Download - Ultrasonic Sensors
Ultrasonic sensorsUltrasonic sensors
ĐoĐoààn Hin Hiệệpp
NNộội dungi dung
Cơ sCơ sởở vvậật lý siêu âmt lý siêu âmCơ sCơ sởở thithiếết bt bịị siêu âmsiêu âmCCảảm bim biếến siêu âm đo khon siêu âm đo khoảảng cng cááchchMMộột st sốố loloạại ci cảảm bim biếến siêu âmn siêu âm
Cơ sCơ sởở vvậật lý siêu âmt lý siêu âm
SSóóng âmng âmMôi trưMôi trườờng truyng truyềền sn sóóngngTTầần sn sốố, , bưbướớc sc sóóng vng vàà ttốốc đc độộTương tTương táác cc củủa siêu âma siêu âmCưCườờng đng độộTTíính tonh toáán suy gin suy giảảmmĐo khoĐo khoảảng cng cááchch
TTầần sn sốố, , bưbướớc sc sóóng vng vàà vvậận tn tốốcc
m 01.0000.40
/343
1.
≈=
===
=
Hz
sm
kfc
f
c
khongkhiλ
ρβ
ρλ
λ
Tương tTương táác cc củủa siêu âma siêu âm
PhPhảản xn xạạTTáán xn xạạKhKhúúc xc xạạNhiNhiễễu xu xạạGiao thoaGiao thoaSSựự hhấấp thp thụụĐĐộộ suy gisuy giảảmm
PhPhảản xn xạạ
TrTrởở khkhááng âmng âmHHệệ ssốố phphảản xn xạạSSựự ccấấu thu thàành mnh mặặt phân ct phân cááchchTTíín hin hiệệu phu phảản xn xạạPhPhảản xn xạạ khukhuếếch tch táánn
TrTrởở khkhááng âmng âm
ρβ
ρ
ρ
==
=
kc
cZ
1
. NNếếu tru trởở khkhááng âm cng âm củủa a mmộột môi trưt môi trườờng ging giốống ng như trong môi trưnhư trong môi trườờng ng khkháác, âm sc, âm sẽẽ đư đượợc c truytruyềền tn từừ môi trư môi trườờng ng nnàày sang môi trưy sang môi trườờng ng kia. Skia. Sựự khkháác nhau cc nhau củủa a trtrởở khkhááng âm hai môi ng âm hai môi trưtrườờng gây ra hing gây ra hiệện n tưtượợng mng mộột pht phầần âm n âm thanh bthanh bịị phphảản xn xạạ ttạại i mmặặt phân ct phân cááchch
HHệệ ssốố phphảản xn xạạ
HHệệ ssốố phphảản xn xạạ
HHệệ ssốố truytruyềền quan qua
100)(
)(%
)(
)(
212
212
212
212
R
ZZ
ZZR
ZZ
ZZa
+−
=
+−
=
100)(
4%
)(
4
212
12
212
12T
ZZ
ZZT
ZZ
ZZa
+=
+=
Đầu dò
%R
%T
SSựự ccấấu thu thàành mnh mặặt phân ct phân cááchch
PhPhầần trăm phn trăm phảản xn xạạ khi skhi sóóng âm đi tng âm đi từừ môi trưmôi trườờng cng cóó trtrởở khkhááng cao sang ng cao sang môi trưmôi trườờng cng cóó trtrởở khkhááng thng thấấp vp vàà ngưngượợc lc lạại li làà như nhau như nhau..PhPhầần trăm phn trăm phảản xn xạạ ttỉỉ llệệ vvớới bi bìình nh phương hiphương hiệệu tru trởở khkhááng âm hai môi ng âm hai môi trưtrườờngng
TTíín hin hiệệu phu phảản xn xạạ
SSóóng âm cng âm cóó ththểể bbịịphphảản xn xạạ nhinhiềều lu lầần n khi môi trưkhi môi trườờng ng không đkhông đồồng nhng nhấất, t, hohoặặc đi qua nhic đi qua nhiềều u llớớp phân cp phân cáách môi ch môi trưtrườờngng
Đầu dò
Môi trường 1Mt 2
Mt3
PhPhảản xn xạạ khukhuếếch tch táánn
Đầu dò
TTáán xn xạạ
SSựự ttáán xn xạạ hay còn ghay còn gọọi i llàà ssựự phphảản xn xạạ không không chchíính xnh xáác.c.SSựự ttáán xn xạạ xxảảy ra do y ra do bbềề mmặặt phân ct phân cáách ch nhnhỏỏ, nh, nhỏỏ hơn v hơn vàài bưi bướớc c ssóóngngMMỗỗi mi mặặt phân ct phân cáách ch hohoạạt đt độộng như mng như mộột t ngunguồồn âm mn âm mớới, vi, vàà âm âm đưđượợc phc phảản xn xạạ theo ttheo tấất t ccảả ccáác hưc hướớng.ng.
SSựự ttáán xn xạạ do cdo cáác phc phầần n ttửử nhnhỏỏ, c, cóó kkíích thưch thướớc c ththẳẳng nhng nhỏỏ hơn bư hơn bướớc c ssóóng gng gọọi li làà ttáán xn xạạRayleigh.Rayleigh.SSựự ttáán xn xạạ phphụụ thuthuộộc c mmạạnh vnh vàào to tầần sn sốố theo theo hhààm mm mũũ 2, t2, tớới 6.i 6.
Nguồn âm
SSựự hhấấp thp thụụ
TTầần sn sốố chchùùm tiam tiaTTíính nhnh nhớớt vt vàà ththờời i gian hgian hồồi phi phụục cc củủa a môi trưmôi trườờngng
).exp(0 zAA α−=
Áp s
uất
Khoảng cách
ρπ
ρ
fc
ps
c
pu
2=
=Tốc độ phân tử cực đại
Sự chiếm chỗ phần tử cực đại
ĐĐộộ suy gisuy giảảmm
))(exp(0 zaAA s α+−=
αsa hệ số tán xạ
hệ số hấp thụHệ số suy giảm
CưCườờng đng độộ
Công thCông thứức cưc cườờng đng độộSuy giSuy giảảm cưm cườờng đng độộCông suCông suấấttLLớớp np nửửa gia giáá trtrịị (HVL)(HVL)Decibel vDecibel vàà HVLHVL
Công thCông thứức cưc cườờng đng độộ
c
pi i
ρ
2
=c
pI
ρ2
2
=
Cường độ tức thời Cường độ trung bình
Suy giSuy giảảm cưm cườờng đng độộ
).exp(0 zII μ−=a2=μ
Công suCông suấấtt
W=cường độ x diện tích
Decibel vDecibel vàà HVLHVL
0)( lg10
I
II dB =
DecibelDecibel Half Value LayerHalf Value LayerĐĐộộ ddàày cy củủa va vậật lit liệệu lu lààm m cho ycho yếếu tu tốố khkhảảo so sáát git giảảm m đi mđi mộột nt nửửa gia giáá trtrịị
Suy giSuy giảảm, suy hao vm, suy hao vàà phphảản xn xạạ
Suy hao = suy giảm + phản xạ
RdB %
100lg10haosuy )( =
Đo khoĐo khoảảng cng cááchch
c
zt
tcz
=
= .Đầu dò
Thời gian 0
Thời gian ½t
Thời gian t
Cơ sCơ sởở thithiếết bt bịị siêu âmsiêu âm
TTầần sn sốốChChấất t ááp đip điệệnnCCấấu tru trúúc đc đầầu dòu dòTTầần sn sốố llặặp xungp xungĐĐộộ ddàài xungi xungHHệệ ssốố đ đầầu dòu dòĐĐộộ nhnhạạyyChChỉỉ ssốố Q QĐĐộộ phân giphân giảải di dọọccDDảải thôngi thông
BBềề rrộộng chng chùùm tia vm tia vàà đđộộ phân giphân giảải ngangi ngangTrưTrườờng siêu âm: ng siêu âm: trưtrườờng gng gầần, n, trưtrườờng xang xaBBúúp hưp hướớngngHHộội ti tụụThu tThu tíín hin hiệệu siêu âmu siêu âmXXửử lý tlý tíín hin hiệệuuDDảải đi độộngngNhiNhiễễuu
SSửử ddụụng tng tầần sn sốố nnàào?o?
VVịị trtríí bbấất kt kỳỳ ccủủa va vậật tht thểể trong không trong không gian đgian đềều đưu đượợc xc xáác đc địịnh vnh vớới đi độộ chchíính nh xxáác 1c 1 bư bướớc sc sóóngngNgoNgoạại tri trừừ nhnhữững thing thiếết bt bịị đ đặặc bic biệệt ct cóóththểể đo đư đo đượợc c ¼¼ bư bướớc sc sóóng nhng nhờờ vvàào o viviệệc phân bic phân biệệt đit điểểm m ááp sup suấất cao vt cao vàà điđiểểm m ááp sup suấất tht thấấppVVớới ngui nguồồn âm 20 Hz, chn âm 20 Hz, chỉỉ ccóó ththểể xxáác c đđịịnh đưnh đượợc mc mộột tt tààu sân bay !!!u sân bay !!!
Robot, Robot, dơi vdơi vàà thithiếết bt bịị y ty tếế
f
c=λ Robot,Robot,
f = 30 KHz f = 30 KHz –– 80 KHz80 KHz
DơiDơi,c,cáá voi, chuvoi, chuộột t chchũũi, châu chi, châu chấấuu
f = 100 KHzf = 100 KHz
ThiThiếết bt bịị y ty tếế,,f = 1 MHz f = 1 MHz –– 50 MHz50 MHzmm
Hz
sm
cmHz
sm
mmHz
sm
doi
cavoi
robot
4.3000,100
/343
54.1000,100
/1540
8.6000,50
/343
==
==
==
λ
λ
λ
ChChấất t ááp đip điệệnn
Pierre vPierre vàà Marie Curie tMarie Curie tììm ra him ra hiệệu u ứứng ng ááp p điđiệệnnHiHiệệu u ứứng nng nàày thưy thườờng thng thấấy y ởở ccáác vc vậật lit liệệu u kkếết tinh ct tinh cóó hai chai cựực c ởở mmỗỗi phi phầần tn tửửĐĐểể thay đ thay đổổi ti tầần sn sốố đ đầầu dò, phu dò, phảải thay đi thay đổổi i bbảản thân đn thân đầầu dòu dòMMộột đt đầầu dò tu dò tầần sn sốố cao, tcao, tạạo ra bưo ra bướớc sc sóóng ng ngngắắn cn cóó mmộột tinh tht tinh thểể mmỏỏng vng vàà bbằằng phng phẳẳngngMMộột st sốố vvậật lit liệệu du dùùng lng lààm đm đầầu dò: PZT, u dò: PZT, Bari chBari chìì titan, Bari chtitan, Bari chìì ziriconi, chziriconi, chììmetaniobat, sulphat lithimetaniobat, sulphat lithi……
SSựự ssắắp xp xếếp ngp ngẫẫu nhiênu nhiên
+
_Phần tử lưỡng cực
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -
+ -+
-
+ -
NNạạp ngưp ngượợcc
+ -+ -+ -
+ -+ -+ -
+-+ -+ -
+ -+ -+ -
+ -+ -+ -
+ -+ -+ -
+-+ -+ -
+ -+ -+ -
Điệ
n cực
sắp xếp
-
+
+ -+ -+ -
+ -+ -+ -
+-+ -+ -
+ -+ -+ -
+ -+ -+ -
+ -+ -+ -
+-+ -+ -
+ -+ -+ -
-
+Điện cực kích thích
ĐĐộộ ddàày tinh thy tinh thểể
L
smcluongcuc /4000=
CCảảm bim biếến siêu âm đo khon siêu âm đo khoảảng cng cááchch
Nguyên lý TOFNguyên lý TOFSai sSai sốố vvàà hihiệệu chu chỉỉnh cnh cảảm bim biếếnnTTíính tonh toáán gn góóc đc đặặt ct cảảm bim biếếnnCCảảm bim biếến siêu âm Polaroidn siêu âm Polaroid•• CCấấu tu tạạoo•• ĐiĐiềều khiu khiểểnn
Nguyên lý TOFNguyên lý TOF
c
zt
tcz
=
= .Đầu dò
Thời gian 0
Thời gian ½t
Thời gian t
Sơ đSơ đồồ nguyên lý TOFnguyên lý TOF
SSóóng siêu âm đưng siêu âm đượợc tc tạạo rao ra-- 8 8--16 da16 dao đo độộngng-- TTầần sn sốố 40 KHz 40 KHz
BBắắt đt đầầu tu tíính thnh thờời giani gianĐĐầầu thu chưa cu thu chưa cóóTTíín hin hiệệu vu vềề đư đượợc khuyc khuyếếch ch đđạại theo hi theo hààm mm mũũ ccủủa tha thờời i giangianMMộột mt mạạch chch chặặn chn chờờ gigiáá trtrịịttíín hin hiệệu đưu đượợc khuyc khuyếếch đch đạại i đđóóBBộộ đ địịnh thnh thìì ddừừngngQuãng đưQuãng đườờng sng sóóng đi đưng đi đượợc c bbằằng hai lng hai lầần khon khoảảng cng cáách ch ttừừ ccảảm bim biếến đn đếến vn vậậtt
TransmitWaveformGenerator
ReceiverAmplifier
ThresholdCircuit
Transducer Target
TIMER
Tra
nsm
itte
dw
avef
orm
Received Echo
Am
plif
ied e
cho
Time of transmition
Time of reception
Time of flight
Sai sSai sốố vvàà hihiệệu chu chỉỉnh cnh cảảm bim biếếnn
Sai lSai lệệch thông tinch thông tin
a
b
SSửửa la lỗỗii
Không giao với cảm biến khác
Giao hai cảm biến
Giao nhiều cảm biến
BBốố trtríí ccảảm bim biếếnn
21 θθ > ổn định hơn
2θ
Không tốt1θTốt
TTíính tonh toáán gn góóc đc đặặt ct cảảm bim biếếnn
][392180
5.221000)1000( cmcmArc ≈×= π
10
1
)1000(
)30(<
°cmArc
Len
][180
5.22)( cmddArc π×=
][)tan(
10
)sin(
10)( cmLen
θθθ +=
θ
)sin(
10
θ
)tan(
10
θ
θ10 [cm]
d
10 [cm]
θ
][3.37)30tan(
10
)30sin(
10)30( cmLen ≈
°+
°=°
CrosstalkCrosstalk
CCảảm bim biếến siêu âm Polaroidn siêu âm Polaroid
CCấấu tu tạạoo•• ĐĐầầu dòu dò•• BBúúp hưp hướớng ng •• MMạạch đich điềều khiu khiểểnn
ĐiĐiềều khiu khiểểnn•• PIC 16F877PIC 16F877
ĐĐầầu dò 6500 vu dò 6500 vàà 70007000
BBúúp hưp hướớngng
MMạạch đich điềều khiu khiểểnn
SN28784SN28784
TL851TL851
ĐiĐiềều khiu khiểển cn cảảm bim biếến n đo khođo khoảảng cng cáách, gich, giốống ng vvớới SN28827i SN28827HoHoạạt đt độộng vng vớới 1 ngui 1 nguồồn n ccấấpp4 b4 bit điit điềều khiu khiểển ngõ ra n ngõ ra đđồồng bng bộộMMứức c ááp np nộội 1.2 V cho i 1.2 V cho bbộộ thu thuTương thTương thíích TTLch TTL
BBảảng ngõ ra đing ngõ ra điềều khiu khiểểnn
INITINIT1111
38.0438.041010
32.5532.5599
27.0727.0788
21.5821.5877
18.8418.8466
16.0916.0955
13.3513.3544
10.6110.6133
7.877.8722
5.125.1211
2.382.38L L L LL L L LL L L HL L L HL L H LL L H LL L H HL L H HL H L LL H L LL H L HL H L HL H H LL H H LL H H HL H H HH L L LH L L LH L L HH L L HH L H LH L H LH L H HH L H H
00
Time (ms)Time (ms)From InitiateFrom Initiate
GCD GCC GCB GCAGCD GCC GCB GCAStep Step numbernumber
Sơ đSơ đồồ nguyên lýnguyên lý
DDạạng sng sóóng đing điềều khiu khiểểnn
ĐiĐiềều khiu khiểển bn bằằng P16F877ng P16F877
ns
mx
s
m 910343343 −
=
ns200
mm
mmxnsxns
mx
μμ
μ
3.342
6.68
6.68106.6820010343 6
9
=
== −−
Vận tốc sóng âm trong không khí
Chu kỳ máy của P16F877
Giới hạn đo nhỏ nhất
Khoảng cách đo xa nhất (nếu dùng 2 byte counter)
m
mmx
25.2
224785034.3 counter 65535
== μμ
ĐiĐiềều khiu khiểển bn bằằng P16F877ng P16F877
MMộột st sốố loloạại ci cảảm bim biếến siêu âmn siêu âm
Polaroid seriesPolaroid seriesSRFxxSRFxxMassa EMassa E--220B220BURSxxURSxxRPS x00RPS x00--x PVCx PVC
TTàài lii liệệu tham khu tham khảảoo
NGUYNGUYỄỄN ĐN ĐỨỨC THUC THUẬẬN, NGUYN, NGUYỄỄN VN VŨŨ SƠN SƠN, TR, TRẦẦN N ANH VANH VŨŨ, , ““Cơ sCơ sởở kkỹỹ thuthuậật siêu âmt siêu âm””, NXB Khoa h, NXB Khoa họọc c vvàà kkỹỹ thuthuậật, 2003.t, 2003.www.acroname.com/robotics/parts/R11www.acroname.com/robotics/parts/R11--6500.html6500.htmlBRIAN EVANLEGISTA, ANTONY GRANT, JAMES BRIAN EVANLEGISTA, ANTONY GRANT, JAMES QUESENBERRY, MATTHEWS MOLINETS, Final QUESENBERRY, MATTHEWS MOLINETS, Final report on report on ““Intelligent Automotive Obstacle Intelligent Automotive Obstacle Detection SystemDetection System””, Michigan State University, , Michigan State University, 2001.2001.J. BORENSTEIN, H. R. EVERETT, and L. FENG, J. BORENSTEIN, H. R. EVERETT, and L. FENG, ““Where am I? Where am I? –– Sensors and Methods for Mobile Sensors and Methods for Mobile Robot PositioningRobot Positioning””, Technical report, Michigan , Technical report, Michigan University, 1996.University, 1996.
[email protected]@falleaf.net