Микропроцессорный ультразвуковой дальномер

ВВЕДЕНИЕ

Важнейшая задача, которая стоит перед обществом в настоящее время - это создание новых и совершенствование существующих технологий для удовлетворения растущих потребностей промышленного производства и потребителей. С момента своего появления в середине XX века ультразвуковые (УЗ) технологии, основанные на использовании энергии УЗ колебаний, почти сразу заняли прочное место среди «интеллектуальных» или «высоких» технологий, так как позволили интенсифицировать, усовершенствовать большое количество технологических процессов при помощи оборудования, которое не требует специальных условий применения, характеризуется небольшими массогабаритными показателями, малым энергопотреблением и достаточно высоким КПД.
Теоретические и экспериментальные исследования по вопросам технологического применения ультразвука, выполненные в последние годы как в нашей стране, так и за рубежом, создали необходимые условия для разработки и производства ультразвукового оборудования различного назначения, а серийный выпуск ультразвуковых генераторов и электроакустических преобразователей обеспечил внедрение ультразвука в различные отрасли народного хозяйства.
Область технологического применения ультразвука охватывает практически все процессы, начиная от заготовительных и кончая сборкой, консервацией и расконсервацией изделий. Особый интерес представляет применение ультразвука на транспорте и в транспортном машиностроении, что определяется повышенными требованиями к надёжности ответственных деталей и узлов и безопасностью транспортных машин в целом.
С помощью акустических колебаний ультразвуковой частоты может производится как очистка изделий в различных производствах, обработки твердых и хрупких материалов, трудно обрабатываемых другими способами, так и сварка металлов, пластмасс и различных синтетических материалов, ультразвуковая пайка и лужение материалов с окисными пленками и керамики. Одной из важнейших сфер применения ультразвука являются измерительные технологии.
Ультразвуковые дальномеры успешно применяются в различных отраслях промышленности и используются для измерения расстояния. В настоящее время они востребованы на рынке, поэтому постоянно идет исследование методов и средств повышения технических характеристик данных устройств. С развитием техники методы приобретает характерный набор своих технических реализаций, которые в каждом конкретном случае имеют как преимущества, так и недостатки.
Ультразвуковые дальномеры, являющиеся технической реализацией акустического метода, все шире используются в различных областях, что связано с их достоинствами, к которым относятся:
- отсутствие движущихся элементов на первичном преобразователе;
- высокое быстродействие, что позволяет измерять резкие перепады уровней;
Повышение точности и обеспечение единства измерений относится к числу актуальных задач метрологии.
Практическая значимость работы заключается в разработке устройства и алгоритма измерения расстояния, позволяющим компенсировать изменение параметров среды в ходе измерений. При этом спроектированную систему при необходимости можно при минимальных вложениях времени и средств модифицировать, что позволит применять устройство при различных требованиях.
Целью данного курсосого проекта является: Разработка устройства ультразвукового измерения расстояния.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
 провести анализ существующих методов измерения, схем ультразвуковых дальномеров и факторов, влияющих на метрологические характеристики;
 провести анализ способов расширения диапазона показаний и снижения погрешности измерения расстояния УЗ дальномеров;
 рассмотреть алгоритмы и схемы позволяющие реализовать данные методы повышения метрологических характеристик;
 разработать структурную и принципиальную схемы устройства УЗ измерения расстояния на основе рассмотренных методов;
 разработать программное обеспечение для реализации разработанных алгоритмов;
 
1. АНАЛИЗ МЕТОДИКИ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ ПРИ ПОМОЩИ УЛЬТРАЗВУКА
1.1 Ультразвуковой метод измерения расстояния
Ультразвуковые методы измерения расстояния связаны с про¬цессами излучения, распространения зондирующих ультразвуковых колебаний в контролируемой среде, приема ультразвуковых сигналов и последующей их обработки. В связи с тем, что основой для формирования измерительной информации является скорость распространения ультразвуковых колебаний, перейдем к оценке этой величины.[1]
Ультразвуковой метод (УЗ-метод) измерения расстояния получил широкое распространение в промышленности и в различных технологиях. Это объясняется тем, что УЗ-метод обеспечивает бесконтактное измерение расстояния агрессивных и взрывоопасных сред при высоких температурах и давлениях, что очень важно для нефтегазового комплекса, который имеет дело в основном со взрывоопасными и легковоспламеняющимися веществами и газами.
Разрабатываемое устройство реализовано с помощью ультразвукового датчика, который измеряет расстояние, затем, с помощью аналогово¬цифрового преобразования (АЦП) формирует полученную информацию в код. С помощью этого кода программа рассчитывает дистанцию, которая затем выводится на дисплей. Состоит датчик из двух мембран, одна из которых генерирует направление звуковой волны, а другая принимает отображенное от цели эхо. Звуковой генератор (сенсор) излучает ультразвуковой импульс с некоторым периодом и запускает таймер. Вторая мембрана регистрирует эхо от объекта и останавливает таймер[7]. Принцип работы датчик показан на рисунке 1.1
Расстояние можно высчитать по времени таймера, который замеряет сколько времени прошло с момента отправки импульса и получения эха и скорости звука в воздухе по формуле:


где S - расстояние от сенсора до объекта.
tBy - время, за которое сенсор считывает эхо.
V3B- скорость звука в воздухе.
Таким образом, сенсор принимает сигнал эха и выдает значение расстояния, которое кодируется длительностью электрического сигнал на выходе датчика. Излучение следующего импульса возможно только после считывания эха от предыдущего, по этой причине рекомендованный производителем период между импульсами должен быть не менее 50 мс.

Рисунок 1.1 – Методика УЗ измерения расстояния

По полученным сигналам с пьезопреобразователей рассчитываются: время прохождения сигнала от ПЭП 1 до ПЭП 2, и значение частоты выходного сигнала, пропорционального расстоянию.
Ультразвуковые приборы отличаются простотой устройства и удобством эксплуатации, они пригодны практически для любых сред, и в том числе агрессивных, взрывоопасных, сильно загрязненных, а также для сыпучих тел; допускают работу в ши¬роком диапазоне температур при больших давлениях, вибрацион¬ных и ударных нагрузках; обладают высокой надежностью, безот¬казностью работы в длительный промежуток времени и достаточно высокой точностью.

1.2 Теоретические проблемы примирения УЗ методов измерения и определение задач исследования
Автоматизация производственных процессов в различных отраслях промышленности выдвигают разнообразные задачи по измерению различных параметров жидких и сыпучих сред. Это приводит к необходимости разработки новых и совершенствования существующих методов измерения расстояния и других параметров жидких и сып