Tải bản đầy đủ - 0 (trang)
2 Xác định khoảng cách bằng sóng siêu âm.

2 Xác định khoảng cách bằng sóng siêu âm.

Tải bản đầy đủ - 0trang

Cam biến tiệm cận siêu âm có thể phát hiện ra hầu hết các đối tượng là kim loại

hoặc không phai kim loại,chất lỏng hoặc chất rắn,vật trong hoặc mờ đục (những vật có

hệ số phan xạ sóng âm thanh đủ lớn).

2.2.2.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động cam biến siêu âm.

 Cấu tạo của cam biến tiệm cận siêu âm.

Cam biến siêu âm gồm có 4 phần chính

 Bộ phận phát và nhận sóng siêu âm .

 Bộ phận so sánh .

 Mạch phát hiện.

 Mạch ngõ ra .

Khi cam biến nhận được sóng phan hồi,bộ phận so sánh sẽ tính toán khoang

cách,bằng cách so sánh thời gian phát,nhận và vận tốc âm thanh

Tín hiệu ngõ ra có thể là digital hoặc analog. Tín hiệu từ cam biến digital báo có

hay không sự xuất hiện của đối tượng trong vùng cam nhận của cam biến.tín hiệu từ

cam biến analog chứa đựng thông tin khoang cách của đối tượng đến cam biến .

Kĩ thuật cam thuật cam biến siêu âm dựa trên đặc điểm vận tốc âm thanh là

hằng số.thời gian sóng âm thanh đi từ cam biến đến đối tượng và quay trở lại liên hệ

trực tiếp đến độ dài quang đường. Vì vậy, cam biến siêu âm thường được dùng trong

các ứng dụng đo khoang cách.

Tần số hoạt động: nhìn chung cam biến công nghiệp hoạt động với tần số là từ

25khz đến 500khz. Các cam biến siêu âm trong y khoa thì hoạt động với tần số 5mhz

trở lên. Tần số của cam biến tỉ lệ nghịch với khoang cách phát hiện của cam biến,với

tần số 50khz thì phạm vi hoạt động của cam biến có thể lên tới 10m hoặc hơn,với tần

số 200khz thì phạm vi hoạt động của cam biến giới hạn ở mức 1m.

 Nguyên lý hoạt động cam biến siêu âm.

Vùng hoạt động: là khu vực giữa 2 giới hạn khoang cách lớn nhất và khoang

cách nhỏ nhất.

22



HÌNH 2.13 Vùng hoạt đợng của cam biến siêu âm( nguồn internet)

Cam biến siêu âm có một vùng nhỏ không thể sư dụng gần cam biến gọi là khu

vực mù.



HÌNH 0.14 Khu vực mù của cam biến siêu âm( nguồn internet)

Kích thước và vật liệu của đối tượng cần phát hiện quyết định khoang cách phát

hiện lớn nhất (vật xốp
Cam biến siêu âm có thể điều chỉnh khoang cách phát hiện .

Một số dạng cam biến ngõ ra analog cho phép điều chỉnh khoang cách phát

hiện,sau một khoang xác định. Khoang cách phát hiện có thể điều chỉnh bởi người sư

dụng.

Ngoài ra để cam biến siêu âm không phát hiện đối tượng dù chúng di chuyển

vào vùng hoạt động của cam biến,người ta có thể tạo một lớp vỏ bằng chất liệu có kha

năng không phan xạ lại sóng âm thanh.

23



2.2.2.3 Nguyên tắc TOF.

Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoang 343m/s. Nếu

một cam biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phan xạ đồng thời, đo được

khoang thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng

đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ

bằng 2 lần khoang cách từ cam biến tới chướng ngoại vật, theo hướng phát của sóng

siêu âm. Hay khoang cách từ cam biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý

TOF:



Trong đó:

d : là khoang cách cần đo,

v : là vận tốc sóng siêu âm trong môi trường truyền sóng,

t : là thời gian từ lúc sóng được phát đi đến lúc sóng được ghi nhận lại.

Nguyên lý TOF (time of flight) là nguyên lý đo khoang cách bằng thời gian

truyền của sóng. Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sư dụng

sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu

khác tương đối chậm, và người ta có thể đo được khoang cách với sai số nhỏ (khoang

343m/s trong không khí). Phương pháp này không được dùng trong các thiết bị thu

nhận sóng điệntừ, vì vận tốc sóng điện từ rất cao bằng với vận tốc ánh sáng (300.000

km/s).Khoang cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật được tính bằng vận tốc của

sóng trong môi trường tương ứng nhân với một nưa thời gian truyền của sóng .



24



HÌNH 2.15 Thời gian truyền trong nguyên lý TOF

Khi sóng siêu âm phát ra và thu về, cam biến siêu âm, một cách gián tiếp cho

ta biết vị trí các chướng ngại vật theo hướng quét của cam biến. Khi đó, dường như

trên quãng đường đi từ cam biến đến chướng ngại vật, sóng siêu âm không gặp bất cứ

vật can nào, và đâu đó xung quanh vị trí mà thông số cam biến ghi nhận được, có một

chướng ngại vật. Và vì thế, cam biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình

quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm

trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó.



HÌNH 2.16 Tầm quét của cam biến siêu âm.

Như vậy, khi phát và thu về sóng siêu âm, ta ghi nhận được một vector định vị,

với hướng là hướng của cam biến và độ lớn là khoang cách từ cam biến đến chướng

25



ngại vật. Và khi đó, nếu ta nói cam biến ghi nhận một vector 100cm, theo hướng theta,

có nghĩa là trong khoang từ cam biến tới chướng ngại vật ở hướng theta dường như

không có vật can nào, và chướng ngại vật nằm ở đâu đó, cách cam biến theo hướng

phát của cam biến (theta) một khoang 100cm.

Hình 2-16 chỉ ra rằng nếu có vật can nằm trong tầm quét của cam biến siêu âm,

thì vùng quét của siêu âm có thể được phân ra làm 3 vùng. Vùng 1 là vùng phía ngoài

hình quạt, là vùng dường như có vật can nào đó.Vùng 2 là vùng gần tâm quạt, dường

như không có vật can nào. Và vùng 3 là vùng còn lại sau vật can, cho đến vị trí xa nhất

trong tầm quét của siêu âm, đây là vùng chưa biết, vì siêu âm không thể “nhìn” xuyên

qua vật can, chúng ta không xét tới vùng này.

2.2.2.4 Ưu điểm và nhược điểm cam biến siêu âm.

 Ưu điểm.

Khoang cách mà cam biến có thể phát hiện lên tới 15m Sóng phan hồi của cam

biến không phụ thuộc vào màu sắc của bề mặt đối tượng hay tính chất phan xạ ánh

sáng của đối tượng.

Ví dụ: Bề mặt kính trong suốt,bề mặt gốm màu nâu,bề mặt plastic màu trắng hay

bề mặt chất liệu nhôm sáng trắng là như nhau.

Tín hiệu đáp ứng của cam biến tiệm cận analog là tỉ lệ tuyến tính với khoang

cách.Điều này đặc biệt lí tưởng cho các ứng dụng như theo dỏi các mức vật chất,mức

độ chuyển động cua đối tượng.

 Nhược điểm.

Cam biến siêu âm yêu cầu đối tượng có một diện tích bề mặt tối thiểu(giá trị

này tùy thuộc vào từng loại cam biến).

Sóng phan hồi cam biến nhận được có thể chịu anh hưởng của sóng âm thanh

tạp âm .

Cam biến tiệm cận siêu âm yêu cầu một khoang thời gian sau mỗi lần sóng phát

đi để sẵn sàng nhận sóng phan hồi. Kết qua cam biến tiệm cận siêu âm nhìn chung

chậm hơn các cam biến khác .

26



Với các đối tượng có mật độ vật chất thấp như bọt hay vai quần áo rất khó để

phát hiện với khoang cách lớn.

Cam biến tiệm cận siêu âm giới hạn bởi khoang cách phát hiện nhỏ nhất.

Sự thay đổi của môi trường như nhiệt độ (vận tốc âm thanh phụ thuộc vào nhiệt

độ) áp suất,sự chuyển động không đều của không khí,bụi bẩn bay trong không khí gây

anh hưởng đến kết qua đo.

Nhiệt độ của bề mặt đối tượng anh hưởng đến phạm vi hoạt động của cam

biến,hơi nóng tỏa ra từ đối tượng có nhiệt độ cao làm méo dạng sóng,làm cho khoang

cách phát hiện của đối tượng ngắn lại và giá trị khoang cách không chính xác.

Bề mặt phẳng phan hồi năng lượng của sóng âm thanh tốt hơn bề mặt gồ

ghề,tuy nhiên bề mặt trơn phẳng lại có đòi hỏi khắc khe về vị trí góc tạo thành giữa

cam biến và mặt phẳng đới tượng.

2.2.3 Cam biến siêu âm SRF10.



HÌNH 2.17 Cam biến siêu âm SRF10

Thông số kỹ thuật

SRF10 – Cam biến siêu âm kích thước bé

SRF10



Giao diện



Điện áp



5V



Dòng



15mA

27



Dai tần



40KHz



Phạm vi làm việc



6cm -6m.



Tín hiệu tương tự



Biến thiên 40- 700 trong 16 bước



Đầu nối



Bus tiêu chuẩn I2C.

Tín hiệu về trong toàn thời gian làm việc, quan lí chức



Định thời



năng tự do.



Đơn vị



uS, mm hoặc inches



Kích thước



32mm x 15mm x 10mm



Giao tiếp giữa cam biến siêu âm SRF 10 là thông qua bus tiêu chuẩn I2C. Giao

tiếp này phổ biến trong các vi điều khiển như OOPic , Stamp BS2p cũng như hầu hết

các vi điều khiển khác. Đối với cam biến SRF 10 địa chỉ kết nối I2C là 0xE0 .

 Kết nối thiêt bị.

Các kết nối thiết bị ngoài với cam biến SRF 10 bao gồm: chân nguồn dương

+5v, chân âm và 2 chân I2C( SDA và SCL) ngoài ra còn có chân khơng kết nới( chân

này chưa được sư dụng đến).



HÌNH 2.18 Sơ đồ kết nối SRF10

 Registers( đăng ký).

SRF10 xuất hiện như là một tập của 4 Registers.

28



Location



Read



Write



0



Software



Command



Revision



Register



Unused



Max Gain



(reads 0x80)



Register (default



1



16)

2



3



Range High



Range Register



Byte



(default 255)



Range Low



N/A



Byte

Chỉ địa điểm 0, 1 và 2 có thể được ghi vào. Điạ chỉ 0 là lệnh của registers được

sư dụng để bắt đầu một phiên ban khác. Nhưng trong đề tài này chúng ta chỉ quan tâm

đến địa chỉ 2 và 3. Địa điểm, 2 và 3 là 16 bit tín hiệu gồm có 8 bit cao và 8 bit thấp

dùng để đọc giá trị đầu vào mà cam biến thu nhận được.

 Command ( lệnh chuyển đổi).

Có ba lệnh để bắt đầu một đơn vị khác nhau (80-82), để tra về kết qua theo

inch, cm hoặc micro. Ngoài ra còn có mợt bợ các lệnh để thay đổi địa chỉ I2C.Theo

bang sau.

Command

Thập

phân



Hex



Hành động



80



0x50



Xếp loại Mode - Kết qua inch



81



0x51



Xếp loại Mode - Kết qua cm



82



0x52



Xếp loại Mode - Kết qua mocro-giây



….



…..



160



0XA0



1 theo thứ tự để thay đổi địa chỉ I2C



165



0xA5



Thứ 3 trong thứ tự để thay đổi địa chỉ I2C

29



……………………….



170



0xAA



Thứ 2 trong chuỗi để thay đổi địa chỉ I2C



 LED.

Các đèn LED màu đỏ được sư dụng để flash ra một mã số cho các địa chỉ I2C

về nguồn. Một flash dài tiếp theo là một số nhấp nháy chỉ ra địa chỉ của nó đã kết nối.

Các nhấp nháy được chấm dứt ngay lập tức đưa một lệnh SRF10 vào vi điều khiển.

2.3 Phần mềm matlab ứng dụng xử lý ảnh.

2.3.1 Khái niệm MATLAB.

Matlab-matrixlaboratory là chương trình phần mềm do tập đoàn MatlapWorks

phát triển , trợ giúp cho việc lập trình tính toán có hỗ trợ giao diện cực mạnh, có thể

chạy trên hầu hết các



hệ máy tính từ máy tính cá nhân đến các hệ máy tính



lớn(supercomputer).

Phần tư cơ ban trong Matlab là mang và ma trận. Các câu lệnh trong Matlab

được viết tương tự như cách mơ ta các tính tốn kỹ tḥt bằng cơng thức tốn học, vì

thế viết chương trình bằng ngôn ngữ matlab nhanh hơn và đơn gian hơn so với các

ngôn ngữ lập trình cấp cao khác như Pascal, C, C++,…. Đồng thời ở một mức nào đó

Matlab còn cho phép người sư dung có thể truy xuất và làm việc trực tiếp với các ngôn

ngữ C,C++ …điều này đem lại thuận lợi cho người sư dụng Matlab.

2.3.2 Giao diện trong Matlab.

Khởi động chương trình Matlab ta được cưa sổ giao diện như hình sau:



30



HÌNH 2.19 Giao diện Matlab

Cưa sổ Command Window là cưa sổ giao tiếp chính của Matlab. Tất ca cơng

việc tính tốn hay lập trình, sư dụng các hàm dựng sẵn trong thư viện hoặc các hàm tự

tạo đều làm việc trên cưa sổ này.

Cưa sổ Workspace: là cưa sổ thể hiện các biến đang sư dụng trong quá trình sư

dụng, dưới dạng mang (array),cấu trúc ( struct),…tùy theo tính chất của biến. cưa sổ sẽ

tự động xóa toàn bộ dữ liệu bên trong nó mỗi lần tắt chương trình.

Cưa sổ Command History : là cưa sổ lưu lại tất ca các dòng lệnh được gõ vào

trong cưa sổ Command Window và cho phép thực hiện lệnh đó một lần nữa bằng cách

nhấp đôi cḥt vào dòng lệnh trên cưa sổ này. Sau mỗi lần tắt máy,cưa sổ này vẫn

không mất dữ liệu bên trong nó.

2.3.3 Kha năng và ứng dụng của Matlab.

Matlab được điều khiển bằng tập lệnh, tương tác bằng bàn phím trên cưa sổ

điều khiển. Đờng thời, Matlab còn cho phép kha năng lập trình với cú pháp thông dịch

lệnh hay còn gọi là script file.

Matlab còn rất cơng hiệu trong việc trợ giúpthao tác và truy xuất đồ họa trong

2D và 3D, kha năng tạo hoạt canh cho việc mô ta bài tốn mợt cách sinh đợng.



31



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

2 Xác định khoảng cách bằng sóng siêu âm.

Tải bản đầy đủ ngay(0 tr)

×