LABORATORIUM MIERNICTWA KOMPUTEROWEGO

Ćwiczenie nr 10

Ultradźwiękowy pomiar odległości

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z ultradźwiękową metodą pomiaru odległości

2. Ultradźwięki

1. Właściwości ultradźwięków.

Górna granica słyszalności dźwięków dla człowieka wynosi 16 kHz, wyznacza ona jednocześnie początek obszaru ultradźwiękowego. Fale sprężyste wytwarzane powyżej tej częstotliwości, niesłyszalne dla ucha ludzkiego, mogą być odbierane różnymi urządzeniami. Obszar obejmujący dźwięki słyszalne zawiera się zatem w zakresie od 16 Hz do 16 kHz. Ultradźwiękami określa się fale sprężyste o częstotliwościach aż do 10⁹ Hz. Jest to górna granica wyznaczona przez techniczne możliwości ich wytworzenia.

Na rysunku 1 jest schematycznie przedstawiony pełny zakres częstotliwości fal sprężystych, jakie mogą być wytworzone technicznie lub występują w przyrodzie. Obszar częstotliwości poniżej 16 Hz obejmuje infradźwięki. Fale sprężyste powyżej 10⁹ Hz, które występują w sposób naturalny jako fale cieplne nazywamy hiperdźwiękami. Zakres tych fal sięga do granicznej wartości częstotliwości rzędu 10¹³ Hz. Na rysunku 1 pokazano wartości częstotliwości rozgraniczające poszczególne obszary fal sprężystych, a po prawej stronie tej skali odpowiadające im długości fal dla podstawowych trzech stanów skupienia.

Podstawowa relacja między długością fali  a częstotliwością
jest następująca:

(1)

gdzie c jest prędkością rozchodzenia się dźwięku w danym ośrodku, charakterystyczną dla danego rodzaju fal. W przypadku fal podłużnych w powietrzu prędkość c = 340 m/s, w cieczach jest ona rzędu 1500 m/s, a w ciałach stałych ok. 5000 m/s (np. w stali). Posługując się tymi wartościami i podstawiając je do wzoru (1), otrzymamy dla podanych na skali częstotliwości odpowiednie długości fal. Z lewej strony tego rysunku są podane dla objaśnienia przykłady, czym z punktu widzenia zjawisk lub procesów fizycznych są fale sprężyste o określonej częstotliwości albo do czego są wykorzystywane.

Rys.1. Widmo fal sprężystych - zakres częstotliwości i długości fal odpowiadające różnym zjawiskom

i zastosowaniom

Natura fal sprężystych w każdym z podanych obszarów jest ta sama. Różnica między infradźwiękami, dźwiękami, ultradźwiękami i hiperdźwiękami polega na innej długości fali (innej częstotliwości).Mechanizm powstawania i rozchodzenia się fal opisują te same prawa fizyki.

Rozpatrując fale sprężyste rozróżnia się ośrodek idealny (bezstratny), w którym fale nie ulegają tłumieniu i ośrodek rzeczywisty (stratny), w którym fale zanikają w miarę rozchodzenia się. W ośrodkach rzeczywistych mogą wystąpić także niejednorodności pochodzące od defektów struktury, zanieczyszczeń materiałów, naprężeń wewnętrznych i innych czynników, które mogą mieć charakter nie tylko mikro, ale i makro niejednorodności w porównaniu z długością fali. Mówimy wtedy o rozpraszaniu fal na tych niejednorodnościach. Do celów praktycznych ośrodki rzeczywiste można traktować z dobrym przybliżeniem jako idealne, gdy osłabienie fal na rozpatrywanej drodze rozchodzenia się jest małe.

1. Wytwarzanie i odbiór ultradźwięków

Metody wytwarzania i odbioru ultradźwięków klasyfikuje się w zależności od sposobu przetwarzania energii. O generatorach lub nadajnikach mówi się, gdy przetwarza się energię pierwotną w energię fali ultradźwiękowej. Odwrotnie będzie dla odbiorników ultradźwiękowych, odbierana jest energia ultradźwiękowa jako pierwotna i przetwarzana na inny rodzaj. W nadajniku energia pierwotna zasila źródło drgań, które wytwarza falę sprężystą o odpowiedniej częstotliwości. W odbiorniku fala ultradźwiękowa padając na układ, pobudza go do drgań, które rejestruje jako energię przez niego otrzymaną od fali. Nadajniki i odbiorniki obejmuje się wspólną nazwą przetworników ultradźwiękowych. Często są one odwracalne, to znaczy, że ten sam układ może działać jako nadajnik lub odbiornik. Układ może działać z różną sprawnością w zależności od tego czy spełnia funkcję nadajnika czy odbiornika. Z uwagi na tę ostatnią cechę niektórych przetworników metody przetwarzania również dzieli się na odwracalne i nieodwracalne.

Do metod nieodwracalnych należą między innymi metody mechaniczne, aero- i  hydromechaniczne, optyczne i termiczne. Wśród metod odwracalnych wyróżniamy magnetyczne i elektryczne.

Do wytwarzania i odbioru ultradźwięków wykorzystuje się zjawisko elektromechaniczne, w którym energia elektryczna zostaje zamieniona na mechaniczną energię drgań i następnie akustyczną wypromieniowaną do ośrodka. W przypadku odbiorników proces jest odwrotny. Zjawisko te jest także wykorzystywane do generacji i odbioru dźwięków w zakresie słyszalnym, jednakże konstrukcja przetworników zależy od zakresu częstotliwości, dla którego przetwornik jest przeznaczony. Ze względu na naturę zjawiska fizycznego rozróżniamy przetworniki działające na zasadzie:

• elektrostatycznej:

• przetwornik kondensatorowy

• przetwornik piezoelektryczny

• przetwornik elektrostrykcyjny

• elektromagnetycznej:

• przetwornik magnetoelektryczny

• magnetycznej:

• przetwornik piezomagnetyczny

• przetwornik magnetostrykcyjny

• przetwornik oparty na indukcji prądów wirowych

1. Przetworniki piezoelektryczne

Przetworniki piezoelektryczne są obecnie najpowszechniej stosowane w technice ultradźwiękowej przetworniki w dużym zakresie częstotliwości, od kilkudziesięciu kHz do kilku GHz. Podstawą działania przetworników piezoelektrycznych jest zjawisko piezoelektryczne, występujące w monokryształach mających własności piezoelektryczne (kwarc, turmalin, niobian litu, tantalan litu, siarczek kadmu i inne).

Zjawisko piezoelektryczne polega na wytwarzaniu pola elektrycznego w materiale piezoelektrycznym, który poddajemy zewnętrznemu działaniu ciśnienia (Rys. 2 a, b i 3 a, b). Natężenie pola elektrycznego jest proporcjonalne do naprężeń mechanicznych. Zjawisko jest odwracalne, to znaczy, że przyłożenie napięcia do powierzchni takiego materiału spowoduje w nim zmianę naprężeń mechanicznych (Rys 2 c, d i 3 c, d).

Piezoelektryczne przetworniki ultradźwiękowe wykonuje się w kształcie płasko - równoległych płytek prostokątnych lub okrągłych wyciętych z kryształu piezoelektrycznego w taki sposób, aby płytka była odpowiednio zorientowana w stosunku do osi krystalograficznych, w szczególności w stosunku do osi biegunowej. Wzdłuż tej osi efekt jest największy dla odkształceń podłużnych, dlatego płytkę, która ma stanowić przetwornik ultradźwiękowych fal podłużnych, wycina się prostopadle do osi biegunowej i określa się taką płytkę jako przetwornik o cięciu X. Oś X jest skierowana wzdłuż grubości płytki (Rys. 2 a, b i 4 a, b) i poprzecznie wzdłuż swej długości [1].




Rys. 2. Zasada wykorzystania zjawiska piezoelektrycznego w przetworniku ultradźwiękowym fal podłużnych (w przypadku płytki kwarcowej o cięciu X):jako odbiornika (a i b) oraz nadajnika (c i d). Na rysunku zaznaczono rozkład ładunku na powierzchniach płytki przy ściskaniu (a) i rozciąganiu (b) oraz wzrost grubości (c) i zmniejszenie grubości (d) w zależności od znaku przykładanego napięcia




Rys. 3. Zasada wykorzystania zjawiska piezoelektrycznego w przetworniku ultradźwiękowym fal poprzecznych (w przypadku płytki kwarcowej o cięciu Y): jako odbiornika (a i b) oraz nadajnika (c i d). Na rysunku zaznaczono rozkład ładunku na powierzchniach płytki przy deformacji poprzecznej (ścinającej) w prawo (a) i w lewo (b) oraz powstanie deformacji ścinającej w lewo (c) i w prawo (d) w zależności od znalu przykładanego napięcia

Można przy innej częstotliwości rezonansowej wykorzystać płytkę o cięciu X do drgań długościowych. Optymalne cięcie płytki na przetwornik fal poprzecznych wykonuje się prostopadle do osi mechanicznej kryształu i określa się taką płytkę jako przetwornik o cięciu Y. Oś Y jest wtedy skierowana wzdłuż grubości płytki (Rys. 3c,d i 4c,d). Na płytki nakłada się na obydwie powierzchnie elektrody, napylając cienkie warstwy srebra, złota lub innego materiału przewodzącego .




Rys. 4. Płytki piezoelektryczne z napylonymi elektrodami jako przetworniki ultradźwiękowe: a) nadajnik fal podłużnych, b) odbiornik fal podłużnych, c) nadajnik fal poprzecznych, d) odbiornik fal poprzecznych

Przyłożenie do elektrod zmiennego napięcia elektrycznego (Rys. 4) powoduje okresowe deformacje płytki: podłużne wzdłuż grubości - przy cięciu X (Rys. 4a) i poprzeczne (Rys. 4c) - przy cięciu Y. Na rysunku 4b i d objaśniono działanie tych samych płytek użytych jako odbiorniki. Gdy na płytkę pada fala ultradźwiękowa, to wywiera ona na nią zmienne ciśnienie. Na elektrodach pojawiają się naprzemienne ładunki (+) i (-) w zależności od fazy ciśnienia akustycznego. Na elektrodach płytki pojawia się zmienne napięcie proporcjonalne do ciśnienia akustycznego (Rys. 4b). Przyłożenie napięcia zmiennego do przetwornika fal poprzecznych powoduje okresowe deformacje ścinające płytki i generację do ośrodka fali poprzecznej (Rys. 4c).

3. Opis układu

1. Zasada działania

Moduł SRF04 jest produkowany przez firmę Robot Electronics. Zadaniem układu jest generowanie i odbiór fali ultradźwiękowej. Długość trwania impulsu wyjściowego z układu jest zależna od odległości pomiędzy czujnikiem a przeszkodą. Sygnały wejścia/wyjścia przystosowane są do współpracy z układami cyfrowymi.




Rys.5. Widok czujników ultradźwiękowych z góry

Podstawowe parametry modułu SRF04:

• napięcie - 5 V

• prąd - 30 mA (max. 50 mA)

• częstotliwość - 40 kHz

• maksymalny zasięg - 3 m

• minimalny zasięg - 3 cm

• wejście wyzwalające - impuls o szerokości minimum 10μs

• rozmiary - 43 mm - 20 mm - 17 mm

Jako przetwornik wykorzystano układ SFR04 - Sonic Range Finder, którego nazwę można przetłumaczyć jako: akustyczny dalmierz [7].




Rys. 6. Widok płytki z boku

Moduł SRF04 zawiera następujące wyprowadzenia:

• VCC - zasilanie (+5 [V]),

• Echo Pulse Output - sygnał wyjściowy, który jest impulsem powstałym na skutek odbioru odbitej fali ultradźwiękowej,




Rys.7. Widok połączeń z tyłu płytki

• Trigger Pulse Input (trigger - wyzwalanie) - sygnał wejściowy wyzwalający,

• GND - masa.

Schemat modułu SRF04 przedstawiono na rysunku poniżej.




Rys. 8. Schemat układu SRF04

Funkcje nadajnika ultradźwięków spełnia element oznaczony na schemacie N1076. Element ten może być zasilany napięciem nie przekraczającym 20 [V]. Sygnałem sterującym nadajnik jest sygnał prostokątny o amplitudzie 16 [V] i częstotliwości 40 [kHz]. Sygnał prostokątny jest generowany przez procesor PIC12C508, po podaniu na wejście procesora sygnału wyzwalającego - Trigger Pulse Input. Sygnał prostokątny generowany przez procesor po wzmocnieniu przez układ Max232 (pełniący rolę przetwornika napięcia) trafia do nadajnika ultradźwięków.

Fala odbita jest rejestrowana przez odbiornik ultradźwięku N1081. Sygnał z odbiornika trafia do kondensatora C9, który pełni rolę filtra separującego napięcie stałe, a po wzmocnieniu przez dwa szeregowo połączone wzmacniacze LMC6032 trafia na wejście komparatora LP311. W komparatorze wzmocniony sygnał wyjściowy pochodzący z odbiornika ultradźwięków jest porównywany z sygnałem wysylanej fali ultradźwiękowej. Sygnał z wyjścia komparatora przesyłany jest do wejścia procesora PIC12C508. Na wyjściu Echo Pulse Output generowany jest impuls, którego czas trwania jest zależny od czasu powrotu fali ultradźwiękowej odbitej od przeszkody.




Rys. 9. Zależności czasowe

Aby moduł zaczął działać potrzebuje krótkiego impulsu 10 μs (Rys. 8 i 9) doprowadzonego do wejścia wyzwalającego (Trigger Pulse Input), następnie przetwornik SRF04 generuje 8 impulsów o czasie trwania pojedynczego impulsu równego 40 kHz. Linia echa jest ustawiana w stan „1” (Rys. 9), sygnalizując gotowość do pracy. Procesor po wykryciu echa ustawia stan „0” na linii echa. Układ Max232 może być źródłem zakłóceń, dlatego na czas pomiaru układ ten zostaje wyłączony. Odpowiedzialny za wyłączenie układu Max232 jest kondensator C8 . Po czasie nie więcej niż 10 - 12 ms, dostrzeżone echo spowoduje, że linia echa zostanie ustawiona przez procesor w stan „0”. Po dokonaniu pomiaru układ Max232 zostaje włączony w celu dokończenia transmisji. Na wyjściu układu SRF04 otrzymujemy szerokość impulsu proporcjonalną do odległości czujnika od przedmiotu. Brak sygnału odbitego spowoduje ustawienie linii echa w stan „0” po czasie 36 ms ( jest to podwójny okres WDT - watch dog timer ).

W celu pomiaru długości trwania impulsu na wyjściu czujnika zastosowano mikrokontroler AT89S52. Jest to znana odmiana rodziny '51, która posiada wewnętrzną pamięć Flash programu, oraz ma możliwość programowania w systemie. Mikroprocesor ten również inicjuje pomiar poprzez wysłanie impulsu wyzwalającego. Po dokonaniu pomiaru czas ten (w cyklach mikroprocesora) wysyłany przez port szeregowy RS232C do komputera PC.




Rys. 10. Schemat blokowy programu mikrokontrolera sterującego AT89S52

Graficzny interfejs użytkownika




Rys.11. Widok gotowego panelu czołowego

Powyżej widać część wizualizacyjną gotowego graficznego interfejsu użytkownika. Ma ona możliwość wyboru pracy. Pierwszy tryb uruchamia nam pracę przetworników, a co za tym idzie, obliczanie odległości drogi czujnika od przeszkody.

Zadania

1. kalibracja czujnika

2. wyznaczyć charakterystykę kątową czujnika

3. zbadać różnice w odległości, w zależności od przeszkody.

---