Инфракрасные и ультразвуковые сенсоры

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Республики Беларусь

Учреждения об образовании

«Минский государственный высший радиотехнический колледж»

Доклад на тему:

«Инфракрасные и ультразвуковые сенсоры»

Докладчики:

Учащиеся 3 курса гр.12791

Потеруха В.С.

Васин Д.С.



Содержание

1. Ультразвуковые датчики

2. Инфракрасные датчики



1. Ультразвуковые датчики

Ультразвуковые датчики. Общие сведения. Принцип действия.

Звук с частотой более чем 20 кГц не воспринимается человеческим слухом. Подобные звуки называют ультразвуками. Акустика ультразвуковых частот движется со скоростью 344 м/с в воздушной среде - равно как и слышимый звук. Оценивая скорость звука и его рабочий цикл, можно определить точное расстояние до предмета. Ультразвуковые датчики работают с пьезоэлектрическим преобразователем, который является как звуковым излучателем, так и приемником.

Преобразователь посылает пакет звуковых импульсов и преобразовывает импульс эха в напряжение. Интегрируемый контроллер вычисляет расстояние по времени эха и скорости звука. Длительность излучаемого импульса Дt и время затухания t_зат. звукового преобразователя являются причиной для формирования слепой зоны, в которой ультразвуковой датчик не может обнаружить предмет. Ультразвуковая частота находится между 65 кГц и 400 кГц, в зависимости от типа датчика; частота следования импульсов между 14 Гц и 140 Гц.

Рисунок 1 - График ультразвуковой волны



Активный диапазон ультразвукового датчика обозначается как рабочий диапазон обнаружения. Диапазон обнаружения - расстояние, в пределах которого ультразвуковой датчик обнаруживает объект, независимо от того, приближаются ли эти объекты к чувствительному элементу в осевом направлении или двигаются через звуковой конус в поперечном направлении

Принцип действия

Ультразвуковой датчик вычисляет время, которое требуется звуку для движения от датчика до объекта и назад на датчик (диффузионный режим работы) или проверяет, был ли получен посланный сигнал отдельным приемником (оппозитный режим работы).

Оппозитный режим работы

Рисунок 2 - Оппозитный режим работы

Передатчик и приемник являются отдельными устройствами и монтируются друг напротив друга. Выход выключателя активизируется, если ультразвуковой пучок прерывается объектов.

Особенности:

- Широкий диапазон, так как ультразвуковой пучок проходит сигнальное расстояние один раз;

- Менее восприимчив к интерференции, подходит для работы в трудных условиях;

- Очень быстрые переключения;

- Повышенная стоимость монтажа, так как должны быть подключены два датчика (Излучатель и Приемник).

Диффузионный режим работы

Рисунок 3 - Диффузионный режим работы

Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Это минимизирует стоимость монтажа, так как необходимо монтировать и подключить только один прибор. Время срабатывания дольше, чем у датчиков в оппозитном режиме. ультразвуковой датчик рефлекторный оппозитный

Переключающий выход. Точка переключения

У датчиков с двумя независимыми точками переключения каждый выход становится активным, когда объект находится в диапазоне переключения 1 и 2. Эти точки переключения могут быть произвольно настроенными в рабочем диапазоне.

Двоичное обнаружение предмета

Рабочий цикл звуковых импульсов определяет расстояние до объекта. Точка переключения или окно переключения определяется с точностью до миллиметра позиционирования посредством предварительной обучающей настройки или программирования. Расстояние до объекта от датчика, сравнивается с точкой переключения или окном переключения, выходные переключатели включаются или выключаются в зависимости от результата этого сравнения.

Рисунок 4 - Двоичное обнаружение предмета

При обучающей настройке датчика с помощью двух потенциометров, кнопок или программатора (в зависимости от модели датчика) устанавливаются начало первого диапазона переключения 1 и конец второго диапазона переключения 2. Конец диапазона переключения 1 одновременно является началом диапазона переключения 2.

Контроль области

Ультразвуковой датчик контролирует оценочное окно. Выход переключается только в том случае, если объект обнаружен в окне. Эха, кроме эх из оценочного окна, игнорируются программным обеспечением датчика.

Рисунок 5 - Контроль области

Особенности:

- Диапазон обнаружения зависит от свойств поверхности и угла падения на объект;

- Простая установка, полноценный датчик в одном блоке

Как правило, обнаружение объектов представлено двоичным сигналом в переключающем выходе, или аналоговым сигналом расстояния в аналоговом выходе (4…20 мА или 0…10В).

Рефлекторный режим работы

Рисунок 6 - Рефлекторный режим работы



Излучатель и приемник устанавливаются в одном и том же корпусе. Ультразвуковой луч отражается назад на приемник от фона (рефлектора). Объекты, входящие в диапазон обнаружения, обнаруживаются:

- путем изменения в измеряемом расстоянии;

- путем потери в отраженном сигнале из-за поглощения или отражения;

Выход ультразвукового датчика включается в следующих случаях:

- Датчик получает эхо от маленького объекта в звуковом конусе и от опорного рефлектора;

- Датчик обнаруживает большой объект и больше не получает эхо от опорного рефлектора;

- Датчик не получает эхо, так как наклонный предмет отклоняет звук.

Положение опорного рефлектора не должно изменяться.

Особенности:

- Высокая надежность обнаружения сложных объектов (звукопоглощающие предметы или предметы с угловыми поверхностями),

- Менее восприимчивы к интерференции; подходят для применения в трудных рабочих условиях.

Воздействие окружающей среды

Температура и влажность воздуха

Оба параметра влияют на скорость звука. Увеличение температуры воздуха на 20 ^oС изменяет расстояние срабатывания от +3 % до +8 %, при этом расстояние до объекта кажется меньшим. С ростом влажности воздуха скорость звука повышается также примерно на 2 % для насыщенного влагой воздуха по отношению к сухому.

Давление воздуха

Обычные колебания атмосферного давления +/-5% на фиксированном месте вызывают изменение расстояния срабатывания примерно на +/-0,6 %.

Воздушные течения

Воздушные течения влияют на скорость звука. Влияние скоростей потоков до 10 м/с на работу датчиков пренебрежимо мало. При наличии турбулентности, например, над раскаленным металлом применение ультразвуковых датчиков не рекомендуется. Сдвиги звуковых волн могут привести к нерегистрируемым эхосигналам.

Атмосферные осадки и влажность

Дождь или снег при нормальной плотности осадков не оказывают влияния на работу.

Объекты

С помощью ультразвуковых датчиков могут определяться твердые, жидкие, зернообразные и порошкообразные объекты.

Объекты, величина шероховатости поверхности, которых превышает 0,15 мм, имеют преимущество в том, что их поверхность не должна быть направлена точно на сам датчик, однако для них рабочий диапазон уменьшается.

Окраска объекта не оказывает никакого влияния на расстояние срабатывания; также прозрачные объекты из стекла или оргстекла определяются надежно. Температура объекта влияет на рабочий диапазон: горячие поверхности отражают звук хуже, чем холодные.

Поверхности жидкостей отражают звук подобно твердым, гладким телам. Следует обращать внимание на правильную ориентацию датчика. Ткани, поропласты, вата и др.поглощают звук. Рабочий диапазон, поэтому становится меньше.

Взаимное влияние

При применении нескольких ультразвуковых датчиков следует учитывать их взаимное влияние друг на друга. Для его исключения можно применять синхронизацию датчиков, мультиплексный режим их работы или обеспечивать минимально допустимое расстояние между датчиками.

Синхронизация ультразвуковых датчиков

Синхронизация ультразвуковых датчиков обеспечивает одновременное излучение приборами ультразвуковых импульсов. Для исключения взаимных помех синхронизацию следует рекомендовать только в том случае, когда датчики установлены рядом друг с другом и излучают примерно в одном направлении. В результате синхронизации несколько датчиков представляются как бы одним датчиком с расширенным конусом излучения. Если включается синхронизируемый ультразвуковой датчик, то определяемый объект перед включенным датчиком может находиться и перед другим синхронно работающим с первым датчиком. Типичным применением синхронизации ультразвуковых датчиков является измерение уровня жидкостей с более чем двумя точками переключения.

Мультиплексный режим работы ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики, которые излучают импульсы поочередно, работают полностью независимо друг от друга, поэтому их взаимное воздействие исключается. Чем больше датчиков работает в мультиплексном режиме, тем ниже частота коммутации.

Ультразвуковые дальномеры

Принцип действия

Ультразвуковые дальномеры действуют по тому же принципу, что и эхолоты. Встроенный источник испускает сигнал, а вмонтированный в этот же корпус приемник улавливает волны, отраженные от различных препятствий. Далее прибор анализирует временной интервал между двумя «событиями» и выдает сведения о расстоянии в виде цифровой записи на дисплее.



Рисунок 7- Схема УЗ детектора препятствий

Датчики фирмы Polaroid очень удобны для использования в роботах с целью определения расстояний. Устройство способно измерять расстояния до 10 м. При использовании сервомотора или шагового двигателя устройство можно поворачивать на манер радара для составления навигационной карты или обнаружения свободного прохода.

При каждом включении УЗ преобразователь фирмы Polaroid издает слышимый щелчок. Эти постоянные щелчки, исходящие от датчика, кажутся мне раздражающими. Хотя модуль функционирует в ультразвуковом диапазоне, начальный процесс возбуждения УЗ излучателя сопровождается слышимыми звуками.

Относительно легко создать УЗ систему избегания столкновений, которая, будучи полостью ультразвуковой, работает «тихо». Основная схема повторяет схему избегания столкновений на ИК лучах, с тем отличием, что мы используем звук вместо света. На рис. 7 показана функциональная схема устройства. Передатчик посылает сигнал 40 кГц в УЗ преобразователь (излучатель). Другой преобразователь (приемник) расположен рядом с излучателем передатчика. Когда робот приближается к стене или препятствию, сигнал 40 кГц отражается и попадает в приемник, что вызывает повышение амплитуды его выходного напряжения. Когда напряжение превысит пороговое значение, компаратор перебросится в другое состояние, сигнализируя о наличии препятствия.

УЗ приемный блок

УЗ приемный блок (см. рис. 8) используется для точной настройки передатчика. Дело в том, что УЗ преобразователи имеют резонансную частоту 40 кГц. Если частота отличается от резонансной (±750 Гц), то эффективность преобразователя резко падает. Точная настройка преобразователя на максимум резонанса не составляет трудности, если вы воспользуетесь процедурой, описанной ниже. Для этого потребуется авометр, измеряющий постоянный ток, со шкалой 2 В.

Рисунок 8 - Схема УЗ приемника



Поскольку преобразователи имеют очень узкую полосу пропускания, (резонанс лежит около частоты 40 кГц), использование петли ФАПЧ (ИС LM567) не является необходимым. Сам преобразователь подавляет сигналы вне его частотного диапазона.

В приемном блоке использован ОУ КМОП-структуры. Цоколевка корпуса усилителя с 8 выводами аналогична универсальной ИС типа 741 (но не является заменой ОУ 741). ОУ включен в схему с инвертированным входом и имеет коэффициент усиления порядка 22.

УЗ передающий блок

УЗ передающий блок выполнен на ИС КМОП-структуры типа 555, включенной в режиме генерации. Для точной подстройки частоты использован подстроечный резистор R2 4,7 кОм (см. рис. 9).

Рисунок 9 - УЗ передающий блок

2. Инфракрасные датчики

Амплитуда модулированного сигнала показывает расстояние между объектом и датчиком.

Инфракрасный (ИК) датчик расстояния может обнаруживать присутствие объекта, его расстояние от заданной точки, или обе эти величины. Датчики применяются для измерения скорости, определение положения руки в автоматических моечных устройствах, для автоматического подсчета или обнаружения объектов на конвейерных лентах, и обнаружения края бумаги в принтерах. Новейшие поколения смартфонов, например, могут выключать сенсорный экран ЖКИ, чтобы предотвратить случайную активацию кнопок, когда смартфон находится около подбородка или около уха.

Для обнаружения объекта, датчик расстояния излучает импульсы инфракрасного света в сторону объекта и, затем, переходит в режим "слушания", чтобы обнаружить отраженные обратно импульсы. Инфракрасный светодиод излучает инфракрасный сигнал, а инфракрасный фотодетектор обнаруживает отраженный сигнал. Амплитуда этого отраженного сигнала, обычно обратно пропорциональна расстоянию от объекта до инфракрасного приемопередатчика. Поскольку ИК сигнал имеет большую амплитуду, когда объект находится ближе, то можно откалибровать фотодиодный детектор для более точного определения предельного расстояния до объекта. Предельное расстояние является порогом для определения присутствия объекта.

Рисунок 10 - Схема ИК-передатчика



Передатчик использует ИС таймер типа 555 в режиме генерации. Переменный резистор R1 регулирует частоту выходных импульсов. Выход таймера соединен с NPN транзистором типа 2N2222, в эмиттерную цепь которого включен ИК светодиод. Обратите внимание, что при работе схемы диод светиться не будет, т. к. ИК излучение невидимо для человеческого глаза. Поскольку мы конструируем простой детектор препятствий, модуляция несущей 40 кГц не требуется.

Фотодиод чувствителен не только к ИК-излучению, отраженному от объекта, но также и к излучению, отраженному от окружающих предметов. Для предотвращения ложных срабатываний следует отфильтровывать этот ИК-шум. Общим методом является модуляция излучения ИК-светодиода с удобной частотой и, затем, детектирование только модулированного ИК излучения, которое можно идентифицировать, как отражение от объекта.

Рисунок 11 - Схема ИК приемника

Приемный модуль представляет собой Модуль-приёмник, имеющий центральную частоту и ширину полосы пропускания. Выход модуля представляет собой выход низкого уровня. Это означает, что при обнаружении сигнала выход «садится» на землю. Такой выход эквивалентен выходу на транзисторе NPN структуры с открытым коллектором. Ток выхода достаточен для зажигания светодиода. В тестовой схеме наличие сигнала вызовет зажигание светодиода.

Центральная частота - частота, на которой работает система, эта частота является несущей для всех сигналов, передаваемых от передатчика TX к приемнику RX. У различных классов систем несущие частоты отличаются.

Полоса пропускания (прозрачности) -- диапазон частот, в пределах которого амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) акустического, радиотехнического, оптического или механического устройства достаточно равномерна для того, чтобы обеспечить передачу сигнала без существенного искажения его формы.

Стоит заметить в качестве приёмника можно использовать и фототранзистор, чувствительный к диапазону длин волн, испускаемых передатчиком. Но для уменьшения шума потребуется будет светофильтр. Получая аналоговый сигнал и пропуская его через компаратор получать цифровой сигнал. Который обрабатывается микроконтроллером или процессором.



Рисунок 12 - ИК-датчик расстояния обнаруживает объект, принимая отражённое от него излучение.

Данная дизайн-идея описывает ИК-датчик расстояния с простейшими передатчиком приемником (рис.9). В качестве передатчика используется ИК-светодиод IR11-21C на длину волны 940-nm компании Everlight, излучение, которого модулируется генератором с частотой 10 кГц. Изменяя ток через светодиод, можно регулировать уровень мощности излучения, а, следовательно, и предельное измеряемое расстояние. Для экономии электроэнергии, коэффициент заполнения излучаемых импульсов составляет примерно 10%.

Схема приемника демодулирует и усиливает ИК-сигнал, который поступает на фотодиод PD15-22C компании Everlight; максимум спектральной чувствительности фотодиода, также, приходится на длину волны 940 nm. Со светодиода сигнал через фильтр поступает на неинвертирующий вход операционного усилителя. Этот фильтр пропускает сигнал частотой 10 кГц, но задерживает сигнал частотой меньше 300 Гц, предотвращая попадание на вход ОУ медленно меняющегося шумового потенциала и сигнала от фоновой ИК-засветки.

Низкий уровень шума, широкая полоса пропускания, и широкий диапазон входного и выходного напряжений, (от отрицательного напряжения питания до положительного напряжения питания), делают операционный усилитель хорошим выбором для функции демодулятора и усилителя в данной схеме.

Рисунок 13.

Кроме того, нечувствительность к РЦ-помехам предотвращает от появления раздражающего звукового сигнала частотой 217 Гц от близкорасположенных сотовых телефонов стандарта GSM. В ИК-приемнике операционный усилитель работает как полосовой фильтр второго порядка с центральной частотой 10 кГц и коэффициентом усиления равным 100. Таким образом, операционный усилитель усиливает поступающий на него с ИК-приемника сигнал и, затем, демодулирует его с помощью полосового фильтра.

Рисунок 11.

При отсутствии на входе сигнала с ИК-приемника, на выходе операционного усилителя присутствует постоянное смещение величиной 2,5 В. При наличии ИК-сигнала частотой 10 кГц, его выходное напряжение отклоняется от значения 2,5 В с динамическим диапазоном, примерно, 5 В. На выходе схемы установлен простейший диодный детектор, который выпрямляет сигнал частотой 10 кГц и выдает сигнал постоянного тока, по амплитуде пропорциональный входному сигналу. Этот аналоговый выходной сигнал пропорционален расстоянию от объекта до ИК-приемопередатчика. Далее его можно преобразовать в цифровую форму с помощью АЦП и передать на дальнейшую обработку.

На рис.10 показана работа схемы (с тремя контрольными точками) при расстоянии от объекта до приемопередатчика 1,2 и 1,4 дюйма. Номера контрольных точек на рис.10 соответствуют номерам осциллограмм на рис.11.

Принципы работы ИК дальномеров

Иллюстрация, поясняющая метод определения расстояния дальномерами Sharp

Представленная линейка GP2DXX дальномеров Sharp, была разработана не только для обнаружения объектов на дальних расстояниях, но и для предоставления данных о расстоянии.

Для определения расстояния либо просто наличия объекта в поле зрения сенсора используется метод триангуляции и малая линейная CCD матрица.

Основная идея в следующем. Импульсы ИК излучения испускаются излучателем. Это излучение распространяется и отражается от объектив находящихся в поле зрения сенсора. Отраженное излучение возвращается на приемник. Испускаемый и отраженный лучи образуют треугольник «излучатель -- объект отражения -- приемник».

Угол отражения напрямую зависит от расстояния до объекта. Полученные отраженные импульсы собираются высококачественной линзой и передаются на линейную CCD матрицу. По засветке определенного участка CCD матрицы определяется угол отражения и высчитывается расстояние до объекта.

Рисунок 12- Иллюстрация, поясняющая метод определения расстояния дальномерами Sharp.



Этот метод более защищен от эффектов интерференции излучения и разной отражающей способности поверхностей, выполненных из различных материалов и окрашенных в различные цвета. Например, стало возможно определение черной стены при ярком освещении.

Нелинейный выход

Выходная характеристика детекторов нелинейно (см. рисунок 13) зависит от измеренного расстояния.

Рисунок 13- Выходная характеристика дальномеров Sharp

График изображает типичную выходную характеристику дальномеров Sharp.

Следует обратить внимание на две вещи:

§ Выходная характеристика дальномера (дистанция 10 см -- 80см) нелинейна и близка к логарифмической. Эта кривая незначительно отличается от дальномера к дальномеру, поэтому можно «нормализовать» характеристику с помощью таблицы или функции. В этом случае, вы можете калибровать каждый дальномер, получая в результате линейную характеристику, независящую от дальномера к дальномеру.

§ В случае если дистанция меньше минимально измеряемой (на графике это 10 см) характеристика падает очень быстро и возникает впечатление что измерено далекое растояние. Это может ввести в заблуждение и даже повредить вашего робота, если он двигается с высокой скоростью. Простейший способ этого избежать -- устанавливать дальномер на робота с учетом длины робота.

Рисунок 14 - Пример перекрестной установки дальномера для компенсации минимального ограничения измерения.

Нормализация нелинейности выхода

Выходная характеристика дальномеров нелинейно зависит от измеренного расстояния. Нужно найти функцию для преобразования напряжения на аналоговом выходе дальномера (Вольты) в расстояние (то есть сантиметры или дюймы).



Рисунок 15 - Выходная характеристика дальномеров

Можно пойти двумя путями: создать таблицу значений или написать функцию преобразования.

Рассмотрим второй путь, так как он дает более приближенные к действительности значения. При решении данной задачи мы сталкиваемся с проблемой, что необходимо проводить операции с плавающей запятой. Поэтому для упрощения расчетов применим линейное преобразование выходной характеристики.

На основании страницы 10 Sharp Device Specification для GP2D120 график характеристики следует преобразовать по формуле

где V -- напряжение, результат АЦП преобразования;

R -- расстояние;

k = 0,42 константа для GP2D120.

Уравнение как результат дает прямую линию. Операция деления выпрямляет характеристику. Константа в функции зависит от модели дальномера. k = 0,42 -- это константа для GP2D120, но это же значение может быть применено и для других моделей. Поэтому первым шагом для хорошей функции преобразования необходимо экспериментальным путем определить константу k. На рисунке ниже представлен график для GP2D12 с k = 4.0.

Рисунок 16

Следующим шагом сведем полученную приближенно линейную характеристику с формулой линейного уравнения.

В этом случае y соответствует линейному расстоянию, заменяем в функции y и x

Преобразовываем для получения функции расстояния от напряжения



Результат содержит операции с плавающей запятой, от которой нам надо избавится:

где и . После чего мы можем применять формулу в целочисленных расчетах.

Пример применения для 10 bit АЦП (0..1023) и GP2D12:

Где m' = 6787, b' = ? 3 и k = 4. Необходимо проверить значение V для предотвращения деления на 0, V должен быть больше b'. Для данной формулы V должен быть больше 3.

С 10-bit целым, напряжение для GP2D12 изменяется от 80 при отсутствии препятствий до 0 если объект прямо перед GP2D12.

Этот подход работает и для других дальномеров. После подбора константы для GP2D120 формула будет выглядеть так:

(для опорного напряжения 5 вольт)

(для опорного напряжения 2.56 вольт)

Так как это целочисленная математика то результат получаем в сантиметрах, что более дружелюбно, чем результат АЦП преобразования.

Диаграмма направленности

Диаграмма направленности для этих всех моделей дальномеров Sharp довольно схожа. В основном, диапазон измерений колеблется от 10 см до 80 см, а «угол зрения» таков, что его можно представить примерно в виде конуса с диаметром в средней его части около 16 см(по другим документам 6см для GP2D12 и 12см для GP2Y0A21). В связи с тем, что диаграмма направленности достаточно узкая, рекомендуется установка дальномера на вращающуюся платформу с сервомашинками для сканирования окрестностей. Это позволяет расширить угол обзора и исследовать пространство более детально. Дальномер будет вращаться на манер радара, сообщая о наличии объектов в определенном секторе на определенном удалении от платфоромы.

При использовании дальномеров в роли бампера необходим наиболее широкий луч излучения для охвата наибольшей зоны перед роботом. Типовое решение -- это применение 2х дальномеров, установленных перекрестно (см. рисунок ниже). Наиболее часто применяется для этой цели GP2D15.

Рисунок 17 - Диаграмма направленности

В зависимости от типа используемого дальномера, выход с них можно объединять для экономии портов ввода-вывода на микропроцессоре.

Размещено на Allbest.ru