En enkel avståndsmätare med ultraljud

Elektronikrelaterade (på komponentnivå) frågor och funderingar.
JustNeed
Inlägg: 799
Blev medlem: 7 november 2007, 22:07:01
Ort: 08

En enkel avståndsmätare med ultraljud

Inlägg av JustNeed »

Jag tänkte bygga en ultraljudsavståndsmätare som på den här sidan..
Det är en hel del saker som jag inte förstår med schemat dock.
Bild

Borde den inte funka även om man plockade bort all motstånd och drosseln?
Kanske en dum fråga men jag är inte så bra på ljud och sånt ännu.

Finns det någon praktisk anledning till att den inte skulle kunna detektera avstånd under 30 cm?
xxargs
Inlägg: 10189
Blev medlem: 23 september 2006, 14:28:27
Ort: Södertälje

Inlägg av xxargs »

Drosseln är till för att få en resonans med kapacitansen i sändarkristallen när din trissa bryter strömmen igen och den vägen få till en svängning med mycket större amplitud över kristallen än om du skulle försöka mata direkt - det är en slags impedansanpassning för att kristallen skall stråla mer effekt gentemot tillgäglig spänning. Nackdelen är förståss att kristallen 'ringer' med ganska långsam upprampning och avklingningstid.

Det är också pulslängden och pulsfrekvensen vid sändning och upp och nedrampningen av kristallens utstrålade effekt som bestämmer den kortaste möjliga mätbara distans - ju kortare distans - ju högre frekvens och kortare pulser krävs - det är fysikens lagar som gäller. Minimum pulslängd och frekvensen bestäms till största delen av din ultraljudskistall (hur länge den ringer), men med kanske 100-500 Volts drivning och hård dämpning med hög serieresistans så kanske man kan förkorta 'ringtiden' en smula, men då pratar vi om en helt annan konstruktionskomplexitet.

Prova att simulera driverdelen an kopplingen med ditt simuleringsprogram (kristallen ersätts med en konding på säg 3.3nF) ock låta trissan leda i 16.6 us och därefter bryta så förstår du snart varför man gör på detta sättet - och att du kanske behöver uppåt >100 Volt i matningspännning om du skall göra direktdrivning utan drossel för samma utstrålad akustisk effekt.


Motståndet över mottagarkristallen tror jag är för att fixa lämplig DC-läck för att nivåerna till ingången skall glida ned till 0 Volt igen (pulldown) om amplituden har varit så hög att skyddsdioderna på PICens ingång har likriktat signalen en smula - kom ihåg att kristallen i sig är en kondensator som inte har någon DC-läckage mot jord och utan läckmotståndet så kommer ingången att bete sig som en oansluten - öppen ingång. Motståndsvärdet är ur mina ögon för högt för att påverka mottagarkristallens egenskaper i någon större utsträckning.


---

Appropå känslighet så är nuvarande konstruktion en hemskt primitiv mottagarkrets som kräver mycket stark signal från mottagarkristallen för att nivån skall överstiga 2.4 Volt eller vad PICen nu kräver på sin ingång för att indikera '1'

skall du öka räckvidden så är det mottagarsidan som behöver förbättras i första hand med tex lämplig OP-amp koppling och förstärkning innan PIC-ingången.
JustNeed
Inlägg: 799
Blev medlem: 7 november 2007, 22:07:01
Ort: 08

Inlägg av JustNeed »

Tack så mycket, nu tror jag att jag förstår.
Jag hade tänkt att mäta avstånd mellan 10-30 cm så det finns en chans att jag klarar mig utan resonanskrets. Tänkte öka amplituden med en max232 istället.

Det är förövrigt rätt klurigt att labba med ultraljudsfrekvenser när man saknar oscilloskop och bara har en multimeter att kolla med :|

Edit: Apropå mottagaren så går den in till en AD-ingång på picen så det behövs bara några millivolt för att känna av
Användarvisningsbild
squiz3r
Inlägg: 5424
Blev medlem: 5 september 2006, 20:06:22
Ort: Lund
Kontakt:

Inlägg av squiz3r »

Hur menar du med att du ska öka amlituden med en max232? Den är ju en charge pump och kan bara ge ut en extremt liten ström.. Eller har jag missuppfattat något? :).
xxargs
Inlägg: 10189
Blev medlem: 23 september 2006, 14:28:27
Ort: Södertälje

Inlägg av xxargs »

max 232 ger inte dom kanske uppåt +/- 100 volt som krävs för hög akustisk styrka är jag rädd för. 'ringningen' beror inte enbart på drosseln utan också på kristallen i sig då den i verkligheten är något mer komplicerad än just simpel kondensator som jag antydde tidigare (kondensatorn istället för kristallen tog jag som exempel för att du skulle se hur svändningskrets beter sig i simulatorn, om du provade detta).


kristallen ser elektriskt snarare ut som:

Kod: Markera allt




     ___    ||
---+----|___|---||----OOOOO---+------
   |     Rs     ||Cs    Ls    |
   |                          |
   |            ||            |
   +------------||------------+
                ||Cp



Verkligheten är förmodligen ännu mera komplex då det förmodligen finns parasitkomponenter som stör och inverkar.

Rs är förlusterna - här till stor del strålas ut som ljud
Cs är elasticiteten i kristallen och fungerar som en fjäder i kristallkroppen
Ls är massan i kristallen, 'tyngden' som fjädrar mot 'fjädern' om man så vill
Cp är kapacitansen mellan metallplattorna som ger elektrostatiska fältet genom kristallen och får kristallen att börja röra mekaniskt på sig mha. pålaggda variabla elektrostatiska fältet (den så kallade piezoelektriska effekten)

Är alla konstanter i rätt kvoter gentemot varandra och till den externa yttre induktansen så samverkar svängningen och amplituden blir stort på kristallen => mycket akustiskt ljudtryck.

Är Cs och Ls reaktiva del mycket stor gentmot Rs (= högt Q-värde) så kan man inte göra ett skit gemot kristallens ringnings-tendens (dvs. lång upprampning och avklingningstid) med externa komponenter på matningssidan då det mesta av strömmen som krävs för svängningen tar sig genom Cp och kommer inte ens utanför pinnarna på sändarkristallen. Det hela kommer att fungera som en mycket slö och trög subbas-högtalare eller kyrkklocka som låter ungefär samma ton oavsett vad man matar in - fast här på mycket högre frekvens (kyrklockan 'kläpp' motsvarar ganska exakt just din transistors öppnande och stängande som just precis 'slår' på resonanskretsen så att den kommer igång att svänga).

Sedan att man har 330uH utanför är ett spel mot Cp just för att få upp elektriska spänningen för att driva in effekt in i kristallen - en spänningsttransformering helt enkelt och är en form av impedansmatchning.
Skall man göra samma sak med en förstärkarutgång utan drossel så måste förstärkarne kunna svinga runt 200 Volt, kanske mera på utgången...

Motsvarande verkan har du också på din mottagarkristall, som med samma interna parametrar ytterligare smetar ut din puls och dessa tider tillsamman bestämmer kortaste sträckan du kan mäta.

---

Skall man nyttja kristallen till sin yttersta för att korta pulserna så mycket som möjligt så måste man mäta upp kristallen i detalj med frevenssvep och mäta både ström, spänning och fasläge tillsammans med mottagarkristallen och därifrån bygga sig en driver och mottagare som nyttjar kristallen inneboende egenskaper så bra som möjligt för snabbast möjliga pulsrespons.

Men att göra detta är mätteknik i den högre skolan och kort sagt måste du ha åtminstone ett oscilloskop med 2 kanaler (för fasvinkelmätning och allmän studering), funktionsgenerator samt vara beredd att bygga en hel del mätgiggar, weatsthone-bryggor, faskomparatorer, AC-voltmeter mm. och använda miniräknaren flitigt - tyvärr ligger frekvenserna ofta en bit över vad datorns ljudkort kan hjälpa med...

---

Ultraljudskristaller med kort pulstid för industriell bruk för att tex. mäta tjocklek på metallrör mm. är inga billiga grejor...


---

AD-omvandlaren säger du - hur ofta samplar den då? - frekvenserna är säkert över 30 kHz så det blir att tugga fort som attan om man skall hitta toppen på perioderna från mottagarkristallen och vänta in den starkaste toppen innan beräkning av avståndet...
JustNeed
Inlägg: 799
Blev medlem: 7 november 2007, 22:07:01
Ort: 08

Inlägg av JustNeed »

squizer: Tanken att använda max232 kommer frånen annan, något mer avancerad avståndsmätare (länk). Den kör visserligen rätt kort puls men den klarar av 3cm - 3m så effekten verkar räcka.

xxargs: Väldigt mycket information att smälta. Har inte haft så mycket tid idag (och kommer tyvärr inte ha det på ett tag), tankade Pspice:s studentversion men kom inte igång med det. Min högst okvalificerade gissning var att man kunde klara av att få tillräcklig ljudstyrka för ett kortare avstånd utan resonanskretsen, man kan ju höra piezoelement drivna direkt från 5V t.ex.
Sändarelementet klarar max 20 V rms enl. kjell så det är ingen idé att dra in några högre spänningar.
Allt detta med resonans och ickedigital elektronik känns som djupt vatten för mig.
Hur som helst behöver jag fler delar så jag tar ett uppehåll på ett par dagar tills jag har mer tid.
Skriv svar