Ультразвуковые датчики (Часть 1)

Ультразвуковые датчики (Часть 1). Устройство и работа. Особенности

Сенсорные устройства, преобразующие электрический ток в волны ультразвука, называются ультразвуковые датчики. Их принцип действия аналогичен работе радара, они улавливают цель по отраженному сигналу. Скорость звука – величина постоянная. На основании этого таким датчиком вычисляется расстояние до некоторого объекта, соответствующее диапазону времени между выходом сигнала и его возвращением.

Устройство и принцип действия

Работают ультразвуковые датчики основываясь на взаимодействии колебаний ультразвука с измеряемым пространством. Ультразвуковые колебания – это механические колебания, которые совершаются с частотой выше 20000 герц, а значит, больше верхней границы колебаний звука, воспринимаемого человеком.

Распространение таких колебаний в газообразных, жидких и твердых средах зависит от параметров самой среды. Скорость передачи колебаний для газов равна 200-1300 метров в секунду, для твердых тел 1500-8000 м/с, для жидких веществ 1100-2000 м/с. Значительно зависит скорость колебаний от давления газа.

Коэффициенты отражения волн ультразвука отличаются на границах различных сред, так же как и их способность поглощения звука. Поэтому ультразвуковые датчики используют для получения информации о разных неэлектрических параметрах с помощью измерения свойств колебаний ультразвука: сдвига фаз, времени затухания, распространения колебаний.

Ультразвуковые способы измерения являются электрическими, так как возбуждение колебаний и их прием осуществляется с помощью электричества. Чаще всего в датчиках применяют пьезоэлементы, преобразователи магнитострикционного вида. Для возбуждения колебаний ультразвуковой частоты применяется эффект растяжения и сжатия пьезокристалла, называемый обратным пьезоэффектом. Поэтому пьезоэлемент применяется как в качестве приемника колебаний, так и в качестве излучателя.

Излучатели магнитострикционного вида применяют эффект деформации ферромагнитов в магнитном поле. Излучатель стержневого вида выполнен в виде тонких листов ферромагнетика, на котором намотана катушка возбуждения.

В магнитострикционных излучателях часто применяются сплавы никеля, ферриты. При нахождении ферромагнитного стержня в переменном магнитном поле, он будет разжиматься, и сжиматься с частотой поля. На рисунке показана зависимость изменения (относительного) длины стержня от напряженности поля Н. Так как направление поля не влияет на знак деформации, то частота деформации будет в 2 раза выше частоты возбуждающего поля.

Чтобы получить значительные механические деформации применяют подмагничивание стержня. Магнитострикционные излучатели действуют в условиях резонанса, если частота поля возбуждения совпадает с колебаниями стержня, определяемыми по формуле:

Где l — длина стержня, Е — модуль упругости, р — плотность.

В излучателе на основе пьезоэлемента применяется кварцевая пластина, к которой подключено переменное напряжение U_х, образующее электрическое поле по оси Х.

Обратный эффект состоит в деформации пластины по оси Х. Относительное изменение размера пластины (толщины) равно:

Δa/a=kUx/a

Поперечный эффект состоит в деформации пластины по оси У. Относительное изменение толщины пластины равно:

Δl/l=kUx/a

Размеры пластины не влияют на величину продольной деформации. Поперечная деформация повышается с увеличением отношения l/а. При разности потенциалов до 2500 вольт имеется прямая зависимость деформации и напряжения. При высоких напряжениях деформация повышается не так интенсивно. Амплитуда колебаний доходит до наибольшего значения, когда частота напряжения и частота колебаний пластины совпадают.

Частота продольных колебаний вычисляется:

Модуль упругости определяется по оси Х. Модуль упругости по оси У влияет на частоту поперечных колебаний:

Если сравнить два рассмотренных типа излучателей, то можно сделать вывод, что пьезоэлектрические излучатели могут обеспечить большую частоту колебаний ультразвука.

Рассмотрим работу датчика по времени прохождения сигнала. Обработка отраженного сигнала осуществляется в той же точке, откуда и излучается. Такой метод является непосредственным обнаружением.

Рис 1

Ультразвуковые датчики в момент времени Т излучают сигнал (некоторый набор импульсов) длительностью ∆t, распространяющийся в среде со звуковой скоростью С. При достижении объекта сигналом, часть его отражается и возвращается в приемник за время Т₁. Схема электронного устройства, предназначенная для обработки сигнала, определяет расстояние, вычисляя время Т₁ — Т.

Для определения расстояния может использоваться схема с одной или двумя головками датчика. В случае с двумя головками, одна из них излучает сигнал, а вторая принимает отраженный сигнал.

Ультразвуковые датчики с одной головкой

Эта схема обладает значительным недостатком, который заключается в том, что после выдачи сигнала необходимо время для успокоения мембраны для дальнейшей работы на прием отраженного сигнала. Этот период времени называют «мертвым» временем.

Мертвое время вынуждает ультразвуковые датчики работать в «слепой зоне». Другими словами, когда объект расположен очень близко, то отраженный сигнал возвращается в измерительную головку настолько быстро, что она еще не перестроилась на работу приема, вследствие чего объект не обнаруживается.

Рис 2

Продолжительность процессов перехода от излучателя до приемника зависит от различных факторов, которыми являются: особенности устройства датчика, материал изготовления, внутреннее затухание, общая колеблющаяся масса.

На рисунке 2 изображена схема функционирования датчика непосредственного обнаружения. С помощью импульса запуска схема возбуждения излучателя становится активной. Она формирует некоторый набор импульсов. Тем же импульсом запуска производится блокировка входа усилителя приемника. При отключении излучателя происходит разблокировка приемника.

Восстановление приемника происходит около 300 мкс. Это намного меньше времени успокоения излучателя. Вследствие этого параметры приемника не оказывают влияния на размер слепой зоны.

При нахождении объекта с необходимой способностью отражения в контролируемой зоне, отраженный сигнал возбуждает на мембране переменное напряжение высокой частоты, которое обрабатывается методами обнаружения сигналов аналогового типа: усиливается, ограничивается, приходит на компаратор.

Это напряжение превышает заданное значение порога обнаружения, что является сигналом того, что объект находится в контролируемой зоне. Схема электронного устройства фиксирует промежуток времени, который прошел с момента активации излучателя и создает на выходе электрический сигнал. Длина этого сигнала зависит от размера этого интервала времени, и передается на цифровой индикатор.

Схема управления после регистрации первого сигнала отражения задерживает создание следующего пускового импульса. При этом она ожидает вероятного прихода отраженного сигнала от наиболее удаленных объектов в контролируемой зоне.

Ультразвуковые датчики с двумя головками

Существенно сократить слепую зону можно путем использования двух разных головок датчика для приемника и излучателя. При этом необходимо создать наибольшую чувствительность схемы правильным выбором одинаковой частоты резонанса для приемника и излучателя.

Отслеживание порога

Размер слепой зоны является важным параметром ультразвукового датчика, который определяет его успех применяемости. Поэтому изготовители стараются снизить эту величину разными способами.

Для таких целей применяют метод отслеживания порога обнаружения. На малых расстояниях в течение процесса перехода сигнал успевает много раз пройти путь между объектом и сенсором. Точность обнаружения значительно уменьшается вследствие искажений, которые вносит сигнал с многократным отражением. Погрешность этого метода возрастает с приближением к объекту.

Это заставляет найти компромисс между точностью измерения, ложной тревоги и чувствительностью обнаружения. На рисунке 3 показан способ отслеживания порога обнаружения.

Рис 3

Он заключается в том, что напряжение порога детектора, которое подается на компаратор, создается напряжением, изменяемым во времени и копирующим форму «хвоста» набора импульсов, получаемых во время затухания колебаний мембраны.

Проблема заключается в том, что детектору неизвестно какой по счету из отраженных сигналов превзошел границу порога обнаружения. По рисунку видно, что второй из отраженных сигналов оказался зарегистрированным. Это привело к определению расстояния величиной, превышающей действительную величину в два раза. Такую ситуацию нельзя допускать, поэтому датчики подлежат настройке, во избежание попадания объектов в слепую зону.

Примерные свойства ультразвуковых датчиков в зависимости от расстояния приводятся в таблице

Использование способа отслеживания границы чувствительности дало возможность снизить слепую зону в два раза. Но для применения датчиков возле слепой зоны необходима тщательная проработка. Поэтому в свойствах датчика по расстоянию кроме интервала зондирования приведен интервал настройки.

Интервал зондирования – это интервал расстояния обнаружения, который определяется только возможностями датчика в виде направленности и мощности луча, а также свойствами объекта.

Интервал настройки – это интервал расстояний, в котором можно регулировать датчик по месту для его наилучшего применения в конкретном случае. При этом необходимо учитывать расположение объекта относительно датчика и его свойства.

Сфера применения

Ультразвуковые дальномеры часто используются при создании роботов, в проектах автоматизации технологических объектов, в промышленности. Но наиболее широкое применение они нашли в сфере строительства и ремонта, а также в производстве мебели. Современная ультразвуковая рулетка демонстрирует хорошую точность измерения и удобна в эксплуатации. Ее нередко используют в быту для подсчета расстояний до тех или иных объектов. Ряд моделей имеют корпус, защищенный от попадания пыли и влаги. Поэтому подобные приборы подходят для сложных условий эксплуатации.

Особенностями ультразвуковых датчиков являются возможность работы с отражающими и металлическими поверхностями, а также нормальное функционирование во влажной среде. Но они чувствительны к ветру и колебаниям температуры. Чем выше температура, тем быстрее распространяются звуковые волны. А воздушные потоки, например, от вентилятора, могут изменить путь звуковой волны. А это приведет к искажению результатов.

Поэтому в тех случаях, когда условия окружающей среды вносят серьезную погрешность в результаты измерений, лучше использовать лазерный дальномер. Он более дорогой, но имеет более высокие технические характеристики.

Стоит также принимать во внимание, что некоторые материалы имеют свойство поглощать звуковые волны. Это вносит определенную погрешность в результат измерений. Необходимо помнить и о том, что на пути к цели могут внезапно появиться различные препятствия, например, проезжающий мимо автомобиль. Соответственно, импульс вернется раньше, и прибор покажет неверное значение. Поэтому на улице следует весьма внимательно производить замеры.

Современные приборы на основе ультразвукового излучения имеют различные дополнительные функции, помимо измерения расстояния. Например, они могут вычислить площадь помещения, а также указать координаты углов. Для повышения точности и удобства работы с дальномером их нередко оснащают лазерной указкой.

Режимы работы ультразвукового датчика

УЗ-прибор может работать в различных режимах. Количество доступных режимов зависит от производителя и программного обеспечения, используемого для управления работой прибора. Но, как правило, у всех устройств они примерно одинаковы.

В режиме непрерывной работы, звуковые волны отправляются циклически, через равные промежутки времени. При обнаружении объекта датчик передает показания на микроконтроллер. В режиме генерации одного импульса, датчик посылает один импульс и делает считывание. Некоторые датчики могут одновременно обнаруживать несколько объектов при работе в этом режиме (при этом каждое считывание записывается в структуру данных).

Стандартно, УЗ-датчики работают в активном режиме — генерируют звук, а затем ждут его отражения. Датчик, работающий в пассивном режиме, не генерирует звук, он прослушивает импульсы, излучаемые другими УЗ-устройствами.

Устройство и технические характеристики

Эти приборы могут определять высоту, ширину и диаметр объектов, используя один или несколько датчиков. Элементы могут быть выбраны или отклонены в зависимости от их размеров или профилей.

Ультразвуковой датчик расстояния определяет пространство до объекта, измеряя время, затраченное звуком для его отражения. Частота звука находится в диапазоне ультразвука, что обеспечивает более точное направление звуковой волны. Это происходит благодаря тому, что звук, находящийся на более высокой частоте, рассеивается в окружающей среде.

В приборе находится две мембраны. Одна из них производит звук, а другая принимает отражённое эхо. В роли мембран в устройстве обычно выступают динамик и микрофон. Звуковой генератор создает короткие ультразвуковые импульсы и запускает таймер. Вторая мембрана регистрирует приход звукового импульса и останавливает таймер. Из полученному времени можно рассчитать путь, который преодолел звук. Расстояние до объекта составляет половину пути, пройденного звуковой волной.

Принцип работы ультразвукового датчика положения

Ультразвуковые датчики используются для вычисления временного промежутка, который может потребоваться звуку для движения от прибора к тому или иному объекту и назад к датчику (функционирование в диффузионном режиме), либо для проверки — был ли принят отправленный сигнал определенным отдельным приемником (для оппозиционного режима работы).

Ультразвуковой датчик положения

Датчик положения применяется с целью контроля наличия или местоположение разных механизмов, а также для того, чтобы осуществлять подсчет присутствующих объектов. Такой прибор может быть использован и в роли сигнализатора предельного уровня разного рода жидкости либо сыпучих веществ.

Встречаются три основных режима работы ультразвуковых датчиков: оппозитный режим, диффузионный режим, и рефлекторный режим.

Для оппозитного режима характерны два отдельных устройства, передатчик и приемник, которые монтируются друг напротив друга. Если ультразвуковой пучок прерывается объектом, выход активизируется. Такой режим подходит для работы в тяжелых условиях, когда важна устойчивость к интерференции. Ультразвуковой пучок только один раз проходит сигнальное расстояние. Такое решение отличается высокой стоимостью, поскольку требуется монтаж двух устройств – передатчика и приемника.

Выделяют несколько особенностей

1. Большой диапазон, ведь ультразвуковой пучок преодолевает сигнальное расстояние всего лишь один раз
2. Достаточно быстрое переключение
3. Не очень воспринимает интерференцию, что позволяет использовать его в довольно трудных условиях
4. Сравнительно высокая стоимость монтажных работ, потому что необходимо установить два датчика — передатчик и приемник

Диффузионный режим обеспечивается передатчиком и приемником, находящимися в одном корпусе. Стоимость такого монтажа значительно ниже, однако время срабатывания дольше, чем при оппозитном режиме.

Диапазон обнаружения здесь зависит от угла падения на объект и от свойств поверхности объекта, поскольку луч должен отражается от поверхности самого обнаруживаемого объекта.

Для рефлекторного режима излучатель и приемник также находятся в одном корпусе, однако ультразвуковой луч теперь отражается от рефлектора. Объекты в диапазоне обнаружения обнаруживаются как путем измерения изменений в расстоянии, которое проходит ультразвуковой луч, так и путем оценки потерь на поглощение или отражение в отраженном сигнале. Звукопоглощающие предметы, а также предметы с угловыми поверхностями легко обнаруживаются при таком режиме работы датчика. Важное условие – не должно изменяться положение опорного рефлектора.

Схемы передающей и приемной части нашей системы представлены на следующем рисунке.

На первый взгляд может показаться что не обязательно соединять все контакты ультразвуковых датчиков с платой Arduino потому что в каждой части мы будем использовать как бы половину датчика. Но давайте не будем спешить с выводами и посмотрим статью дальше.

Приборы уровня

Датчик уровня ультразвуковой — прибор многофункциональный. Он может измерять наполнение жидкостью резервуаров, служить расходомером.

Применение принципиальной схемы грамотной позволяет жидкость, находящуюся в емкостях, регулировать по двум значениям.

Один из датчиков служит для замера уровней регулировочных, другой – аварийных. Синхронизация приборов исключает не мешают работе друг друга.

С помощью современных датчиков уровня контролируют без прямого контакта количество жидкости в средах:

• агрессивных;
• загрязненных;
• коррозийных.

Это важно для таких областей, как:

• пищевая, фармацевтическая и химическая промышленность;
• водоочистка.

Основана работа уровнемера на распространении ультразвукового сигнала, посылаемого датчиком, ее приеме и расчете наполненности емкости.

Обзор ультразвукового измерителя расстояния Garin UDM-12

Каждый из нас неоднократно сталкивался с необходимостью измерения расстояния до различных объектов. Как правило, в качестве измерительного инструмента выступает линейка или рулетка. Такой тип средства измерения удобен при небольших количествах измерений. Но что делать когда нужно провести 10, 20, а то и больше замеров подряд? В таких случаях, довольно удобны в использовании, так называемые, бесконтактные средства измерения длины. В настоящее время существует несколько методов измерения: индуктивный, оптический и ультразвуковой. В данной статье хотелось бы поговорить о приборе, работа которого основана на ультразвуковом методе измерения — Garin UDM-12.

Технические характеристики

Упаковка и комплектация

Ультразвуковой измеритель расстояния Garin UDM-12 поставляется в небольшой упаковке оформленной в фирменном стиле торговой марки Garin.

Комплект поставки включает в себя дальномер, темляк и инструкцию по эксплуатации совмещённую с гарантийным талоном. Элемент питания к сожалению не положили.

С инструкцией по эксплуатации вы можете ознакомиться пройдя по ссылке.

Внешний вид

Устройство выполнено в пластиковом корпусе черного цвета. Его размеры составляют (ШхВхГ) 45х105х36 мм. На сопрягаемых сторонах корпуса выполнена широкая фаска, что в совокупности с размерами устройства, позволяет довольно комфортно держать его в руке.

На передней панели расположен ЖК дисплей, который может выводить значения как в метрах, так и в фунтах и дюймах.

Под дисплеем расположены кнопки управления с резиновыми накладками жёлтого цвета. Кнопки утоплены в корпус и не выступают за него. Под верхней резиновой накладкой расположены сразу две кнопки. Левая кнопка, позволяет менять единицы измерения. Пользователь может выбрать отображение измеренного расстояния в метрах или футах с дюймами. Нажатием правой кнопки включается лазер. Ниже расположена кнопка для проведения измерений.

Надписи на кнопках выполнены достаточно качественно, уверен, они долго не сотрутся даже при активной эксплуатации.

Внизу устройства, на одной из фасок, предусмотрена проушина для подвязки темляка которым комплектуется дальномер.

Обратная сторона прибора содержит наклейку с технической информацией и отсек для установки 9 В элемента питания типа “Крона”, он же 6F22 или 6LR61. Среднее время работы от такого элемента питания, по заявлению производителя, составляет около 11 часов постоянных замеров. При 3-4 ежедневных замерах одной батарейки хватит на 5 месяцев работы.

Поскольку типоразъём подключения такого элемента питания подразумевает достаточно высокое усилие расчленения, производитель позаботился и установил разъём с пластиковым корпусом, что является весьма грамотным решением, ведь при долгосрочной эксплуатации дальномера, разъёмы запаянные в ПВХ плёнку довольно часто рвутся и приходят в негодность даже при аккуратном обращении.

Взглянув на устройство сверху, можно увидеть рупор, у основания которого установлен ультразвуковой излучатель с приёмником. Для защиты от небольшого мусора и механических повреждений, перед излучателем расположена металлическая сетка.

Помимо излучателя, в рупоре есть отверстие для лазерного луча. Он предназначен для точного наведения прибора на объект, расстояние до которого необходимо измерить. В данном устройстве использован самый распространённый тип лазерных указок — красный лазерный диод с коллиматором. Мощность лазера составляет 1 мВт.

В работе

Принцип действия измерителя расстояния Garin UDM-12 основан на измерении времени между излучённым и принятым звуковым импульсом.

Ультразвуковой метод измерения расстояния является наиболее простым и дешёвым среди бесконтактных методов измерения. Стоимость рассматриваемого прибора начинается от 300 р., некоторые рулетки и то стоят дороже.

При весьма бюджетной стоимости, ультразвуковой дальномер обеспечивает весьма хорошую точность. При установке единиц измерения на метры, этот прибор обеспечивает точность измерения расстояния до сотых долей метра.

Поскольку измерение основано на ультразвуковом методе, погрешность в измерения могут вносить препятствия находящиеся на пути ультразвуковой волны.

Датчик рассматриваемого устройства работает в диффузионном режиме. Ввиду этого, устройство имеет слепую зону. В данном случае она составляет 0,9 м. Максимальное расстояние, которое прибор может измерить ограничивается 12 м.

Отсчёт расстояния проводится от пятки — стороны, противоположной излучателю прибора.

Тестирование прибора осуществлялось методом сравнения его показаний с результатами измерительной рулетки. Во всём своём рабочем диапазоне измерений Garin UDM-12 показал отличный результат. Максимальная разница составляла ± 2 см.

Заключение

Ультразвуковой измеритель расстояния Garin UDM-12 является одним из самых бюджетных приборов в своём классе, при этом обеспечивая отличные результаты измерения.

Главным минусом прибора, стоит назвать слепую зону почти в 1 м. Но к сожалению, это свойство всех ультразвуковых датчиков, чьи приёмник и излучатель находятся в одном корпусе.

Данный прибор, в первую очередь, будет полезен людям, работа которых связана с большим количеством измерений. Хотя, в быту он тоже будет довольно полезен, тем более, что цена совсем невысока.

Используемые в роботах ультразвуковые датчики применяются, как правило, для обнаружения препятствий. Они могут использоваться и в дальномерных системах (измеряющих расстояние между объектом и препятствием), а также для определения угла между излучателем и приемником. В данном разделе речь пойдет в основном о способах использования ультразвуковых датчиков для дальномерно-измерительных систем.

Принцип работы ультразвуковых дальномерных сенсоров

Ультразвуковые волны распространяются в воздухе подобно свету и радиоволнам, но со значительно более низкой скоростью; при этом, подобно радиоволнам, они имеют существенно меньшую направленность, чем свет. Принцип действия ультразвуковых дальномерных приборов основан на определении расстояния до цели путем измерения времени, затрачиваемого на его прохождение ультразвуковым сигналом, и пересчета его на расстояние при известной скорости распространения ультразвука в воздухе. При использовании ультразвуковых датчиков на роботе расстояние между излучателем и приемником сравнительно мало и акустическая волна, отраженная от цели, улавливается приемником в виде эхо-сигнала. Зная время распространения сигнала (до цели и обратно), нетрудно определить расстояние до цели. Скорость распространения ультразвука в воздухе приблизительно равна 344 м/с при 20°С (так же как и звука); следовательно, время T, необходимое для распространения сигнала до цели х (см) и обратно, составит

На рис. 5.56 иллюстрируется принцип определения расстояния ультразвуковым дальномером для автоматической фокусировки фототелевизионных камер фирмы Polaroud. Для излучателя и приемника использован один и тот же преобразователь- датчик. На рис. 5.56, б приведены временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип работы прибора. Пусковой сигнал ON определяет момент излучения ультразвукового сигнала. Излучается 56 импульсных сигналов на одной из четырех несущих частотах: 60, 57, 53, 50 кГц. Использование четырех несущих частот для работы прибора вызвано различной степенью отражения ультразвукового сигнала от объектов (различной формы и материала) и, как следствие, неустойчивым приемом отраженных эхо-сигналов. Отраженная от объекта волна (штриховые линии на рис. 5.56, а) вызывает вибрацию мембраны датчика-преобразователя, инициируя в нем слабый электрический ток, подобно тому как это происходит в микрофоне. После усиления аналоговой схемой и выделения огибающей принятого сигнала подсчитывается число импульсов таймера, накопленных за отрезок времени до прихода первого эхо-сигнала, и по ним определяется время.

Рис. 5.56. Структура и временное диаграммы работы дальномера камеры с автоматической фокусировкой (фирма Polaroid). а — структурная схема дальномера; б — временные диаграммы работы дальномера

На рис. 5.57, а приведена блок-схема ультразвукового дальномера при разнесенных излучателе и приемнике, а на рис. 5.57, а — соответствующие временные диаграммы. Нетрудно видеть, что в обоих случаях принцип работы один и тот же. Форма излучаемого сигнала зависит от характеристик излучателя. Серийно выпускаемые излучатели общего применения (рис. 5.57, б) характеризуются довольно затянутым передним фронтом этого сигнала. В результате пороговая схема дает существенные расхождения в определении момента прихода эхо-сигнала после его усиления и детектирования (выделения огибающей).

Рис. 5.57. Структурная схема ультразвукового дальномера (а) и соответствующие временное диаграммы (б)

Улучшение характеристик ультразвукового дальномерного датчика

Использование ультразвука в дальномерных приборах позволяет получить сравнительно высокую точность измерений, которая обычно соизмерима с длиной волны ультразвукового сигнала. Так, при частоте 40 кГц погрешность определения дальности до объекта составляет 8,6 мм. Скорость распространения ультразвуковых волн в воздушной среде зависит от температуры воздуха (на 0,6 м/с при изменении температуры на 1°С), поэтому даже колебания температуры воздуха становятся источником возникновения заметных ошибок измерений. Одной из причин ошибок измерений является неидеальность формы диаграммы направленности, которая обычно имеет боковые лепестки (рис. 5.58), что приводит к образованию побочных изображений одного объекта.

Рис. 5.58. Диаграмма направленности ультразвукового излучателя

Характеристики эхо-сигнала существенным образом зависят от формы поверхности объекта отражения. В случае когда отражающая ультразвуковой сигнал поверхность имеет идеально диффузионные характеристики, при любом угле падения луча на эту поверхность существует возможность принять эхо-сигнал. Однако обычно имеет место зеркальное отражение ультразвука от поверхности объекта, что усложняет определение расстояния до наклонных поверхностей и стен. Наиболее сильный прием эхо-сигнала наблюдается при отражении от выступающих участков поверхности объекта. Характеристики эхо-сигнала зависят также от свойств материала объекта: хорошо отражают сигнал твердые предметы, а от звукопоглощающих материалов, таких, как ткань или губка, эхо-сигнал практически не образуется.

В случае ультразвуковых дальномеров, работающих по рассмотренному выше принципу, важной проблемой является обеспечение требуемой точности измерений. Для определения положения объекта необходимо разворачивать излучатель и приемник ультразвуковых волн подобно тому, как это делается в радиолокаторах, при этом неидеальность диаграммы направленности излучателя и колебания скорости распространения ультразвуковых волн заметно снижают точность определения положения объекта.

Для разрешения этих проблем был предложен другой принцип работы ультразвукового дальномера, суть которого сводится к следующему. Приемники эхо-сигнала располагаются симметрично по обе стороны одиночного ультразвукового излучателя (рис. 5.59). Осреднение информации о местоположении объекта, получаемой от каждого приемника, позволяет повысить достоверность и точность определения положения объекта. При поступлении на приемник R_m отраженной от объекта волны, излученной передатчиком Т (расположенным в центре линейной антенной решетки), из разности временных интервалов можно определить r + r_m. Для двух произвольных приемников R_m, R_n этой решетки, где r — расстояние от Т до объекта, а Х, Y — координаты местоположения объекта, эти значения определяются из следующих выражений:

Здесь с — скорость звука, d — расстояние между датчиками и приемниками; t — время распространения сигнала до цели и обратно.

Рис. 5.59. Способ определения положения объекта с повышенной точностью с помощью линейной матрицы ультразвуковых приемников. Т — излучатель; R — приемник

Аналогичные вычисления могут быть проведены для любых двух приемников из имеющегося набора в решетке. Путем осреднения результатов таких вычислений для различных сочетаний m, n достигается значительное повышение надежности и точности измерения. Согласно одному из способов осреднения, в качестве весового коэффициента была выбрана интенсивность приема. По методу триангуляции точность измерения будет тем выше, чем больше расстояние между приемниками, поэтому предлагались также способы осреднения, в которых весовым коэффициентом было расстояние между приемниками. Предлагалось также повысить точность путем сочетания этих двух способов. Например, пусть I_m, I_n — уровни эхо-сигналов, принимаемых приемниками R_m, R_n и I_mn = I_m × I_n. Тогда для весового коэффициента по интенсивности приема Wi_mn = I_mn / ∑ I_mn, a для весового коэффициента по интервалу между приемниками Wd_mn = |m — n| / ∑ |m — n|, и получаем следующие оценки координат (X, Y) объекта с использованием коэффициентов р, q (p + q = I):

Результаты сравнения оценок, полученных по этим формулам, с результатами прямых измерений для соответствующих пар приемников приведены на рис. 5.60. В качестве объекта был выбран вертикально стоящий цилиндр из пеностирола диаметром 15 см и высотой 23 см. Как следует из рисунка, результаты измерений, полученные парами приемников; дают заметный разброс в замерах, в то время как осреднение позволяет получить значения, близкие к истинным, что означает существенное повышение точности.

Рис. 5.60. Результаты оценки точности определения положения объекта с использованием линейной матрицы ультразвуковых приемников. ● — измеренное положение объекта; X — оценочные значения местоположения объекта, полученные в результате осреднения данных измерения; + — реальное местоположение объекта