, отражается от препятствия и поступает обратно к приемнику, как эхо, что фиксируется датчиками.
Рис.4 Отражение звука от различных объктов
Информация о расстоянии до контролируемого тела, точнее некоторой отражающей зоны, принадлежащей поверхности контролируемого тела, определяется временным запаздыванием принимаемого сигнала относительно излучаемого. Примерно таким же образом летучие мыши ориентируются в пространстве: они излучают вперед направленный пучок ультразвуковых колебаний и ловят отраженный сигнал. Звуковые волны распространяются в воздушной среде с определенной скоростью, поэтому по задержке прихода отраженного сигнала можно с достаточной степенью точности судить, на каком расстоянии находится тот предмет, который отразил звук.
Замеряя время между посылом и получением эха, можно определить, насколько далеко находится объект. Приборы, использующий подобный принцип, называются сонорами. Аналогично работают радары.
1.1 Выбор критерия сравнения метода измерений
1.1.1 Сравнение методов согласно выбранным критериям представлено в табл. 1.1, Таблица 1.1 — Сравнение методов измерений
|
Принцип измерения |
Оптические |
Индуктивный |
Ультра -звуковой |
||
|
Триангуляционный |
Радарный |
||||
|
Диапазон измерения, мм |
100 — 350 |
0.6-6 |
0 — 20 |
10 — 10000 |
|
|
Разрешение |
1 мкм |
0.5 мм |
0.1 мкм |
0.2 мм |
|
|
Точность, мм |
2 мкм |
2 мм |
1 мкм |
0.2 мм |
|
|
Линейность, % |
0.05%-1% |
0.001% |
0.4% — 5% |
0.5% |
|
|
Быстродействие |
1 мс |
1 мс |
0.3 мс |
20 мс |
|
|
Сложность конструкции |
|||||
|
Чувствительность |
Средняя |
Средняя |
Средняя |
Высокая |
|
|
Стоимость |
Высокая |
Высокая |
Средняя |
Средняя |
|
|
Надежность |
Высокая |
Высокая |
Средняя |
Высокая |
|
1.2.1 Обоснование метода измерения
Среди перечисленных выше методов измерения расстояния для более детального рассмотрения выберем ультразвуковой время-импульсный метод. Изначально выделим основные достоинства и недостатки метода.
Почти не существует материалов, которые не смог бы обнаружить ультразвуковой датчик. Поэтому интеллектуальные ультразвуковые измерители — идеальный вариант для решения задач автоматизации технологических процессов и определения положения и удаленности объекта в различных промышленных областях. Дополнительное преимущество, которым обладает ультразвуковой датчик — устойчивость к любым видам загрязнения окружающей среды. Благодаря этим преимуществам ультразвуковые датчики часто используются, как датчики измерения уровня сыпучих и жидких материалов. В зависимости от области применения, выпускаются сенсоры с цифровым и аналоговым выходами. Однако и ультразвуковые датчики имеют ряд ограничений. Прежде всего, это пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного менших объектов, например таких, как бутылки или ампулы.
Ультразвуковой датчики расстояния обладают такими характеристиками :
- бесконтактное детектирование объекта и его удаленности при помощи ультразвука
- функция предварительного конфигурирования
- высокая точность измерений при использовании данного метода
- широкий диапазон сканирования
- сканирование прозрачных объектов и жидкостей
ІІ. Анализ существующих средств
2.1 MS-6450 Измеритель расстояний ультразвуковой
Дальномер Mastech MS6450 позволяет быстро и точно определить расстояние от одной точки до другой. С помощью этого прибора можно измерить расстояния от стены до стены помещения и определить площадь и объем этого помещения. Дальномер Mastech MS6450 автоматически пересчитает полученные значения из метров в футы и обратно. Прибор позволяет запомнить измеренные значения. В условиях недостаточной видимости подсветка дисплея поможет прочитать полученные данные. Питание прибора осуществляется с помощью батареи питания 9 В типа «Крона».
Рис. 5 Внешний вид MS-6450, Рис. 6 Схема измерения MS-6450
2.2 VERTEX LASER VL400 лазерно-ультразвуковой измеритель расстояния
Vertex Laser VL400 — Лазерно-ультразвуковой дальномер объединяет в одном приборе две технологии лазерную и ультразвуковую близких измерений. Точные вычисления расстояния, высоты и уклона. Новая технология позволяит выполнить работу быстро и эффективно.
Рис. 7 Внешний вид VERTEX LASER VL400
Для коротких расстояний, в густом лесу и подлеске, прекрасно подходит измерение с помощью ультразвука (Vertex Ultrasound) Способность Vertex Laser VL400 измерять по горизонтали на 360 градусов, позволяет использовать инструмент для закладки реласкопических площадок.
Таблица — Технические характеристики Vertex Laser VL400
Дальние дистанции: Vertex Laser VL400 позволяет измерять расстояния до 400 метров! А с отражателем измеряемое расстояние увеличивается до 900 м! Vertex Laser VL400 удобен и для работы на линиях электропередач. Легко могут быть определены и измерены провисание проводов на линии электропередачи , пограничные деревья, высоты, углы и расстояния. Для открытой местности измерения с помощью лазера, для густого леса с плотным подлеском — ультразвук. Объективы оборудованы возможностью оптического увеличения :
C красным, крестообразным прицелом увеличение — 1 — кратное. Второй объектив — с 8 кратным увеличением (удобен для удаленных и тонких целей, например, проводов).
Встроенный инфракрасный порт позволяет переносить данные на карманный или стационарный компьютер для дальнейшей обработки.
измеритель расстояние дальномер ультразвук
Ультразвуковой дальномер, рулетка с лазерным указателем направления измерения.
Рис. 8 Внешний вид ультразвукового дальномера
Описание: Ультразвуковой многофункциональный дальномер предназначен для бесконтактного измерения расстояния до объекта. Он станет отличным выбором для строителей, риэлторов и всех, кто нуждается в точном и быстром измерении комнат, построек, любых других расстояний.
Принцип действия прибора заключается в измерении времени, которое проходит от момента излучения ультразвуковой волны до ее возврата к дальномеру после отражения от объекта: чем больше это время, тем дальше объект, и наоборот.
Точкой отсчета расстояния у этой модели дальномера является задняя стенка корпуса прибора.
Для более точной установки направления измерения дальномер имеет лазерную указку, она при необходимости включается специальной кнопкой.
Технические характеристики:
Диапазон изменяемых расстояний: от 0,55 до 18,288 м (от 2 до 60 футов).
Частота ультразвука: 40 кГц.Погрешность: 0,5%.
Единицы измерения: метры, футы.
Отображение информации: LCD-дисплей, оснащенный подсветкой.
Диапазон рабочих температур: от 0 до 43°С.
Питание: батарея 9 В.
Размеры: 157 х 72 х 48 мм.
Материал корпуса: пластик.
Дополнительные функции: сложение, вычитание, вычисление площади и объема, память на 3 измерения, автоматическое выключение.
2.4 Ультразвуковое измерение дальности на MSP430
В этом примере применения описан ультразвуковой дальномер на базе микропотребляющего МК MSP430F413. Прибор передаёт «пачку» волн ультразвуковой частоты по направлению объекта и принимает соответствующий отражённый сигнал. Встроенный в MSP430 аналоговый компаратор Comparator_A используется для определения момента принятия отражённого сигнала. Микроконтроллер с высокой точностью измеряет время прохождения ультразвуковой «пачкой» расстояния от излучателя до объекта и обратно.
Прибор основан на эффекте отражения звуковых волн. Эти волны можно представить как продольные колебания давления в среде их распространения. Средой распространения звуковых волн в данном случае является воздух, а звуковые волны излучаются ультразвуковом диапазоне, т.к. он не воспринимается человеческим ухом.
В данном приборе использованы керамические ультразвуковые излучатели на частоту 40 кГц. MSP430 подаёт на излучатель пачку из 12 импульсов частотой 40 кГц прямоугольной формы стабилизированной при помощи кварцевого резонатора и принимает «эхо» с помощью УЗ-приёмника. Таймер Timer_A в MSP430 сконфигурирован для подсчёта 40-килогерцовых импульсов от кварца, таким образом, временное разрешение измерения составляет 25 мкс, что более чем достаточно для данных целей. Тактовая частота для измерений получена при помощи кварцевого генератора, что обеспечивает её высокую стабильность. Отражённый сигнал, принятый приёмником усиливается операционным усилителем, выход которого подключен к входу компаратора Comparator_A.
Comparator_A определяет наличие сигнала на входе и формирует сигнал захвата для таймера Timer_A, результат счёта при этом «защёлкивается» в регистре захвата-сравнения CCR1. Время осуществления «защёлкивания» в точности соответствует времени прихода импульсов отражённого сигнала. Запомненный в регистре результат счёта соответствует времени, затраченному пачкой ультразвуковых импульсов на преодоление расстояния от прибора до объекта и обратно. Расстояние в дюймах вычисляется микроконтроллером MSP430 исходя из измеренного времени и выводится на 2-х цифровой ЖКИ со статическим управлением. Сразу после этого МК переходит в режим пониженного потребления LPM3 для снижения потребляемой мощности. Таймер Basic Timer1 запрограммирован на формирование прерываний каждые 205 мс. Прерывание от Basic Timer1 переводит MSP430 в активный режим, при этом повторяются цикл измерения и вывод на ЖК. На рис.9 показана принципиальная схема прибора.
Рис. 9 Схема прибора
Такие периферийные устройства, как аналоговый компаратор Comparator_A, 16-битный таймер Timer_A с аппаратными регистрами захвата-сравнения, базовый таймер Basic Timer1 и драйвер ЖКИ значительно упрощают разработку ультразвукового дальномера и обеспечивают однокристальное решение. Средний потребляемый ток прибора 1.3 мА при измерении расстояния в 15 дюймов. Сюда входит собственное потребление LDO-стабилизатора U2, операционного усилителя U3, и КМОП-инвертера U4. Только ОУ потребляет 1 мА, таким образом, вся оставшаяся схема потребляет 300мкА. Ток светодиода во включенном состоянии — 5 мА. MSP430 потребляет в среднем 2.1 мкА с учётом постоянно включенного ЖКИ. Это стало возможным благодаря использованию преимуществ функций ультранизкого энергопотребления MSP430. Основное время MSP430 находится в режиме пониженного потребления LPM3, ресурсы ЦПУ использованы всего на 5.6%.
Т.к. скорость звука зависит от температуры, измерение расстояния будет иметь большую погрешность при температурах, отличающихся от комнатной. Для повышения точности измерения во всём диапазоне температур прибор может быть дополнен простым измерителем температуры на термисторе и соответствующей коррекцией показаний. Измеренное расстояние и температура также, по желанию, могут быть сохранены во встроенной флеш-памяти. Добавление дополнительного каскада усиления сигнала приёмника и использование мультиплексированного ЖКИ с любым желаемым количеством цифр позволит увеличить диапазон измерения.
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kursovaya/ultrazvukovyie-dalnomeryi/
1. Лысенко Г.А. Принципы измерения расстояний и линейных перемещений Рукопись.
2. Коронкевич В.П. Ленкова Р.А. Лазерные измерительные устройства журнал «Автометрия «.
