Измерение расстояния ультразвуком и ультразвуковые датчики

СОДЕРЖАНИЕ:

Использование ультразвукового датчика для измерения расстояния

Ультразвуковой датчик измеряет расстояние до целевых объектов по воздуху, используя бесконтактную технологию. Он отличается простотой в работе, надёжностью и экономичностью. Принцип работы этого прибора основан на технике, применяемой различными животными. Гаджет обеспечивает точные измерения во многих сложных средах и необычных материалах.

Особенности работы и история изобретения

Ультразвуковой датчик излучает короткие высокочастотные звуковые импульсы через равные промежутки времени. Они распространяются в воздухе со скоростью звука. Если импульсы сталкиваются с объектом, то отражаются обратно на датчик в виде сигналов эха. Прибор самостоятельно вычисляет расстояние до цели на основе временного интервала между испусканием сигнала и получением эха.

Поскольку расстояние до объекта определяется измерением времени полёта, а не интенсивностью звука, ультразвуковые датчики идеально подходят для подавления фоновых помех. Практически все предметы, отражающие звук, могут быть обнаружены независимо от их цвета. Прозрачные материалы или тонкая фольга тоже не являются проблемой для ультразвуковых волн, так как прибор способен видеть сквозь пылевые, воздушные и чернильные туманы. Даже тонкие отложения на сенсорной мембране не ухудшают его функции.

История изобретения ультразвукового датчика относится к 1790 году, когда Ладзаро Спалланцани впервые обнаружил, что летучие мыши маневрируют в полете, используя слух, а не зрение. Спалланцани провёл над летучими мышами ряд экспериментов, после чего пришёл к выводу, что они используют звук и уши для навигации в полной темноте. Он был пионером первоначального изучения эхолокации, хотя его исследование ограничивалось только наблюдением.

Позже учёные перешли к исследованиям сенсорных механизмов. В 1930-х годах исследователь Дональд Гриффин первым подтвердил, что летучие мыши перемещаются, используя звук для навигации, и открыл тайну их замечательной способности перемещаться в темноте. Как удалось выяснить, животные испускали ультразвуковые звуки и слышали отражённые звуковые волны, чтобы точно определить объекты в их траектории полёта. Гриффин назвал сенсорно-акустическую форму летучих мышей навигационной эхолокацией.

Эхолокация — это использование звуковых волн и эхосигналов для определения того, где и на каком расстоянии находятся объекты.

Способность обнаруживать и излучать ультразвуковые частоты, находящиеся выше человеческого диапазона слуха, является важным инструментом выживания не только у летучих мышей. Ночные и морские животные полагаются на чувствительные системы для навигации и поиска добычи, в то время как некоторые насекомые используют ультразвуковой слух для обнаружения хищников. Эта способность важна для многих животных.

Ультразвуковой принцип

Ультразвуковой сенсорный модуль состоит из передатчика и приёмника. Любой звук выше 20 килогерц (20 000 герц) считается ультразвуком. По этой причине все звуки выше диапазона человеческого слуха называются ультразвуковыми. Передатчик испускает ультразвуковые излучения 40 кГц, а приёмник предназначен только для приёма звуковых волн 40 кГц. Датчик приёмника, находящийся рядом с передатчиком, может улавливать отражённые звуковые волны, когда модуль сталкивается с любым препятствием впереди.

Всякий раз, когда перед ультразвуковым модулем возникают препятствия, он рассчитывает время, затрачиваемое на отправку сигналов и их приём, поскольку время и расстояние связаны со звуковыми волнами, проходящими через воздушную среду со скоростью 343,2 м/сек. После приёма сигнала на дисплее отображаются данные. Таким образом можно измерить широкий диапазон материалов, включая:

  • твёрдые или мягкие;
  • цветные или прозрачные;
  • плоские или изогнутые.

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.

Применение и преимущества

Датчики расстояния широко применяются в повседневной жизни. Автомобили оснащены датчиками парковки. Помимо измерения расстояний они могут просто зарегистрировать присутствие объекта в диапазоне измерений, например, в опасных зонах рабочих машин. Такие приборы используются в широком спектре отраслей промышленности, например:

  • в печати;
  • при конвертировании;
  • в робототехнике;
  • во время обработки материалов;
  • в транспортировке и т. д.

Датчики расстояния могут использоваться для контроля или указания положения предметов и материалов. Эти приборы настолько широко применяются, что они могут быть надёжно реализованы в приложениях для измерения зернистости материала, определения уровня воды и многого другого, так как ультразвук отражается почти от любых поверхностей. Исключение составляют только мягкие материалы, например, шерсть. Её поверхность поглощает ультразвуковую волну и не отражает звук.

Ультразвуковые измерители расстояния превосходят инфракрасные датчики, поскольку они не подвержены воздействию дыма и других факторов. Хоть эта система не полностью идеальна, она является хорошим, надёжным и экономичным решением для определения расстояния и препятствий.

Гаджеты соединяются со всеми распространёнными типами средств автоматизации и телеметрии. Приложения варьируются от простых аналоговых подключений до сложных сетей передачи данных с несколькими датчиками.

Измерение расстояния ультразвуком и ультразвуковые датчики

Введение

Цель данного проекта – изучить принципы определения расстояний с помощью дальномеров.

Задача работы – изучив теоретический материал, изготовить для проведения экспериментов приборы с использованием ультразвука. Данная тема не только интересна, но она имеет также практическое значение, которое состоит в том, что и автомобильная промышленность, и сами водители являются заинтересованными лицами в вопросах, связанных с применением, так называемых, парктроников. Тема актуальна, так как подобные устройства призваны способствовать безаварийности в действиях водителей. Для промышленности данные приборы будут повышать статус выпускаемого автомобиля тем, что понижают аварийность в процессе эксплуатации машины данного класса.

Объект исследования в данной работе – ультразвук.

Предмет исследования – свойства данных волн, позволяющие применить их в работе дальномеров.

Гипотеза – возможность самостоятельного изготовления дальномеров для проведения полноценных экспериментов.

Методы исследования – для осуществления поставленных задач был изучен соответствующий теоретический материал, который помог чётко сформулировать конкретные задачи и провести планирование работ по изготовлению дальномеров, необходимых для проведения экспериментов по определению расстояний.

Источники информации: учебники по физике, электронике, прикладной физике, а также материалы из Интернета.

Новизна работы – созданы авторские модели ультразвуковых дальномеров для изучения принципов локации. Эти модели можно использовать в школьном эксперименте при изучении соответствующих тем, а также в системе дополнительного образования.

2. Теоретическая часть.

2.1. Свойства волн

Отражение— частичное или полное возвращение волн, достигающих границы раздела двух сред.

Преломление (иначе рефракция) — изменение направления распространения волн, происходящее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или же в толще среды, внутри которой характеризующие её параметры изменяются. Например, плотность воздуха меняется, если он прогревается от горячего асфальта. Ход лучей искривляется и мы видим мираж – вдали «воду» на асфальте, тогда как это изображение неба.

Интерференция волн — взаимное усиление или ослабление амплитуды когерентных волн. Когерентные волны – частота колебаний одинакова и разность фаз не изменяется.

Дифракция — огибание волнами препятствий. Размер препятствия и длина волны сопоставимы. Явление дифракции зачастую трактуют как частный случай интерференции [1, 2].

2.2. Принцип действия радаров

Как известно принцип действия радаров – эхолокация. При этом расчёт расстояния R до объёкта производится по формуле:

где v –скорость распространения сигнала, а t – время, через которое сигнал вернулся.

В зависимости от применяемых волн выделяют звуколокацию (ультразвуковую), радиолокацию и оптическую локацию [1].

Принцип действия локаторов имеют свои особенности. Их работа происходит в импульсном режиме. Вначале должен быть испущен достаточно мощный импульс. Мощный, так как иначе он быстро рассеется в пространстве, так и не успев дойти до какого-нибудь препятствия. Затем наступает пауза – время, в течение которого ожидается ответ.

Глубина разведки связана именно с этими параметрами: мощностью импульсов и паузами между ними. Если отражённый импульс придёт позднее, то его заглушал бы новый импульс передатчика. Тем более, что отражённые сигналы приходят достаточно слабыми, ведь им приходится преодолевать какие-то расстояния, испытывая рассеяние в среде. Импульсная работа локатора позволяет развести во времени мощный сигнал передатчика (генерирование колебаний в виде кратковременных импульсов) и слабый отражённый сигнал, принимаемый приёмным устройством [3, 4].

2.3. Ультразвук и его свойства

Ультразвук – звуковые волны, имеющие частоту выше воспринимаемым нашим ухом (20 000 Гц). УЗ применяется очень широко. Так, по скорости распространения звука в среде судят о её физических характеристиках. Измерения скорости на УЗ- частотах позволяет с малыми погрешностями определять тепловые характеристики быстропротекающих процессов, упругие свойства и т.д. [5, 6].

Высокочастотные колебания обычно создают с помощью пьезокерамических преобразователей.

В природе УЗ встречается как компонент естественных шумов (ветер, дождь). УЗ используют животные.

При прохождении УЗ через материалы с различными акустическим сопротивлением и скоростью распространения волн проявляются отражение, преломление, рассеяние и поглощение.

Интенсивность отраженного УЗ и прошедшего границу сред зависит от исходной интенсивности и разности акустических сопротивлений сред. Когда длина волны много больше размеров неровностей отражающей поверхности, имеет место зеркальное отражение. Если длина волны сопоставима с неровностями или имеется неоднородность самой среды, происходит рассеивание УЗ [7].

3. Эксперименты по наблюдению свойств ультразвука

1) Комплект для демонстрации свойств УЗ (рис. 1, 2, 3) состоит из блока питания (12 В), генератора УЗ-колебаний (27 кГц), излучателя, кюветы (эмульсия: масло в воде).

2) Волновая ванна (рис. 4 а, б): за счёт отражения и интерференции волн, возникает кавитация [8]. Она очищает грязь.

4. Авторская модель установки по определению расстояний.

4. 1. Используемые приборы и физические принципы их действия

Полупроводниковый диод – электронный элемент, проводимость которого зависит от направления тока. Это обусловлено р- n – переходом с односторонней проводимостью. Условное обозначение, внешний вид – рис.5.

Светодиод – диод, создающий излучение (при рекомбинации электронов и дырок – рис. 6 а), если ток идёт в прямом направлении. Рис. 6 б — в –внешний вид и условные обозначения [9,10].

Биполярный транзистор – радиоэлектронный компонент, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Используется для усиления, преобразования и генерирования сигнала. Может быть электронным ключом [11]. Принцип действия транзистора — одна цепь управляет другой [12].

Пьезоэлектрики – кристаллы, обладающие свойством продуцировать электрический заряд при их сжатии. Существует обратный пьезоэффект. Под действием электрического напряжения пьезоэлектрик деформируется (сжимается, расширяется, скручивается, сгибается). Исполнительные устройства преобразуют электрическую энергию в механическую [13]. В данной работе механические колебания дают ультразвук. То есть мы рассмотрели основной элемент ультразвукового генератора. Если к пьезоэлементу приложить переменный ток соответствующей частоты, то элемент будет сжиматься и расширяться, генерируя ультразвук. В работе нужен для локации и приёмник отражённого сигнала. Тогда пьезоэлемент используется как датчик. Пришедший звук вызовет деформации кристалла и, следовательно, механические колебания преобразуются датчиком в электрические. Рис. 7 а — в.

Жидкокристаллический дисплей. Здесь используются жидкие кристаллы, которые по структуре являются вязкими жидкостями (следовательно, текут). Но при этом у них есть свойство кристаллов – анизотропия (не одинаковость свойств по разным направлениям). Это обусловлено тем, что молекулы жидких кристаллов имеют вытянутую или дискообразную форму, и они расположены упорядоченным образом. Под воздействием электрических полей ориентация молекул меняется и это влияет на изображение на экране (рис. 8 а, б), [14].

Микроконтроллер и микропроцессор. Микроконтроллер – микросхема, предназначенная для того, чтобы управлять электронными устройствами (рис. 9). Он сочетает на одном кристалле функции и процессора, и периферийных устройств (это аппаратура, с помощью которой вводится в компьютер информация или выводится). Там также есть ОЗУ (оперативное запоминающее устройство) и ПЗУ (постоянное запоминающее устройство для хранения массива неизменяющихся данных). Микропроцессор — главная часть — интегральная схема, исполняющая машинные инструкции, то есть код программ. Можно сказать, микроконтроллер – это однокристальный компьютер для выполнения относительно простых задач [15]. Его программирование осуществляется на разных языках программирования. В данном случае используются известные компиляторы бейсика для МК. В частности Bascom (архитектуры AVR) Компилировать – проводить трансляцию машинной программы с любого языка программирования на машинно-ориентированный язык, то есть компиляция – трансляция программы, составленной на исходном языке высокого уровня, в эквивалентную программу на низкоуровневом языке, который близок к машинному коду [16].

4. 2. Ультразвуковой дальномер

В работе для изготовления дальномера был использован модуль с двумя пьезоэлементами. Один служит излучателем ультразвука, а другой – приёмником ультразвуковой волны. Кроме того использовался микроконтроллер (однокристальный компьютер) в качестве управляющей электроники. Для питания используется аккумулятор на 5 В, который заряжается от компьютера, а затем через разъём подсоединяется к дальномеру. На изделии нужны разъёмы для подключения к компьютеру для установки программы.

Работа осуществляется следующим образом:

первый импульс длительностью 10-15 мкс;

затем до приёмника доходит отражённая волна.

Модуль сам рассчитывает расстояние и выдаёт на ногу Echo импульс длиной до 25 мс. Рис. 21.

Программа в «Приложении»

На дисплей выводится число, показывающее расстояние до препятствия в сантиметрах. Так как производителями не были предусмотрены буквы кириллицы, поэтому в программе заданы необходимые буквы для записей на дисплее: «Дальномер» и «МБОУ СОШ».

Приборы собирали по схеме – рис. 10.

Фотографии окончательной версии модели дальномера — рис. 11 -15.

4.3. Эксперименты с изготовленным дальномером

На рис. 16 — 17 представлены эксперименты с окончательной версией модели дальномера. В таблицу внесены результаты определения расстояний с помощью ультразвукового дальномера, проведённые для разных поверхностей. Отражение было рассмотрено для лучей перпендикулярных поверхности и направленных под углом к ней. Таблицы 1 и 2.

5. Заключение

Таким образом, результатом данного проекта стало создание двух видов дальномеров, в основе действия которых лежит общий принцип – локация, но осуществляется это с помощью волн совершенно различных по своей природе. При этом автором на базе теоретических сведений из физики был рассмотрен вполне достаточный круг вопросов электроники, которая необходима для создания задуманных приборов. Материал данной работы может быть использован в учебной деятельности с учениками, проявляющими повышенный интерес к физике и технике, так как электроника – это очень современный и актуальный элемент в развитии цивилизации.

6.Литература

1.Мякишев Г.Я.,Буховцев Б.Б.,Чаругин В.М. Физика-11. – М.: Просвещение, 2010. – 399 с.

2. Резников Л.И. Преподавание физики в средних профессионально-технических училищах. – М.: Высшая школа, 1977. – 207 с.

4. ru.wikipedia.org/. / Основное уравнение радиолокации.

5. Пёрышкин А.В., Гутник Е. М. Физика – 9. – М.: Дрофа, 2014. – 300 с.

7. ultrasound.net.ua/. /fizika-ultrazvuka

12. Резников З. М. Прикладная физика.- М.: Просвещение, 1989. -239с.

13. ru.wikipedia.org/wiki/Пьезоэлектрический эффект

14. ru.wikipedia.org/wiki/Жидкие_ кристаллы

7. ПРИЛОЖЕНИЯ «Наглядный материал»

Рис. 1-3. Комплект для демонстрации свойств ультразвука

Рис. 4. Волновая ванна. Очистка изделия.1-я кнопка: 30 Вт, 2-я -50 Вт и время в секундах, 3-я -пуск

Рис. 5. Диоды Рис. 6. а) рекомбинация электронов и дырок

(излучение энергии); б) светодиоды

Рис. 7. а) прямой; б) обратный пьезоэлектрический эффект; в) пьезоизлучатель; г) условное обозначение

Рис. 8 а) жидкие кристаллы; б) жидкокристаллический монитор

Рис. 9. Микроконтроллер

ПРОГРАММА

$regfile = «attiny2313.dat»$crystal = 8000000 конфигурация подключения дисплея к портам МКConfigLcd = 16 * 2Config Lcdpin = Pin , Db4 = Porta.0 , Db5 = Porta.1 , Db6 = Portd.1 , Db7 = Portd.0 , E = Portd.2 , Rs = Portd.3 ‘ конфигурируем дисплейConfig Portd.4 = Output ‘выход для подключения ноги TriggerConfig Portd.5 = Input ‘вход для импульса EchoDim A AsWord ‘сюда копируется значение длины сигналаDimSAsSingle ‘переменная для хранения расстоянияConst K = 0.1725 ‘коэффициент для перевода длины импульса в расстояниеDeflcdchar 0 , 7 , 9 , 9 , 9 , 9 , 9 , 25 , 32 ‘ буква ЛDeflcdchar 1 , 16 , 16 , 16 , 30 , 17 , 17 , 30 , 32 ‘ буква ьDeflcdchar 2 , 6 , 10 , 10 , 10 , 10 , 31 , 17 , 32 ‘ буква ДDeflcdchar 3 , 31 , 16 , 16 , 30 , 17 , 17 , 30 , 32 ‘ буква БDeflcdchar 4 , 21 , 21 , 21 , 21 , 21 , 21 , 31 , 32 ‘ буква ШDeflcdchar 5 , 17 , 17 , 17 , 15 , 1 , 17 , 14 , 32 ‘ буква УCursorOffClsHomeLcdChr(2) ; «A» ; Chr(0) ; Chr(1) ; «HOMEP»Locate 2 , 1Lcd «M» ; Chr(3) ; «O» ; Chr(5) ; » CO» ; Chr(4) ; » 26″Wait 3DoSet Portd.4 ‘даем импульс на ногу Portd.4 длительностью 15 мксWaitus 15Reset Portd.4Waitus 10Pulsein A , Pind , 5 , 1 ‘ловим импульс высокого уровня на PinD.5S = A * K ‘переводим значенияHomeLcdFusing(s , «###.#») ; » cm » ‘выводим данные на LCD, расстояние в смWaitms 200LoopEnd

3,6 k

Рис. 10. Электрическая схема ультразвукового дальномера

Рис. 11. Дальномер ультразвуковой а) общий вид, б) в разборе

Рис. 12 а).Зарядка блока питания от компьютера, б) кабель для зарядки

Рис. 13. Ультразвуковой датчик НС-SRO4

Рис. 14. Жидкокристаллический экран

Рис. 15. Плата с микроконтроллером Рис. 16. Работа дальномера

Рис. 17 а — в. Эксперименты.Проверка точности прибора. Видна подсветка экрана

Таблица 1. Проверка точности измерений для различных поверхностей (s=20 см)

Arduino и датчик ультразвука. Определение расстояния до объекта.

Всем привет, сегодня я вам покажу как работает ультразвуковой датчик в схеме подключения с Arduino.

Смотрите видео: Arduino и датчик ультразвука. Определение расстояния до объекта.

Вот примерная схема подключения, с помощью датчика можно измерять расстояние, используем LCD дисплей, переменное сопротивление для регулировки яркости дисплея.

Ультразвуковой датчик имеет четыре контакта: плюс, минус, trigger и echo . Подключение у нас происходит так Ground у нас подключается, как вы видите, по этим контактам, также используем 5 Вольт, и 3,3 Вольта.

Второй разъём на плате подключается к trigger , третий разъем к echo . Пины 7, 8, 9, 10, 11, 12 для подключения дисплея. Так выглядит принципиальная схема, сопротивление, ультразвуковой датчик и lcd-дисплей.

Давайте напишем скетч и протестируем датчик. Как всегда, очищаем лишнее из кода, подключаем библиотеку liquidcrystal для работы с дисплеем, также для того чтобы работать с ультразвуком, нужно будет подключить библиотека Newping .

Для ее подключения есть два варианта: Скетч – Подключить библиотеку, она идет вместе со средой разработки Arduino, либо скачать из интернета и подключить ZIP библиотеку, указав путь к ней.

Объявим константы которые мы будем использовать для подключения дисплея, также объявим несколько констант: TRIGGER_PIN разъем 2 на плате, ECHO_PIN разъём 3 и укажем максимальную дистанцию MAX_DISTANCE 400 сантиметров.

Также объявим ещё один массив sonar , который нужен для работы с библиотекой NewPing .

В setup, по желанию, запустим для мониторинга последовательный порт, и подключим LCD Display.

В цикле loop сделаем задержку 100 миллисекунд, объявляем переменную для sonar , которая будет получать данные с датчика, выведем надпись в последовательный порт Ping .

Разделим наше значение на константу, округление сантиметров для вывода, и выведим единицу измерения в сантиметрах. На первой строке поставим курсор, выведем текст «дистанция», переместим курсор на вторую строчку, выведем 13 пробелов в кавычках, курсор на 9 символ, и произведем тоже самое вычисление, что и раньше, здесь разделим наше значение на некую константу и установим курсор в 12 позицию и выведем значение в сантиметрах.

Вот так примерно у нас это всё будет выглядеть целиком и полностью. Сохраним наш скетч, проверим на ошибки, главное, что у нас подключилась библиотека.

Полный текст скетча

Компиляция скетча прошла, загрузим скетч в Arduino и теперь если я буду приближаться, или удаляться от датчика, то соответственно будут меняться показатели на дисплее, расстояние в сантиметрах.

Иногда значение падает до нуля, ультразвук отражается от предметов перед собой, если я поднесу руку к нему, расстояние определяется достаточно точно.

Схему с ультразвуковым датчиком можно использовать в простейшей сигнализации, управлять включением света, или сигнала тревоги при приближении на определенное расстояние и многое другое.

Измерение расстояния ультразвуком и ультразвуковые датчики

Каталог промышленных ультразвуковых датчиков расстояния — ультразвуковых дальномеров с аналоговыми 4-20 мА, 0-10 В и дискретными PNP/NPN выходами на различные диапазоны измерения от известных европейских производителей Balluff, IFM Electronic, Pepperl+Fuchs, EGE-Elektronik и американского Banner.

Корпус: M18x1. Диапазон измерения: 70. 1000 мм. Выходной сигнал: 0. 10 В. Разрешение: 0,35 мм. Габариты стандартной мишени: 100х100 мм. Настройка: вход обучения или с помощью адаптера UB-PROG2. Температурный диапазон эксплуатации: -25. +70 °C. Питание: 15. 30 V DC. Подключение: разъем M12 5 pin.

Каждый электрик должен знать:  Как расшифровываются буквенные и цифровые обозначения асинхронных электродвигателей серии 4А

Корпус: M18x1. Диапазон измерения: 70. 1000 мм. Выходной сигнал: 4. 20 мА. Разрешение: 0,35 мм. Габариты стандартной мишени: 100х100 мм. Настройка: вход обучения или с помощью адаптера UB-PROG2. Температурный диапазон эксплуатации: -25. +70 °C. Питание: 15. 30 V DC. Подключение: разъем M12 5 pin.

Корпус: M12x1. Диапазон измерения: 15. 120 мм. Выходной сигнал: 0. 10 В. Разрешение: 0,17 мм. Габариты стандартной мишени: 10х10 мм. Настройка: вход обучения или с помощью адаптера UB-PROG2. Температурный диапазон эксплуатации: -25. +70 °C. Питание: 15. 30 V DC. Подключение: разъем M12 4 pin.

Корпус: M12x1. Диапазон измерения: 15. 120 мм. Выходной сигнал: 4. 20 мА. Разрешение: 0,17 мм. Габариты стандартной мишени: 10х10 мм. Настройка: вход обучения или с помощью адаптера UB-PROG2. Температурный диапазон эксплуатации: -25. +70 °C. Питание: 15. 30 V DC. Подключение: разъем M12 4 pin.

Корпус: M12x1. Диапазон измерения: 15. 200 мм. Выходной сигнал: 0. 10 В. Разрешение: 0,17 мм. Габариты стандартной мишени: 100х100 мм. Настройка: вход обучения или с помощью адаптера UB-PROG2. Температурный диапазон эксплуатации: -25. +70 °C. Питание: 15. 30 V DC. Подключение: разъем M12 4 pin.

Корпус: M12x1. Диапазон измерения: 15. 200 мм. Выходной сигнал: 4. 20 мА. Разрешение: 0,17 мм. Габариты стандартной мишени: 100х100 мм. Настройка: вход обучения или с помощью адаптера UB-PROG2. Температурный диапазон эксплуатации: -25. +70 °C. Питание: 15. 30 V DC. Подключение: разъем M12 4 pin.

Определение расстояния с помощью ультразвукового датчика на основе интеллектуальной платформы Текст научной статьи по специальности « Математика»

Аннотация научной статьи по математике, автор научной работы — Давыдов Аркадий Валентинович, Максимова Марина Валерьевна, Михайлова Ольга Валентиновна, Семенов Борис Иванович

Аннотация Введение: определенной проблемой при эксплуатации оборудования и транспортных средств является объективный контроль поставарийного состояния объекта и восстановление событийной картины. Материалы и методы: рассматриваются различные методы объективного контроля оборудования на основе распределенной интеллектуальной платформы для элементов автоматики, а также используется методика оценки ситуационного восстановления событий. Для выполнения поиска был использован метод минимакса, при котором наибольшее из значений членства входных функций отображается в соответствующей выходной функции, а также применены методы определения лингвистических переменных и правил. Результаты: представлены результаты разработки интеллектуальной платформы для элементов автоматики с использованием датчиков реального времени , основанных на микроконтроллере обработки нечетких множеств . Обсуждение: проведен анализ возможности реализации интеллектуального ультразвукового датчика расстояния на основе нечеткой логики , выдвинуты требования к проекту. Рассмотрена конструкция ультразвукового датчика UB500-18GM75. Разработана структурная и принципиальная схемы. Составлена схема определения нечеткого множества для датчика расстояния, таблица нечетких правил и правила фаззификации для системы. На основании этого была построена блок-схема алгоритма работы интеллектуального датчика на микроконтроллере нечеткой логики . В микроконтроллере HCS12 упрощен процесс дефаззификации, который позволяет для каждой выходной функции с нечеткой логикой сопоставить одно значение. Заключение: разработана структурная и принципиальная схемы интеллектуального датчика , описан механизм работы датчика с накопителем на SD-карте . Выбран и описан микроконтроллер нечеткой логики MC9S12DP256B фирмы Motorola для проектируемого интеллектуального датчика , рассмотрены особенности разработки алгоритма управляющей программы для контроллера нечеткой логики . Составлена схема определения нечеткого множества для датчика расстояния, таблица нечетких правил и правила фаззификации для системы. Были проведены расчеты, необходимые для оценки режима работы датчика. Найдены объемы буфера для работы флэш-карты и микроконтроллера , произведен расчет потребляемого тока, мощности, среднеквадратичного напряжения и чувствительности.

Похожие темы научных работ по математике , автор научной работы — Давыдов Аркадий Валентинович, Максимова Марина Валерьевна, Михайлова Ольга Валентиновна, Семенов Борис Иванович

DETERMINATION OF DISTANCE BY ULTRASONIC SENSOR ON THE BASIS OF INTELLIGENT PLATFORM

Introduction: A certain problem in the operation of equipment and vehicles is the objective control of the post-critical state of the object and the restoration of the event picture. Materials and methods: Various methods of equipment objective control based on a distributed intelligent platform for automation elements are cons >intelligent platform for elements using real-time sensors and microcontroller-based processing of fuzzy sets are presented. For performance of the search the minimax method was used in which the greatest of the input functions is displayed in the corresponding output function, as well as methods for determining linguistic variables and rules are applied. Discussion: The analysis of a possibility of realization of the intelligent ultrasonic distance sensor based on fuzzy logic is carried out; the requirements to the project are made. The design of the ultrasonic UB500-18GM75 sensor is cons >fuzzy set for a distance sensor, a table of fuzzy rules, and fuzzification rules for a system. Based on this, a flowchart of an intelligent sensor on a fuzzy microcontroller was built. In HCS12 microcontroller the defuzzification process is simplified which allows matching one value for each output function with fuzzy logic . Conclusion: The structural and schematic diagrams of the intelligent sensor have been developed; the mechanism of the sensor operation with the drive on the SD card has been described. Motorola MC9S12DP256B microcontroller for the projected intelligent sensor was selected and described, the features of the development of control program algorithm for a fuzzy logic controller were cons >fuzzy set for a distance sensor, the table of fuzzy rules, and fuzzification rules for a system. Calculations were carried out that are necessary for evaluating the operation mode of the sensor. Buffer volumes for flash card and microcontroller operation are found; current consumption, power, voltage and sensitivity are calculated.

Текст научной работы на тему «Определение расстояния с помощью ультразвукового датчика на основе интеллектуальной платформы»

05.13.00 ИНФОРМАТИКА, ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И УПРАВЛЕНИЕ

05.13.00 УДК 681.32

ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАССТОЯНИЯ С ПОМОЩЬЮ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА НА ОСНОВЕ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ ПЛАТФОРМЫ

Аркадий Валентинович Давыдов, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Конструкция и проектирование двигателей» ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», Москва (Россия)

Марина Валерьевна Максимова, кандидат педагогических наук, доцент кафедры «Гуманитарные и естественнонаучные дисциплины» Волжский филиал ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», Чебоксары (Россия) Ольга Валентиновна Михайлова, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» ГБОУ ВО «Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», Княгинино (Россия)

Борис Иванович Семенов, старший преподаватель кафедры «Гуманитарные и естественнонаучные дисциплины» Волжский филиал ФГБОУ ВО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», Чебоксары (Россия)

Введение: определенной проблемой при эксплуатации оборудования и транспортных средств является объективный контроль поставарийного состояния объекта и восстановление событийной картины. Материалы и методы: рассматриваются различные методы объективного контроля оборудования на основе распределенной интеллектуальной платформы для элементов автоматики, а также используется методика оценки ситуационного восстановления событий. Для выполнения поиска был использован метод минимакса, при котором наибольшее из значений членства входных функций отображается в соответствующей выходной функции, а также применены методы определения лингвистических переменных и правил. Результаты: представлены результаты разработки интеллектуальной платформы для элементов автоматики с использованием датчиков реального времени, основанных на микроконтроллере обработки нечетких множеств.

Обсуждение: проведен анализ возможности реализации интеллектуального ультразвукового датчика расстояния на основе нечеткой логики, выдвинуты требования к проекту. Рассмотрена конструкция ультразвукового датчика UB500-18GM75. Разработана структурная и принципиальная схемы. Составлена схема определения нечеткого множества для датчика расстояния, таблица нечетких правил и правила фаззификации для системы. На основании этого была построена блок-схема алгоритма работы интеллектуального датчика на микроконтроллере нечеткой логики. В микроконтроллере HCS12 упрощен процесс дефаззификации, который позволяет для каждой выходной функции с нечеткой логикой сопоставить одно значение.

Заключение: разработана структурная и принципиальная схемы интеллектуального датчика, описан механизм работы датчика с накопителем на SD-карте. Выбран и описан микроконтроллер нечеткой логики MC9S12DP256B фирмы Motorola для проектируемого интеллектуального датчика, рассмотрены особенности разработки алгоритма управляющей программы для контроллера нечеткой логики. Составлена схема определения нечеткого множества для датчика расстояния, таблица нечетких правил и правила фаззификации для системы. Были проведены расчеты, необходимые для оценки режима работы датчика. Найдены объемы буфера для работы флэш-карты и микроконтроллера, произведен расчет потребляемого тока, мощности, среднеквадратичного напряжения и чувствительности.

Ключевые слова: датчик реального времени, интеллектуальный датчик, интеллектуальная платформа, конфигурирование, лингвистическая переменная, микроконтроллер, нечеткая логика, нечеткое множество, точность измерений, ультразвуковой датчик, фаззификация, функция принадлежности, SD-карта.

Для цитирования: Давыдов А. В., Максимова М. В., Михайлова О. В., Семенов Б. И. Определение расстояния с помощью ультразвукового датчика на основе интеллектуальной платформы // Вестник НГИЭИ. 2020. № 12 (91). С. 5-15.

DETERMINATION OF DISTANCE BY ULTRASONIC SENSOR ON THE BASIS

OF INTELLIGENT PLATFORM

Arkady Valentinovich Davydov, Ph. D. (Engineering), assistant professor of the chair «Engine design and engineering» FSBEIHE «Moscow Aviation Institute (National Research University)», Moscow (Russia) Marina Valerevna Maksimova, Ph. D. (Pedagogy), associate professor of the chair «Humanities and Natural Sciences» Volzhsky branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow Automobile and Road Construction Technical University (MADI)», Cheboksary, (Russia) Olga Valentinovna Mikhailova, Dr. Sci. (Engineering), associate professor, professor of the chair «Infocommunication Technologies and Communication Systems» State budgetary educational institution of higher professional education «Nizhny Novgorod state engineering-economic university», Knyaginino, (Russia) Boris Ivanovich Semenov, assistant professor of the chair «Humanities and Natural Sciences» Volzhsky branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow Automobile and Road Construction Technical University (MADI)», Cheboksary (Russia)

Introduction: A certain problem in the operation of equipment and vehicles is the objective control of the post-critical state of the object and the restoration of the event picture.

Materials and methods: Various methods of equipment objective control based on a distributed intelligent platform for automation elements are considered, and also the technique of assessment of situational event recovery is used. Results. The results of the development of an intelligent platform for elements using real-time sensors and microcontroller-based processing of fuzzy sets are presented. For performance of the search the minimax method was used in which the greatest of the input functions is displayed in the corresponding output function, as well as methods for determining linguistic variables and rules are applied.

Discussion: The analysis of a possibility of realization of the intelligent ultrasonic distance sensor based on fuzzy logic is carried out; the requirements to the project are made. The design of the ultrasonic UB500-18GM75 sensor is considered. The structural and basic schemes are developed. A scheme has been drawn up for determining a fuzzy set for a distance sensor, a table of fuzzy rules, and fuzzification rules for a system. Based on this, a flowchart of an intelligent sensor on a fuzzy microcontroller was built. In HCS12 microcontroller the defuzzification process is simplified which allows matching one value for each output function with fuzzy logic.

Conclusion: The structural and schematic diagrams of the intelligent sensor have been developed; the mechanism of the sensor operation with the drive on the SD card has been described. Motorola MC9S12DP256B microcontroller for the projected intelligent sensor was selected and described, the features of the development of control program algorithm for a fuzzy logic controller were considered. A scheme has been drawn up for determining a fuzzy set for a distance sensor, the table of fuzzy rules, and fuzzification rules for a system. Calculations were carried out that are necessary for evaluating the operation mode of the sensor. Buffer volumes for flash card and microcontroller operation are found; current consumption, power, voltage and sensitivity are calculated.

Key words: real-time sensor, intelligent sensor, intelligent platform, configuration, linguistic variable, microcontroller, fuzzy logic, fuzzy set, measurement accuracy, ultrasonic sensor, fuzzification, function of accessory, SD card.

For citation: Davydov A. V., Maksimova M. V., Valentinovna M. O., Semenov B. I. Determination of distance by ultrasonic sensor on the basis of intelligent platform // Bulletin NGIEI. 2020. № 12 (91). P. 5-15.

Измерительные приборы являются важнейшими компонентами систем управления технологическими объектами и производством. Из простейших

средств определения текущих параметров измеряемых величин, постепенно превращаются в многофункциональные средства автоматизации, которые решают еще и целый ряд задач по диагностике, пре-

образованию измерительной информации, выполнению простых алгоритмов управления и т. д. [1].

Многофункциональность измерительных приборов появилась впоследствии оснащения их встроенным микроконтроллером, это стало допустимо благодаря развитию микроэлектронных технологий, а именно — увеличению быстродействия, повышению энергоэффективности.

Актуальным является тот факт, что автономность одного датчика при определенных условиях позволяет регистрацию внешних параметров даже в режиме разрушения системы. То есть в момент разрушения системы и при наличии соответствующих источников питания датчик становится определенным резервным регистрирующим устройством.

В качестве датчика измерений расстояний в промышленных условиях применяются ультразвуковые измерительные приборы различного типа, принцип действия которых основан на измерении отраженного излучения импульсов ультразвука от объекта измерения. Одним из простых примеров таких устройств являются пьезорезистивные преобразователи, выступающие в роли излучателя и приемника [2; 3].

Основной принцип действия определения расстояния включает следующие шаги:

1) излучение импульса преобразователем на частоте ультразвука;

2) получение датчиком отраженного импульса от объекта;

3) определение разности времени между моментом излучения импульса и моментом получения отраженного импульса, деленное на два (двойное прохождение импульса).

Контроль процесса измерения и настройка параметров измерительного оборудования производится микроконтроллером, который обеспечивает высокую линейность измерений.

Противоречием при регистрации и обработке является темп измерений, поэтому оптимальную частоту таймера выбирают исходя из критерий помехоустойчивости и затухания ультразвуковых колебаний в воздухе. Теоретически обоснованная оптимальная чистота составляет 40 кГц.

Структурная схема ультразвукового измерительного устройства на базе UB500-18GM75 представлена на рисунке 1 [3; 4].

Рис. 1. Типовая блок-схема ультразвукового датчика с совмещёнными излучателем и приёмником Fig. 1. Typical flowchart of the ultrasonic sensor with the combined emitter and receiver

Отраженный эхо-сигнал вычисляется с интервалом измерений точностью не менее 1 мкс (или 1,085 мкс для датчиков, управляемых микроконтроллером по типовым интерфейсам), что сопоставимо с физической разрешающей способностью по дальности 0,172 мм или 0,186 мм. Датчики данной серии имеют в своем составе 12-разрядный ЦАП, максимально разрешающая способность которого сохраняется, если диапазон измерения (расстояние между ближней (А1) и дальней (А2) границей) не превышает 4096×0,172 = 705 мм (или 4096×0,186 = 762 мм).

Для определения абсолютной точности измерений ультразвукового измерительного прибора должны быть приняты во внимание внешние факторы:

— температура окружающей среды;

— входное атмосферное давление;

— относительная влажность среды;

— турбулентность воздушной или иной среды;

— градиент температуры окружающей среды или воздуха в динамике.

Общий показатель ошибки соответствия не должен превышать 2 % при воспроизводимости результатов и 0,2 % линейности.

Устойчивость к ударам. Согласно требованиям стандарта 1ЕС_60068_2_27, рассматриваемые ультразвуковые измерительные приборы, по результатам проведенного тестирования, отвечают требованиям устойчивости к ударным воздействиям.

Характеристики проводимого тестирования ударной устойчивости:

— 6 ударов в каждом направлении вдоль трех ортогональных осей (6 тестов);

— форма импульсов — полусинусоида;

— пиковое ускорение 30g;

— длительность импульсного воздействия

Устойчивость к вибрации. В соответствии с требованиями стандарта 1ЕС_60068_2_6 также проведено исследование на вибрационную устойчивость.

Характеристики проводимого тестирования вибрационной устойчивости:

— вибрационные воздействия вдоль трех ортогональных осей;

— диапазон частот 10. 55 Гц;

— амплитуда виброперемещения 1 мм;

— длительность каждого воздействия — 30 минут.

Из представленного анализа, разработка интеллектуальной платформы, удовлетворяющей требованиям современных систем объективного контроля, систем анализа ситуаций разрушения, систем управления и управляющих систем, является актуальной.

Материалы и методы

Для решения поставленной задачи были рассмотрены методы объективного контроля оборудования на основе распределенной интеллектуальной платформы для элементов автоматики. Приведена методика оценки ситуационного восстановления событий.

Для выполнения поиска был использован метод минимакса, методы определения лингвистических переменных и правил, которые основываются на работах известных ученых И. З. Батыршина, А. В. Леоненкова, Г. Э. Яхъяева, А. Пегата, А. А. Ускова [5; 6; 7; 8; 9].

Результаты и обсуждения

Актуальность исследования реализации интеллектуальной платформы и использованные методы известных ученых формируют четкое представление о требованиях и формах представления исследуемой проблемы.

На основе проведенного анализа работы ультразвуковых измерительных приборов разработана общая структурная схема интеллектуального датчика, представленная на рисунке 2 [10].

В качестве ультразвукового измерительного прибора будем использовать рассмотренный выше датчик иВ500-180Ы75.

Рис. 2. Общая структурная схема интеллектуального датчика Fig. 2. The general structural diagram of the intelligent sensor

В структуру интеллектуального датчика входят следующие функциональные узлы: ГТИ — генератор тактовых импульсов, ДРВ — датчик реального времени, МК — микроконтроллер, УЗД — ультразвуковой датчик, FLASH — накопитель флэш-карта и УСС КС — устройство сопряжения и связи контрольной системы систем.

Сбор информации будет производиться на флэш-карту формата SD, работающей по популярному цифровому интерфейсу SPI.

Важным дополнением для организации интеллектуальной платформы для ультразвукового измерительного прибора является микроконтроллер [11], реализующий нечеткие правила, блок-схема которого представлена на рисунке 3.

Рис. 3. Общая структура микроконтроллера нечеткой логики с управляемым интеллектуальным датчиком Fig. 3. The general structure of the fuzzy logic microcontroller with the controlled intelligent sensor

Основу микроконтроллера составляют блоки фаззификации, решений, дефаззификации, а также база знаний [11].

Блок фаззификации выполняет преобразование четких величин в нечеткие величины, значения которых предварительно определены в базе знаний как лингвистические переменные.

Блок решений предназначен для преобразования нечетких входных данных согласно нечетким условным правилам, определенным в базе знаний, для преобразования в сигналы управления, имеющие также нечеткий характер.

Блок дефаззификации предназначен для преобразования нечетких данных (как лингвистических переменных) от блока решений в четкую величину, которая используется для управления объектом.

Значения критических состояний, полученных при измерении расстояния рабочего органа до препятствия, фиксируются и заносятся в таблицу. Пример такой критической ситуации: значение расстояния при аварии или предаварийной ситуации 30 мм, возможен сбой. Для интеллектуального датчика: сбой и его априорная регистрация может быть в данном случае как просто получение сбоя, так и не выход на сбой при измерении расстояния: события здесь предсказываются с некоторой долей вероятности (рангом).

В проектируемой системе входная переменная — расстояние до препятствия, которое показывает ультразвуковой измерительный прибор. Опреде-

ленные интервалы для входной лингвистической переменной формируются из минимальных и максимальных значений сигналов ультразвукового датчика [12].

По техническим характеристикам определим входную лингвистическую переменную «Расстояние до препятствия» имеет пределы допустимых значений от 30 до 350 мм. На рисунке 4 представлены результаты измерения расстояния в критически опасной зоне.

До 35 мм нет полной уверенности, что сбой состоится и его надо фиксировать (например, значение расстояния 110 мм соответствует категории «предсбойной ситуации» с рангом, равным 0,9). Однако спектру от 40 мм до 100 мм можно присвоить ранг 1, т. е. при этих значениях сбой будет однозначно.

После значения 120 мм сбой считается измеренным, но пока не состоявшемся, так как расстояние, соответствующее термину «сбой», должно находиться в спектре ранга от 0 до 1. Данный факт формирует сигнал регистрации «предсбойной ситуации». И чем больше величина расстояния, тем меньше становится его принадлежность к соответствующему терму, тем ранг будет стремиться к 0 и частота регистрируемых выходных сигналов датчика увеличивается.

В результате определено нечеткое множество, отражающее понятие сбоя для всего диапазона измерений датчика [13].

Рис. 4. Схема определения нечеткого множества для датчика расстояния Fig. 4. Diagram of the fuzzy set definition for the distance sensor

Степень принадлежности нечетким правилам определяется так называемой функцией принадлежности М(Ц), где L — измеренное датчиком значение расстояния [14]. В нашем случае значению расстояния 120 мм можно задать степень принад-

лежности к терму «Очень близко», а к терму «Близко» — 240 мм (рис. 3.).

В таблице 1 представлены фиксируемые связи между входными и выходными параметрами нечетких правил.

Таблица 1. Таблица нечетких правил ультразвукового датчика расстояния Table 1. Table of the fuzzy rules of the ultrasonic distance sensor

Измере ния датчика / Sensor measurements

Близко / Close Очень близко / Very close Авария / Crash

Фиксация измерения/ Measurement fixation

Обычное/ Ordinary Не фиксировать/ Do not fix

Регистрация/ Check in Нет регистрации/

No registration Нет регистрации/ No registration

Check in Регистрация/ Check in Нет регистрации/ No registration

Check in Регистрация/ Check in Нет регистрации/ No registration

Ось ординат предназначена для определения того, что максимальное значение функции членства не может превышать максимального значения для внутреннего регистра микроконтроллера нечеткой логики. По оси абсцисс значения соответствуют оценке членства множества, полученной от модуля предварительной обработки: оценка 0 указывает на

отсутствие членства, значение 0,9 выражает абсолютное присутствие участия, позволяющее совместить оценку членства с числовым форматом регистра микроконтроллера нечеткой логики. Процесс фаззификации заканчивается тем, что получается одна или несколько входных функций членства с соответствующими им значениями. Применяется

конкретный набор правил, отображаются и преобразуются нечеткие входные функции в нечеткие выходные функции [15].

На рисунке 5 представлены пять нечетких выходных функций членства для ультразвукового дат-

чика, где первая функция соответствует состоянию

— «нет регистрации», вторая — «регистрация», третья

— «регистрация на низкой частоте», четвертая — «регистрация на высокой частоте» и пятая — «регистрация на повышенной частоте».

Рис. 5. Выходные функции членства Fig. 5. Element Output Functions

В микроконтроллере нечеткой логики HCS12 упрощен процесс дефаззификации, который позволяет для каждой выходной функции с нечеткой логикой сопоставить одно значение. Для преобразова-

ния входных в выходные переменные в интеллектуальной платформе используются девять правил фаз-зификации, результаты представлены в таблице 2 [16].

Таблица 2. Правила фаззификации ультразвукового датчика расстояния Table 2. Fuzzy Rules for Ultrasonic Distance Sensor

Значения для профиля поведения / Values for the action profile

Значения для ключевых слов / Keyword Values

Выходные величины / Output values

Low Среднее/ Average Среднее/ Average Среднее/ Average Высокое/ High Высокое/

High Высокое/ High

Среднее/ Average Высокое/

Каждый электрик должен знать:  Широтно-импульсная модуляция

Low Среднее/ Average Высокое/

Low Среднее/ Average Высокое/ High

Нет регистрации/ No registration Низкая частота регистрации/ Low frequency of registration Регистрация на высокой частоте/ Average frequency of registration Низкая частота регистрации/ Low frequency of registration Средняя частота регистрации/ Average frequency of registration Регистрация на высокой частоте/ Registration at high frequency Средняя частота регистрации/ Average frequency of registration Регистрация на высокой частоте/ Registration at high frequency Регистрация на повышенной частоте/ Registration at increased frequency

Выполнение поиска осуществляется с использованием метода минимакса, то есть наибольшее из значений членства входных функций отображается в соответствующей выходной функции. Применение и выборка входных лингвистических переменных обнаруживаются по правилам, где выходная функция имеет более двух значений. В этом случае получается наименьшее значение. Далее, используя все выходные функции и соответствующие значения членства, производится процесс дефаззификации, вычисляется центральное выходное значение и выборка режима фиксации измерений ультразвукового датчика. Полученные значения выходных функций умножаются на значения членства, вычисленные по девяти правилам, результаты складываются и сумма делится на число членов (терм). Конечное числовое значение и соответствующее сообщение отправляется на флеш-карту памяти, чтобы зарегистрировать ситуацию или событие администратору о состоянии события [16].

Недостатком управления для инженеров является трансляция алгоритмов и проектов нечеткой логики на язык программирования и обратно, а также их динамического изменения и коррекции

Когда код переведен на требуемый язык программирования, можно преобразовывать программу в код для конкретного микроконтроллера. Этот код программируется отдельно от датчика (т. е. предполагаем, что датчик является не интеллектуальный), а затем готовая база решений вносится в ПЗУ микроконтроллера, и датчик начинает работать по записанной программе. Для внесения изменений в программу работающего датчика она переписывается заново [18; 19; 20; 21].

При проектировании интеллектуальной платформы для ультразвукового датчика расстояния как элемента устройства автоматики на базе контроллера нечеткой логики выявились следующие недостатки:

— большие габаритные размеры флэш-карты, вызванные большим количеством линий в стандарте SD;

— большие габаритные размеры микроконтроллера не удовлетворяют габаритам интеллектуального датчика;

— объем выделяемой памяти для регистрации расстояния, ограничивающего время регистрации, недостаточен.

Составлена схема определения нечеткого множества для датчика расстояния, таблица нечетких правил и правила фаззификации для системы. На основании этого была построена блок-схема алгоритма работы интеллектуального датчика на микроконтроллере нечеткой логики. Также были выявлены некоторые недостатки при проектировании интеллектуальной платформы для датчика.

Интеллектуальный датчик на основе нечеткой логики может применяться в приборостроении, автомобильной и авиационной промышленности.

В приборостроении датчик может использоваться в системах объективного контроля и в системах повышения надежности АСОИУ.

В системах объективного контроля (в приборостроении) датчик может быть применен совместно с автоматизированной системой диагностики и обработки информации для последующего восстановления картины события работы прибора.

В статье был проведен анализ возможности реализации интеллектуальной платформы для ультразвукового датчика расстояния на основе нечеткой логики, выдвинуты требования к проекту, определены недостатки составляющих интеллектуальной платформы для развития технологии.

Было описано назначение проектируемой платформы для датчика и ее основные характеристики. Рассмотрена конструкция платформы датчика, составлена и подробно описана структурная схема платформы ультразвукового датчика. Составлена схема определения нечеткого множества для датчика расстояния, таблица нечетких правил и правила фаззификации для системы.

1. Котюк А. Ф. Датчики в современных измерениях. М. : Радио и связь, 2006. 235 с.

2. Бейлина Р. А., ГрозбергЮ. Г., Довгяло Д. Микроэлектронные датчики. Новополоцк : ПГУ, 2001. 270 с.

3. Осадчий Е. П. Проектирование датчиков для измерения механических величин : учебное пособие. М. : Машиностроение, 1979. 300 с.

4. Джексон Р. Г. Новейшие датчики / Под ред. В. В. Лучинина. М. : Техносфера, 2007. 246 с.

5. Батыршин И. З. Основные операции нечеткой логики и их обобщения. Казань : Отечество, 2001.

6. Леоненков А. В. Нечёткое моделирование в среде MATLAB и fuzzy TECH. СПб. : БХВ-Петербург, 2003. 736 с.

7. Яхъяева Г. Э. Нечеткие множества и нейронные сети: учебное пособие. 2-е изд., испр. М. : Интернет-Ун-т Информ. Технологий: Бином. Лаборатория знаний, 2012. 315 с.

8. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление. М. : Бином. Лаборатория знаний, 2009. 798 с.

9. Усков А. А. Системы с нечеткими моделями объектов управления. Монография. Смоленск : СФРУК, 2013.153 с.

10. Семенов Б. И., Максимова М. В. Интеллектуальная платформа для устройств автоматики // Нигма-туллинские чтения-2020: сборник научных трудов по итогам международной научной конференция. Том 1. Казань : Изд-во АН РТ, 2020. С. 151-154.

11. Фрунзе А. В. Микроконтроллеры? Это же просто! Т. 1. М. : ООО «ИД Скимен», 2002. 336 с.

12. Костиков В. Г., Парфенов Е. М., Шахнов В. А. Источники электропитания электронных средств. Схемотехника и конструирование : учебник для вузов. 2-е изд. М. : Телеком, 2001. 344 с.

13. Ранеев Г. Г. Интеллектуальные средства измерений : учебник для студ. высш. учеб. заведений. М. : Издательский центр «Академия», 2011. 272 с.

14. Пегат А. Нечеткое моделирование и управление. М. : Бином. Лаборатория знаний, 2013. 798 с.

15. Гитман М. Б., Столбов В. Ю., Гилязов Р. Л. Управление социально-техническими системами с учетом нечетких предпочтений. М. : ЛЕНАНД, 2011. 272 с.

16. Заде Л. А. Понятие лингвистической переменной и его применение к принятию приближенных решений. М. : Мир, 1976. 166 с.

17. Круглов В. В., Дли М. И. Интеллектуальные информационные системы: компьютерная поддержка систем нечеткой логики и нечеткого вывода. М. : Физматлит, 2002. 198 с.

18. Круглов В. В., Дли М. И., Голунов Р. Ю. Нечеткая логика и искусственные нейронные сети. М. : Физ-матлит, 2001. 221 с.

19. Труды института системного программирования, 1999. Том 1. / Под ред. В. П. Иванникова. М. : Био-информсервис, 2000. 124 с.

20. Zhdanov A. A. About an Autonomous Adaptive Control Methodology // ISIC/CIRA/(ISAS’98), NIST, Gai-thersburg, Maryland. September 14-17, 1998, P. 227-232.

21. Zhdanov A. A., Vinokurov A. N. Emotions Simulation in Methodology of Autonomous Adaptive Control // Proceedings of ISIC’99/ISAS’99, 1999.

Дата поступления статьи в редакцию 8.10.2020, принята к публикации 6.11.2020.

Информация об авторах: Давыдов Аркадий Валентинович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Конструкция и проектирование двигателей»

Адрес: ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)», 125993, Россия, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4, A-80, ГСП-3 E-mail: davidovarc@gmail.com Spin-код: 4837-3191

Максимова Марина Валерьевна, кандидат педагогических наук, доцент кафедры «Гуманитарные и естественнонаучные дисциплины»

Адрес: Волжский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», 428000, Россия, Чебоксары, пр. Тракторостроителей, д. 101, корп. 30 E-mail: marisha2501@yandex.ru Spin-код: 9096-4801

Михайлова Ольга Валентиновна, доктор технических наук, доцент,

профессор кафедры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи»

Адрес: Государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Нижегородский государственный инженерно-экономический университет», 606340, Россия, Княгинино,

ул. Октябрьская, д. 22а

Семенов Борис Иванович, старший преподаватель кафедры «Гуманитарные и естественнонаучные дисциплины»

Адрес: Волжский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)», 428000, Россия, Чебоксары, пр. Тракторостроителей, д. 101, корп. 30 E-mail: bobisk@mail.ru

Заявленный вклад авторов: Давыдов Аркадий Валентинович: разработка конструкции интеллектуальной платформы. Максимова Марина Валерьевна: научное руководство проектом, подготовка текста статьи. Семенов Борис Иванович: получение экспериментальных данных, подготовка текста статьи. Михайлова Ольга Валентиновна: анализ и дополнение текста статьи.

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

1. Kotyuk A. F. Datchiki v sovremennyh izmereniyah [Sensors in modern dimensions]. Moscow : Radio and Communication. 2006. 235 p.

2. Beilina R. A., Grozberg Yu. G., Dovgyalo D. A. Mikroelektronnye datchiki [Microelectronic Sensors]. Novopolotsk : PSU. 2001. 270 p.

3. Osadchy E. P. Proektirovanie datchikov dlya izmereniya mekhanicheskih velichin [Designing sensors for measuring mechanical quantities]. Tutorial. Moscow : Mashinostroenie. 1979. 300 p.

4. Jackson R. G. Novejshie datchiki [Newest sensors], In Luchinina V. V. (ed.) Moscow : Tekhnosfera. 2007.

5. Batyrshin I. Z. Osnovnye operatsii nechetkoj logiki i ih obobshcheniya [Basic operations of fuzzy logic and their generalization]. Kazan : Fatherland. 2001. 100 p.

6. Leonenkov A. V. Nechyotkoe modelirovanie v srede MATLAB i fuzzy TECH [Fuzzy simulation in MAT-LAB and fuzzy TECH]. Saint-Petersburg: BHV-Petersburg. 2003. 736 p.

7. Yakhyayeva G. E. Nechetkie mnozhestva i nejronnye seti: uchebnoe posobie [Fuzzy sets and neural networks: study guide]. 2-nd ed. Rev. Moscow : Internet-University Inform. Technology: Bean. Laboratory of knowledge. 2012.315 p.

8. Pegat A. Nechetkoe modelirovanie i upravlenie [Fuzzy modeling and control]. Moscow : Beanom. Laboratory of Knowledge. 2009. 798 p.

9. Uskov A. A. Sistemy s nechetkimi modelyami ob’ektov upravleniya. Monografiya. [Systems with fuzzy models of control objects. Monograph]. Smolensk : SFRUK. 2013. 153 p.

10. Semenov B. I., Maximova M. V. Intellektual’naya platforma dlya ustrojstv avtomatiki [Intellectual platform for automation devices], Nigmatullinskie chteniya-2020: sbornik nauchnyh trudov po itogam mezhdunarodnoj nauch-noj konferenciya [Nigmatull readings-2020: a collection of scientific papers on the results of the international scientific conference], Kazan : Publishing House of the Academy of Sciences of the Republic of Tatarstan. 2020. Vol. 1. pp.151-154.

11. Frunze A. V. Mikrokontrollery? Eto zhe prosto! [Microcontrollers? It’s easy!] Vol. 1. Moscow : LLC «ID Skimen». 2002. 336 p.

12. Kostikov V. G., Parfenov E. M., Shakhnov V. A. Istochniki elektropitaniya elektronnyh sredstv. Shemo-tekhnika i konstruirovanie: uchebnik dlya vuzov. [Sources of electronic power. Circuit design and engineering. Textbook for universities]. 2-nd ed. Moscow : Telecom. 2001. 344 p.

13. Raneev G. G. Intellektual’nye sredstva izmerenij: uchebnik dlya stud. vyssh. ucheb. zavedenij [Intellectual measurement tools: a textbook for students. higher studies Institutions]. Moscow : Publishing Center «Academy». 2011.272 p.

14. Pegat A. Nechetkoe modelirovanie i upravlenie [Fuzzy modeling and control]. Moscow : Beanom. Laboratory of Knowledge. 2013. 798 p.

15. Gitman M. B, Stolbov V. Yu., Gilyazov R. L. Upravlenie social’no-tehnicheskimi sistemami s uchetom ne-chetkih predpochtenij [Management of socio-technical systems, taking into account fuzzy preferences]. Moscow : LENAND. 2011. 272 p.

16. Zadeh L. A. Ponyatie lingvisticheskoj peremennoj i ego primenenie k prinyatiyu priblizhennyh reshenij [The concept of a linguistic variable and its application to making approximate decisions]. Moscow: The World, 1976. 166 p.

17. Kruglov V. V., Dli M. Intellektual’nye informacionnye sistemy: komp’yuternaya podderzhka sistem ne-chetkoj logiki i nechetkogo vyvoda [Intelligent information systems: computer support for fuzzy logic systems and fuzzy inference]. Moscow : Fizmatlit. 2002. 198 p.

18. Kruglov V. V., Dli M. I., Golunov R. Yu. Nechetkaya logika i iskusstvennye nejronnye seti [Fuzzy logic and artificial neural networks]. Moscow : Fizmatlit. 2001. 221 p.

19. Proceedings of the Institute for System Programming. 1999. Volume 1. In Ivannikova V (ed.). P. Moscow : Bioinformservis. 2000. 124 p.

20. Zhdanov A. A. About an Autonomous Adaptive Control Methodology. ISIC / CIRA / (ISAS’98), NIST, Gai-thersburg, Maryland. September 14-17. 1998. Pp. 227-232.

21. Zhdanov A. A., Vinokurov A. N., Emotions Simulation in Methodology of Autonomous Adaptive Control, Proceedings of ISIC’99/ISAS’99. 1999.

Submitted 8.10.2020; revised 3.11.2020.

Information about the authors: Arkady V. Davydov, Ph. D. (Engineering), assistant professor of the chair «Engine design and engineering» Address: FSBEI HE «Moscow Aviation Institute (National Research University)», 125993, Russia, Moscow, Volokolamsk highway, 4, A-80, GSP-3 E-mail: davidovarc@gmail.com Spin-code: 4837-3191

Marina V. Maksimova, Ph. D. (Pedagogy),

associate professor of the chair «Humanities and Natural Sciences»

Address: Volzhsky branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow Automobile and Road Construction Technical University (MADI)», 428000, Russia, Cheboksary, prospect Traktorostroiteley, 101, building 30 E-mail: marisha2501@yandex.ru Spin-code: 9096-4801

Olga V. Mikhailova, Dr. Sci. (Engineering), associate professor, professor of the chair «Infocommunication Technologies and Communication Systems»

Address: Nizhny Novgorod state engineering-economics university, 606340, Russia, Knyaginino, Oktyabrskaya Str., 22a E-mail: ds17823@yandex.ru Spin-code: 9437-0417

Boris I. Semenov, assistant professor of the chair «Humanities and Natural Sciences»

Address: Volzhsky branch of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Moscow Automobile and Road Construction Technical University (MADI)», 428000, Russia, Cheboksary, prospect Traktorostroiteley, 101, building 30 E-mail: bobisk@mail.ru

Contribution of the authors: Arkady V. Davydov: development of intelligent platform design.

Marina V. Maksimova: scientific management of the project, preparation of the text of the article.

Olga V. Mikhailova: analysis and addition of the article text.

Boris I. Semenov: obtaining experimental data, preparing the text of the article.

Authors have read and approved the final manuscript.

Разработка и эксплуатация ультразвукового сенсора наполнения бака

Закончилось лето, и мне хотелось бы поделиться результатами одной интересной работы — а именно разработкой, сборкой, наладкой и эксплуатацией комбинированного ультразвукового датчика. Хочу сразу сказать, что всё устройство собиралось «на коленках», потому что было важно понять, насколько система может быть жизнеспособна. Поэтому не было сделано никакой защиты от дождя, солнца и ветра. Сам прибор был установлен снаружи помещения. Забегая вперёд, скажу, что надёжность оказалась весьма впечатляющей, несмотря на то, что устройство было собрано из остатков оборудования от старых проектов.

Постановка задачи

Задача была поставлена ранней весной — вместе с приобретением в питомнике 120 кустов малины. Как известно, малина очень отзывчива к поливу, но одновременно не любит и избытка воды. Поэтому было решено из подручных материалов собрать систему, которая бы решала следующие вопросы:

1. Управление погружным вибрационным насосом.
2. Измерение уровня воды в 220 литровой бочке.
3. Включение электромагнитного клапана по запросу — начало полива. Отключение производится по сигналу от измерителя уровня воды.
4. По завершению цикла полива запуск цикла заполнения бочки. Отключение производится по сигналу от измерителя уровня воды.

Состав оборудования

— US-100 — ультразвуковой измеритель расстояния. Старший брат знаменитого HC-SR04. Главное отличие — наличие температурной компенсации и возможность работы в режиме передачи данных по UART. По точности сравнить мне их не удалось ввиду отсутствия HC-SR04.
— Плата, оборудованная микропроцессором STM8S003F3P6.
— LCD 2×16, совместимый с HD44780.
— HLK-PM01 — блочный малогабаритный источник питания типа AC-DC. Входное напряжение 220В переменного тока, выходное 5В 600 мА постоянного тока.
— Электромагнитный клапан с установочным диаметром 3\4 на напряжение 24В постоянного тока. Потребляемый ток достигает 2 А.
— Корпус для основного прибора.
— Корпус для ультразвукового сенсора. Исполнение этого корпуса IP67, и как показала практика, такое исполнение было выбрано не напрасно.

Средства разработки

Хочу сразу сказать, что я являюсь счастливым владельцем двух замечательных плат Arduino Mini. Но увы — ардуинизация сознания для меня закончилась тогда, когда оказалось, что даже с использованием операционной системы реального времени данная плата ну никак не желает работать в качестве Modbus RTU slave с тайм-аутами меньше 100 мсек на скорости 57,6 кБит при запросе всего 64 регистров и при этом делать хоть какую-то полезную работу. Именно поэтому была выбрана плата на платформе STM8 с гораздо меньшим количеством ресурсов. В качестве среды программирования и отладки был выбран IAR Embedded Workbench for STM8. Данная среда прекрасно работает с программатором — отладчиком ST-LINK V2. Программатор имеет интерфейс USB и подключается к отлаживаемому изделию всего 4-мя проводами. При этом зачастую тока от отладчика достаточно для питания отлаживаемой платы. Я немного старомоден, и поэтому мне нравится иметь возможность онлайн — отладки. Я просто хочу видеть, что делает мой код в режиме исполнения. Этот подход не раз экономил время и деньги.

Операционная система

Интересный факт: известный российский зодиакальный производитель выпускает ПЛК без операционной системы реального времени.

В самом начале пути я встал перед выбором — использовать или нет операционную систему реального времени для микропроцессора, обладающими такими ресурсами. И выбор был сделан весьма неожиданный — ChibiOS RT v2.6.9. Не буду в этой публикации рассматривать все особенности этой системы — только отмечу, что создание двух потоков с одинаковыми приоритетами заняло 2547 байт флеш — памяти и 461 байт оперативной. Собственно, немало — но результатом этой потери стало то, что теперь я имею 8 — разрядный недорогой микроконтроллер, который управляется операционной системой реального времени. И следовательно, я могу управлять исполнением моих задач так, как мне необходимо.

Ход работ: сборка прототипа и написание программы

Сборка прототипа прошла достаточно быстро, особых проблем не возникало. Что получилось в результате, показано на картинке ниже:

При программировании единственной проблемой было то, что для дисплея и ультразвукового сенсора не было найдено готовых драйверов. Итог — пришлось писать самому. Результатом работы стало стабильно работающая программа, исходный код которой вы можете найти в архиве.

Внешний вид прототипа, установленного в корпус, показан ниже. Как раз виден процесс тестов в домашних( читайте — тест для сферического процессора в вакууме) условиях. Именно в таких режимах обычно тестируют ардуиноводы, и результатом являются отзывы об исключительной надёжности получаемых «решений». Поведение моего изделия в таком тесте было просто идеальным — никаких сбоев или отклонений замечено не было.

Ход работ: монтаж и запуск системы

Для монтажа было выбрано строение, расположенное в непосредственной близости от объекта управления. Как я говорил выше, никакой защиты от атмосферных осадков не было предусмотрено. В конце концов, затяжной ливень сделал своё дело — но об этом немного позже. Ниже на картинке показана установка ультразвукового датчика.

Устройство управляет включением системы капельного полива, причём управляется от программируемого логического контроллера. Контроллер имеет встроенную шину 1-wire с возможностью подключения до 128 устройств на один коммуникационный порт. Датчик влажности комбинированный, емкостный, работает на частоте 80 МГц и имеет как раз интерфейс 1-wire. Вместе с влажностью передаёт величину освещённости на уровне установки сенсора. Данные устройства в этой публикации не рассматриваются.

Ход работ: эксплуатация

Подав питание, было приятно увидеть, что алгоритм, заложенный в программе, работает так, как и хотел разработчик. Блок измерил расстояние до воды, определил, что бочка пустая, и включил насос для заполнения. В процессе заполнения отклонения показаний датчика уровня составили не более 15 мм, что достаточно приемлемо. Заполнив бочку, отключил насос. Теперь система готова к началу процесса полива. На начальном этапе всё было гладко и красиво — но многолетний опыт подсказывал, что самое интересное будет впереди.

Ход работ: проблемы и решения

Как оказалось, установка дискового фильтра для очистки воды оказалась совсем не лишней — через 3 недели эксплуатации фильтр оказался забит настолько, что просто не пропускал воду в систему. Картинка ниже.

Несмотря на то, что вода прозрачная, она оказалась достаточно агрессивной для стенок железной бочки. Бочка начала ржаветь, и результат вы видите ниже. Решение оказалось простым — берём и красим бочку изнутри в два слоя прочной эмалью.

Но это ещё не всё — как оказалось, бочка с водой очень привлекательна для разного рода водорослей, и они охотно селятся в ней. В моём случае получилась даже вот такая небольшая экосистема — картинка ниже.

Решение тоже простое — как известно, для развития водорослей необходим солнечный свет. Просто накрываем бочку непрозрачным материалом. Мне не удалось полностью прекратить доступ света, и поэтому раз в месяц необходима профилактическая промывка емкости.

Но решение одной проблемы вызывает появление другой — на накрывающем покрытии стал собираться конденсат. И если бы не исполнение IP67 сенсора, то очень быстро блок пришёл бы в негодность. К слову сказать, несмотря на кажущуюся нежность конструкции, ультразвуковой датчик показал себя весьма положительно. Но пришлось его доработать- поставить кольцевой отражатель для того, чтобы компенсировать ложные эхо — сигналы на некоторых дистанциях. По видимому, эхо-сигналы появляются в результате отражения пачки звуковых импульсов от стенок бочки. В моём случае эта дистанция составила 230-250 мм.

Заключение: дальнейший путь

Как я упомянул выше, ливень поздней осенью прекратил тестирование — резкий хлопок ознаменовал собой выход из строя терминального соединителя питания 220 В. Да и наступило то время года, когда отпала необходимость в самом устройстве.

Анализируя полученный материал, я пришёл к неожиданному выводу — нет необходимости в приборе в таком виде. Если доработать сам сенсор, и дать ему доступ к стандартным протоколам обмена типа modbus rtu — то можно будет управлять прямо из программы контроллера, не используя никаких промежуточных звеньев. Я также рассматривал вариант использования шины 1-wire — но передачу 4-х 16 разрядных величин лучше делать на более скоростном варианте протокола обмена.

В заключение хочу сказать, что если эта публикация вызовет интерес, то я с удовольствием продолжу серию публикаций про проекты, которые собраны мной с паяльником и программатором в руках.

Толщиномеры ультразвуковые: принцип работы, инструкция, производители, отзывы

Ультразвуковое измерение толщины является неразрушающим односторонним методом определения ширины материала. Он быстр, надежен, универсален и, в отличие от микрометра или штангенциркуля, не требует доступа к двум сторонам предмета. Первые коммерческие датчики, использующие принцип сонара, появились в конце 1940 годов. Небольшие переносные приборы, оптимизированные для широкого спектра применений, стали привычными в 1970-е годы. А инновации в области микропроцессорной техники позволили достичь нового уровня точности, простоты и миниатюрности.

Производством устройств занимается большое число известных компаний. Среди них – немецкая компания Siemens, американская Dakota Ultrasonics, британская Cygnus. В России приборы выпускают такие компании, как НПФ «АКС», НПК «Луч», НПЦ «МаксПрофит» и др.

Что можно измерить?

Практически любой обычный конструкционный материал может быть измерен с помощью ультразвука. Ультразвуковые датчики могут быть настроены на металлы, пластики, композиты, стекловолокно, керамику и стекло. Также возможны замеры экструдированных пластмасс и проката в процессе производства — как отдельных слоев или покрытий, так и многослойных изделий, жидкости и биологических образцов. Еще одна операция, где просто необходим ультразвуковой толщиномер, – определение толщины кирпича, конструкций из бетона, асфальта и горных пород. Такие измерения почти всегда неразрушающие и не требуют резки или разборки объекта.

Материалы, которые не подходят для обычного ультразвукового замера из-за плохой передачи высокочастотных волн, включают древесину, бумагу, бетон и вспененные продукты.

Как измерить?

Звуковая энергия может генерироваться в широком спектре частот. Слышимый звук находится в диапазоне от 20 до 20 кГц. Чем выше частота, тем выше воспринимаемый тон. Энергия более высокой частоты, за пределами человеческого слуха, называется ультразвуком. Чаще всего ультразвуковой контроль осуществляется в диапазоне частот от 500 кГц до 20 МГц, хотя некоторые специализированные инструменты достигают 50 кГц или 100 МГц. Независимо от частоты, звуковая энергия представляет собой механические колебания, проходящие в определенной среде, такой как воздух или сталь, в соответствии с основными законами физики волн.

Каждый электрик должен знать:  Экономное отопление гаража способы обогрева

Для измерений используют ультразвуковой толщиномер. Принцип работы устройства заключается в точном вычислении времени прохождения импульса от небольшого зонда (преобразователя) через измеряемый объект, отраженного его внутренней поверхностью или дальней стенкой. Поскольку звуковые волны отражаются от границы между разнородными материалами, это измерение обычно производится с одной стороны, в режиме «импульс/эхо».

Преобразователь содержит пьезоэлектрический элемент, который возбуждается коротким электрическим импульсом для генерации дискретных ультразвуковых волн. Они посылаются в измеряемый материал и проходят через него, пока не сталкиваются с задней стенкой или другим препятствием. Отраженная волна возвращается к датчику, преобразующему механические колебания в электрическую энергию. В сущности, толщиномеры ультразвуковые прослушивают эхо с противоположной стороны. Обычно промежуток времени между посланным и отраженным сигналом составляет всего несколько миллионных долей секунды. В прибор занесены данные о скорости звука в исследуемом материале, из которого он может затем рассчитать толщину, используя простую математическую связь: d = V t / 2, где:

  • d – толщина участка;
  • V – скорость звука;
  • t – измеренное время прохождения звука.

Важный параметр

Важно отметить, что скорость звука в исследуемом объекте является существенной частью этого расчета. Различные материалы передают звуковые волны по-разному. Как правило, в твердых веществах она выше, а в мягких – ниже. Кроме того, она может значительно изменяться с температурой. При этом всегда необходимо калибровать толщиномеры ультразвуковые на скорость в измеряемом материале, от которой прямо зависит точность показаний прибора.

Звуковые волны в мегагерцевом диапазоне через воздух проходят плохо, поэтому для улучшения передачи звука между излучателем и образцом помещается капля соединительной жидкости. Обычно в качестве контактной жидкости используется глицерин, пропиленгликоль, вода, масло и гель. Достаточно небольшого количества жидкости, чтобы заполнить чрезвычайно тонкий воздушный зазор.

Режимы измерения

Производители ультразвуковых толщиномеров измеряют временной интервал прохождения энергии через испытываемый образец тремя способами:

  1. Промежуток между импульсом возбуждения, который генерирует звуковую волну и первым возвращающимся эхом за вычетом небольшого значение смещения, компенсирующего задержки в инструменте, кабеле и преобразователе.
  2. Интервал времени между возвращенным эхом от поверхности образца и первым отраженным эхом.
  3. Промежуток между двумя последовательными донным эхо-сигналами.

Выбор режима, как правило, диктует тип преобразователя, а также конкретные требования приложения. Первый режим используется с контактным датчиком и рекомендуется для большинства применений. Во втором присутствует линия задержки или погружные преобразователи, применяемые на выпуклых и вогнутых поверхностях, в замкнутом пространстве, для измерения движущегося материала или объектов с высокой температурой.

Третий режим также использует линии задержки или погружные датчики и, как правило, обеспечивает высокую точность и наилучшее минимальное разрешение толщины. Обычно применяется, когда качество измерений в первом или втором режиме неудовлетворительное. Однако последний режим подходит только для материалов, которые производят чистые множественные эхосигналы, как правило, с низким показателем затухания, как у мелкозернистых металлов, стекла, керамики.

Два типа устройств

Толщиномеры ультразвуковые, как правило, делятся на два типа: коррозионные и прецизионные. Одним из важнейших их применений является определение остаточной ширины стенки металлических труб, резервуаров, конструкционных деталей и сосудов высокого давления, которые подвержены внутренней коррозии и не могут быть видны снаружи. Толщиномеры ультразвуковые коррозионные для этого и предназначены. В них используются методы обработки сигналов, которые оптимизированы для обнаружения минимальной остаточной ширины стенок в грубых и ржавых образцах со специализированными двухэлементными датчиками.

В остальных случаях рекомендуют применять высокоточные приборы с одиночными преобразователями, – для металлов, пластмасс, стекловолокна, композитов, резины и керамики. Создано множество разнообразных датчиков прецизионных устройств, которые способны измерять с точностью ±0,025 мм и выше, что превышает показатели коррозионных измерителей.

ГОСТ толщиномеры ультразвуковые классифицирует по назначению, степени автоматизации, защищенности от воздействия внешней среды, стойкости к механическим воздействиям, а также определяет их основные показатели.

Типы преобразователей

  • Контактные датчики используются при непосредственном соприкосновении с испытуемым образцом. Измерения с их помощью просты, поэтому они применяются чаще всего.
  • Преобразователи с линией задержки содержат пластиковый, эпоксидный или кварцевый цилиндр в качестве промежуточного звена между активным элементом и исследуемым объектом. Главная причина их использования – измерение тонких объектов, где важно отделить импульсы возбуждения от донных эхо-сигналов. Линия задержки может служить теплоизолятором, защитой термочувствительного элемента датчика от прямого контакта с горячими материалами. Также ей можно придать форму, улучшающую сцепление при резко вогнутых или выгнутых поверхностях.
  • Погружные преобразователи для подвода звуковой энергии к измеряемому элементу используют водяную колонну или ванну. Их применяют для измерений движущихся объектов, для сканирования или оптимизации сцепления при наличии острых радиусов, канавок или каналов.
  • Преобразователи с двумя элементами используются в коррозионных шириномерах для определения ширины объектов с грубой, корродированной поверхностью. Состоят из отдельного передающего и принимающего элемента, установленных под небольшим углом к линии задержки, чтобы сфокусировать энергию на выбранное расстояние под поверхностью измеряемого образца. Хотя такие измерения не столь точны, как у датчиков других типов, они, как правило, обеспечивают значительно более высокую производительность.

Толщиномер ультразвуковой: инструкция

Для подготовки к проведению измерений следует подсоединить преобразователь к прибору, включить его, задать скорость звука и откалибровать. Для этого нужно нанести немного контактного вещества на калибровочный эталон, приложить датчик и включить режим калибровки. Данную процедуру необходимо обязательно выполнять после замены преобразователя либо батарей. Возможны варианты калибровки по известной толщине и скорости звука.

Для проведения измерений необходимо на поверхность объекта нанести контактное вещество и приложить датчик. Результат отобразится на дисплее. Возможно использование устройства в режиме сканирования, например, для поиска наименьшей толщины материала. Также можно настроить подачу сигнала для выявления места с размером стенки меньше установленного значения.

Для замера скорости звука необходимо измерить объект штангенциркулем или микрометром, приложить преобразователь и дождаться результата. Установив предварительно измеренное значение, нажать кнопку для сохранения данных в памяти прибора. Некоторые устройства позволяют передавать результаты на ПК.

Ультразвуковой толщиномер: отзывы

Пользователи положительно оценивают компактный размер, удобство в использовании, надежность, простоту калибровки современных приборов. Специалисты отмечают отсутствие альтернатив устройствам данного типа при оценке состояния автомобилей, качества выполнения кузовных работ. Устройство позволяет определить, перекрашивалось ли транспортное средство и участвовало ли оно в ДТП. Толщиномеры, для работы которых не требуется контактная жидкость, а также способные проводить самокалибровку, пользуются наибольшей популярностью.

Материал и диапазон

Ультразвуковой толщиномер, принцип работы которого выбирается в зависимости от состава, диапазона измерений, геометрии, температуры, требований к точности и других возможных условий, порой просто незаменим.

Тип материала и пределы измерений являются наиболее важными факторами при выборе прибора и преобразователя. Многие вещества, включая большинство металлов, керамику и стекло, проводят ультразвук очень эффективно и позволяют проводить замеры в широком диапазоне. Большинство пластмасс быстрее поглощают энергию и, следовательно, имеют более ограниченный максимальный диапазон толщины, но в большинстве производственных ситуаций измерения проблем не вызывают. Резина, стекловолокно и многие композитные материалы поглощают гораздо сильнее и требуют больших передатчиков и приемников, оптимизированных для работы на низких частотах.

Толщина определяет и тип преобразователя. Тонкие объекты измеряют на высоких частотах, а ​​толстые или демпфирующие – на низких. Для очень тонких материалов используется линия задержки, хотя они, а также погружные преобразователи ограничены по толщине измерения из-за помех от многократного эха. В случае широких объектов или предметов, состоящих из нескольких материалов, могут понадобиться датчики разных типов.

Кривизна поверхности

С увеличением кривизны поверхности эффективность контакта между преобразователем и измеряемым объектом уменьшается, поэтому с уменьшением радиуса кривизны должен быть уменьшен размер датчика. Измерение очень малых радиусов может потребовать применения линий задержки или бесконтактных погружных преобразователей. Они также могут быть использованы для замеров в пазах, полостях и других местах с ограниченным доступом.

Температура

Контактные преобразователи, как правило, применимы при температуре объекта до 50 °C. Более горячие материалы могут повредить датчик из-за эффекта теплового расширения. В таких случаях всегда следует использовать преобразователи с термостойкой линией задержки, иммерсионные или высокотемпературные датчики с двумя элементами.

В отдельных случаях объект с низким акустическим сопротивлением (плотность, умноженная на скорость звука) соединен с материалом с более высоким акустическим импедансом. Типичные примеры – пластмассовые, резиновые и стеклянные покрытия стали или других металлов, а также полимерное покрытие стекловолокна. При этом эхо от границы между двумя материалами будет фазоинвертированным – перевернутым по отношению к эху от границы с воздухом. Это можно исправить простым изменением настройки прибора, но если ничего не предпринять, то показания будут неточными.

Погрешность

На точность измерений влияет множество факторов, в том числе поверка толщиномеров ультразвуковых, их калибровка, однородность скорости в веществе, затухание и рассеяние звука, шероховатость и кривизна поверхности, плохая связь и донная непараллельность. Точность лучше всего достигается при использовании эталонов известного размера. При правильной калибровке погрешность ультразвукового толщиномера составляет ±0,01 мм и даже ±0,001 мм. Линии задержки или иммерсионные датчики в третьем режиме также повышают точность измерений.

Ультразвуковые датчики положения и перемещения Baumer

Ультразвуковые датчики положения Baumer – это устройства, сигнализирующие о наличии, отсутствии либо о дальности перемещения контролируемого объекта в зоне действия сигнала.

Прибор настраивается либо на диапазон расстояний, либо на конкретное расстояние до предмета.

Области применения ультразвуковых датчиков положения и перемещения Baumer

Ультразвуковые датчики перемещения Baumer используются в разных сферах:

  • машиностроение – на машинах сборки и тестирования, упаковщиках и др.;
  • медицина;
  • для работы контрольно-измерительного оборудования;
  • обработка металла и древесины;
  • охрана собственности;
  • мерное оборудование;
  • агрикультура и сельскохозяйственная техника;
  • механизмы позиционирования и слежения – приводы, антенны и всевозможные панели;
  • пневматическое и гидравлическое оборудование.

Назначение ультразвуковых датчиков положения и перемещения Baumer

  1. Датчик положения – используется для учета положения или распознавания наличия механизмов в качестве концевого датчика.
  2. Датчик перемещения – оборудован внутренним потенциометром, нужным для контроля диапазона срабатывания. Аппарат в состоянии обнаружить предметы только в диапазоне срабатывания, а объекты, вынесенные за границы помеченной зоны, не будут подвержены воздействию сигнала и не определятся датчиком. На этой технологии основывается функция подавления заднего фона.

Преимущества ультразвуковых датчиков положения Baumer

Общие преимущества для разных видов ультразвуковых датчиков положения и перемещения Baumer:

  • многогранность использования в разных направлениях деятельности;
  • точность определения (±0,5-1 мм);
  • надежность и долгий срок пользования;
  • невосприимчивость к интерференции;
  • быстрое срабатывание и значительный (свыше 1 метра) радиус действия;
  • бесконтактная работа датчиков перемещения, простота установки и настройки;
  • температурная компенсация воздуха, чтобы добиться быстрого срабатывания.

Недостатки

  • Датчики сквозного луча должны находиться друг напротив друга, из-за чего стоимость монтажа повышается;
  • Датчики диффузного отражения активируются медленнее других;
  • Плохо работают в запыленных и загазованных средах.

Принцип работы ультразвуковых датчиков перемещения Baumer

Оборудование работает на основе пьезоэффекта, при котором кварцевая или керамическая пластина изменяет свои геометрические параметры, а на поверхности образуется электрическое поле при стороннем механическом воздействии.

Пластина колеблется с частотой электрического поля, что приводит к распространению волн аналогичной частоты. Они расходятся по воздуху и отражаются от предметов, возвращаясь обратно к источнику. При воздействии на пластинку происходит формирование электрического поля. Изначально пластина излучает волны, а дальше – принимает их. Можно контролировать спектр срабатывания датчика за счет корректировки длины волн.

Приборы с таким устройством предназначены для превращения линейного показателя расстояния до предмета контроля в электрический по стандарту 4…20 мА или 0…10 Вольт, либо обратные 20…4 мА или 10…0 Вольт. Измерение не менее половины мм на отдалении до одного метра и одного мм на расстоянии за пределами метра.

  • Датчики положения – бесконтактные концевые выключатели с настраиваемым диапазоном срабатывания;
  • Датчики расстояния и перемещения – бесконтактные преобразователи перемещения в аналоговый либо цифровой сигнал.
  • Аналоговый выход и настройка пределов контроля. С этой целью на корпус прибора выведен шлиц потенциометра.
  • Аналоговый выход и память диапазона определения. Минимальный и максимальный пределы настраиваются и откладываются в энергозависимой памяти при самообучении прибора. Для контроля диапазона предмет оставляют перед приспособлением у первой границы расстояния, нажимают кнопку программирования, а дальше – переносят на следующую границу и повторно активируют кнопку.

Приборы с таким устройством предназначены для превращения линейного показателя расстояния до предмета контроля в электрический по стандарту 4…20 мА или 0…10 Вольт, либо обратные 20…4 мА или 10…0 Вольт. Измерение не менее половины мм на отдалении до одного метра и одного мм на расстоянии за пределами метра.

Также существуют датчики с 2-мя цифровыми выходами и памятью границ работы. Пороговый контроль, когда уровень жидкости и размер провиса могут быть не больше одной, но не меньше другой величины. Привод соединяется с одним прибором, а не с двумя. Это устройство применяется в системах регулирования жидкости в емкости по двум характеристикам, с двумя вспомогательными уровнями.

Датчики положения, перемещения и расстояния – это высокотехнологичные устройства, позволяющие полностью контролировать местонахождение предмета. Для покупки прибора воспользуйтесь формой обратной связи или позвоните по бесплатному номеру.

Ультразвуковые датчики расстояния SICK

Почти не существует материалов, которые не могут быть обнаружены ультразвуковыми датчиками. Поэтому ультразвуковые измерители – идеальное решение для определения положения и удаленности объекта в тяжелых условиях эксплуатации с точностью до миллиметра. Ультразвуковые датчики, в отличие от фотоэлектрических, не подвержены воздействиям окружающей среды и позволяют проводить измерения в запыленных, задымленных помещениях, а также в помещениях с высоким уровнем шума. Более того, датчики позволяют измерять расстояние до объектов любой формы, цвета и размера, а также выполненных из различных материалов. Диапазон срабатывания датчиков очень широк: от 100 мм до 6 м.

Конструктивно датчики SICK AG представляют собой ультразвуковой передатчик и приемник, объединенные в одном корпусе. Принцип измерения расстояния связан с измерением скорости прохождения волны, отраженной от объекта в рабочем диапазоне измерений. В зависимости от области применения, выпускаются датчики с цифровым и аналоговым выходами.

Преимущества ультразвуковых датчиков:

  • бесконтактное детектирование объекта и его удаленности при помощи ультразвука
  • функция предварительного конфигурирования
  • высокая точность измерений
  • широкий диапазон сканирования
  • сканирование прозрачных объектов и жидкостей
  • стойкость к загрязнению окружающей среды
  • компактность, защищенный корпус
  • цифровой и аналоговый выход
  • класс защиты IP 65
  • защита от короткого замыкания

Ультразвуковые датчики UM18

Ультразвуковые датчики серии UM18 выполнены в цилиндрических корпусах диаметром 18 мм (шаг резьбы 1 мм).

Наименование Диапазон срабат., мм Рабочая частота, кГц Тип выходного сигнала Тип соединения
UM18-11116 30. 350 320 4…20 мА разъем М12, 5-pin
UM18-11117 30. 350 320 0…10 В разъем М12, 5-pin
UM18-20012 40 400 PNP разъем М12, 5-pin
UM18-51111 30. 350 320 PNP разъем М12, 5-pin
UM18-51112 30. 350 320 2xPNP разъем М12, 5-pin
UM18-51114 30. 350 320 2xNPN разъем М12, 5-pin
UM18-51115 30. 350 320 NPN разъем М12, 5-pin

Ультразвуковые датчики UM30

Ультразвуковые датчики серии UM 30 выполнены в цилиндрических корпусах и имеют широкий диапазон срабатывания (до 8 м).

Наименование Диапазон срабат., мм Рабочая частота, кГц Тип выходного сигнала Тип соединения
UM30-11111 30. 350 320 PNP разъем М12, 5-pin
UM30-11112 30. 350 320 2xPNP разъем М12, 5-pin
UM30-11113 30. 350 320 4…20 мА/ 0. 10 В разъем М12, 5-pin
UM30-12113 60. 600 400 4…20 мА/ 0. 10 В разъем М12, 5-pin
UM30-13113 200. 2000 200 4…20 мА/ 0. 10 В разъем М12, 5-pin
UM30-14113 350. 5000 120 4…20 мА/ 0. 10 В разъем М12, 5-pin
UM30-15113 800. 8000 80 4…20 мА/ 0. 10 В разъем М12, 5-pin

Ультразвуковые датчики UC12

Ультразвуковые датчики серии UC 12 выполнены в стандартном прямоугольном корпусе W12, имеют встроенную схему термокомпенсации и подавления заднего фона. Обучаемый режим Teach-in позволяет опытным путем произвести настройку устройства и быстро ввести его в эксплуатацию.

Измерение расстояния ультразвуком и ультразвуковые датчики

Бесконтактные способы измерения расстояний, используя волны в ультразвуковом диапазоне широко применяются в нашей повседневной жизни. Мы сталкиваемся с ними, делая УЗИ в поликлинике, используя эхолот на рыбалке. Парктроник в автомобиле помогает нам избежать столкновения, сдавая задним ходом. И конечно же ультразвуковые датчики широко применяются в робототехнике, помогая нашему роботу лучше «осязать» мир. В живой природе принцип ультразвуковой локации используется, например, летучими мышами и дельфинами. Сегодня я расскажу как же все это работает.

Что такое ультразвук

Человек способен воспринимать звуковые волны, совершающие колебания в диапазоне от 20 до 20000 Гц (напомню, 1 Герц — это число колебаний в секунду). С возрастом диапазон воспринимаемых нами частот снижается, но в среднем, ребенок способен воспринимать звук именно в этом диапазоне. Если же колебания звуковых волн превысят этот диапазон, то человек перестает воспринимать их, но летучие мыши, собаки, дельфины, и мотыльки вполне могут их услышать. Такие колебания являются примерами ультразвука. Ультразвук — это упругие колебания и волны в диапазоне от 20 кГц до 1 ГГц. Термин упругие подчеркивает неэлектромагнитную природу этих колебаний и волн.

Длина волны находится в обратной зависимости от ее частоты, следовательно ультразвуковые волны, по сравнению с обычным звуком имеют меньшую длину волны. Вследствие этого, ультразвуковые волны отражаются от различных препятствий гораздо лучше, чем обычные звуковые волны, что делает их весьма полезными на практике.

Пьезоэффект и магнитострикция

Как же получить колебания в ультразвуковом диапазоне?

Кристаллы некоторых материалов (таких как кварц) способны совершать очень быстрые колебания, при прохождении через них электричества. Это, так называемый, обратный пьезоэффект. Во время вибрации, они толкают и тянут воздух вокруг себя, производя, тем самым, ультразвуковые волны. Устройства, которые производят ультразвуковые волны с помощью пьезоэлектричества известны как пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрические кристаллы также работать в обратном порядке: если ультразвуковые волны, распространяясь по воздуху, сталкиваются с пьезоэлектрическим кристаллом, слегка деформируют его поверхность, в результате чего в кристалле возникает электрическое поле. Итак, если подключить пьезоэлектрический кристалл к измерителю электрического напряжения, мы получим детектор ультразвука.

Ультразвуковые волны могут быть получены с использованием магнетизма вместо электричества. Так же, как пьезоэлектрические кристаллы производят ультразвуковые волны в ответ на электричество, существуют и другие кристаллы, которые излучают ультразвук в ответ на магнетизм. Это эффект магнистрикции. Такие кристаллы называются магнитострикционными кристаллами. Датчики, использующие их, называются магнитострикционными преобразователями.

В англоязычной литературе ультразвуковые датчики называются ultrasound sensor.

Ультразвуковой дальномер

Используя пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи мы можем создать устройство, измеряющее расстояние до объектов — ультразвуковой дальномер, который работает следующим образом.

В момент измерения мы создаем электрическое колебание при помощи генератора, которое преобразуясь (например, при помощи пьезокристалла) в ультразвуковую волну, излучается в окружающее пространcтво. Эта волна отражается от препятствия и возвращается как эхо в приемник (также можно использовать пьезокристалл). Измеряя время между посылкой и приемом нашего отраженного сигнала и, зная скорость звуковой волны , распространяемой в данной среде (для воздуха это величина около 340 м/с), мы можем вычислить расстояние до препятствия.

Принцип действия ультразвукового дальномера

Ограничения

  • Повышением частоты (снижением длины) излучаемой волны можно увеличивать чувствительность прибора к более мелким объектам.
  • Частичные отражения, или как их называют паразитный эхо-сигнал, могут исказить результаты измерений (причиной могут стать криволинейные или наклонные по-отношению к направлению излучения сигнала поверхности).
  • Измерения объектов из звукопоглощающих, изоляционных материалов или имеющих тканевую (шерстяную) поверхность могут привести к неправильным измерениям вследствии поглощения (ослабления) сигнала. Домашний кошара может стать этаким «стелсом» для ультразвукового дальномера.
  • Чем меньше объект, тем меньшую отражающую поверхность он имеет. Это приводит к более слабому отраженному сигналу.

Отражение от маленького объекта приводит к слабому сигналу

  • При высокой влажности (дождь, снег) сигнал также может частично отражаться от капель (снежинок), что приводит к паразитному эхо-сигналу.
  • Сильный ветер может повлиять на распространение волн (буквально «сдуть»), что также приводит к ошибке измерений.

Зная ограничения, связанные с физической природой ультразвука можно решить подходит этот тип дальномера для вашей задачи или же нет.

Еще по этой теме

3 комментария к записи “Как работает ультразвуковой дальномер”

Ещё одна отличная статья) Было интересно почитать. Хотелось бы ещё почитать про инфракрасные дальномеры ( а может и ещё какие существуют), а так же примерное их сравнение, по эффективной дальности, углу сигнала( в смысле площадь которую охватывает каждый их дальномеров)и т.д.

Большое спасибо за ваш блог) вещи которые, в принципе, можно найти в разных местах тут описаны именно с необходимой точки зрения, и как правило дают исчерпывающую информацию, в отличии от других, не специализированных ресурсов, где информация либо слишком общая, либо черезчур полная и излишняя).

Про бесконтактные способы измерений различных величин (дальномеры, в частности, относятся к бесконтактным измерителям линейных расстояний) я обязательно буду писать. Вообще, если можно, что-то излучить, затем принять отраженное что-то и замерить какие-то параметры, то это и будет основой процесса, на котором строятся все дальномеры. Эти приборы работают в различных диапазонах: инфракрасном, ультразвуковом, радиочастотном и в самом высоком дипазоне электромагнитных волн работают уже лазерные дальномеры. Радиолокационные станции (РЛС) в авиации, на водном транспорте работают в радиочастотном диапазоне, так же как и радары инспекторов ГИБДД. Чем выше частота на которой работает прибор, тем выше его потенциальная точность, поэтому наименее точными являются ультразвуковые дальномеры, к самым точным относятся приборы, использующие лазеры. Для каждой длины волны существуют условия, при которых она лучше или хуже распространяется — этими свойствами волн и определяются основные особенности различных типов дальномеров. Ну, это в двух словах)) Я опишу в своих дальнейших публикациях различные типы дальномеров и опишу условия их оптимальной применимости и многое постараюсь рассказать как можно ближе к практике на примерах конкретных устройств и их реализации.

Постараюсь писать интересные и полезные статьи)) Спасибо, за обратную связь — для меня это важно.

Добавить комментарий