Оценка технико-экономической целесообразности создания цифрового ИК измерителя расстояния

Московский  государственный институт электроники  и математики

(технический  университет) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа 

Оценка  технико-экономической  целесообразности создания цифрового ИК измерителя расстояния 
 
 
 
 
 
 
 

Исполнитель: студент Карачевцев Д.С.

группа С-75 

Руководитель: профессор Страхов  А.Ф. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Москва 2006

 

Обзор сферы датчиков расстояния и определение  основных технических  характеристик 

      Цифровой  ИК датчик расстояния предназначен для измерения расстояния до объекта, не требующего большой точности. Данный датчик можно использовать для измерения расстояния до тех объектов, которые не поглощают ИК-излучение и не являются прозрачными для него.

      Датчики расстояния обычно характеризуются  следующими техническими параметрами:

1. Диапазон измеряемых расстояний
2. Точность измерения
3. Разрешение измерения
4. Линейность измерения
5. Время измерения
6. Тип выходной величины

 

      Точность  измерения показывает ту минимальную долю измеряемой величины (расстояния), с точностью до которой можно пролучать результат измерения. Также можно дать такое пояснение этого параметра: если считать результат измерения дискректной величиной, то точность измерения попросту показывает расстояние между двумя соседними значениями этой величины.

      Разрешение в самом общем смысле – это минимальное расстояние между двумя объектами наблюдения, при котором эти объекты еще различимы (не сливаются в один). Применительно к датчикам получается, что разрешение – это то минимальное расстояние между двумя различными положениями объекта, при котором эти положения будут различимы; т.е. при перемещении объекта на меньшее расстояние, изменение положения не будет фиксироваться датчиком (не будет меняться его показание), т.е. это степень квантования величины.

      Линейность  измерения показывает в процентах, на сколько отклоняется зависимость (функция) выходной величины (показания) от входной величины (расстояния) от линейной зависимости, т.е. зависимости вида f = kx + b

      f – выход

      x – вход

      k,x – коэффициенты 

      Время измерения – это время между началом измерения и моментом получения показания (выходной величины) на выходе датчика.

      Тип выходной величины определяет, какой сигнал данный датчик выдает на выход. Он может быть аналоговым или цифровым. В случае аналогового сигнала выходная величина (напряжение или реже ток)  пропорциональна расстоянию до объекта. В случае цифрового сигнала значение цифрового кода на выходе пропорционально расстоянию до объекта. В случае цифрового выхода внутри датчика присутствует микроконтроллер, выполняющий преобразование аналоговой величины в цифровой код, а также уменьшающий нелинейность измерения с помощью специальных математических методов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

      Вот типичные значения параметров для существующих типов датчиков: 

 

Индуктивные датчики

      Индуктивные датчики расстояния определяют расстояния до проводящих металлических объектов, таких как сталь, алюминий, латунь. Поскольку принцип работы индуктивных датчиков основан на определении токов взаимной индукции, такие датчики очень устойчивы к воздействию неметаллических предметов и помех, таких как, например, пыль или машинное масло. Современные технологии позволяют создать индуктивный датчик с аналоговым выходом имеющей диаметр всего 6 мм и измеряемое расстояние 2 мм. Такие датчики с высоким разрешением и быстрым временем отклика находят применение в большинстве высокоскоростных задач.

      Вместе  с тем, несмотря на прекрасную точность, разрешение и время отклика, существенная нелинейность, составляющая 3% - 5%, представляет определенную проблему. Что бы преодолеть это некоторые производители определяют выходной сигнал датчика как полиномную функцию, математически описывающую сигнал, и тем самым дают возможность запрограммировать с помощью такой функции большинство современных контроллеров для более точного алгоритма измерения. Типичная функция, описывающая выходной сигнал аналогового индуктивного датчика в зависимости от расстояния, представлена ниже:

      Расстояние = a + b (Iвых) + c (Iвых)2 + d (Iвых)3 + e (Iвых)4  

        Iвых – выходной ток 

      Измеряемое  расстояние = 0-2 мм, 0-20 мА (Iвых)

      Коэффициенты  функции имеют следующие значения:

      a = -0.144334; c = -0.00782; e = -7.27311 ? 10-6; b = 0.151453; d = 0.00040

       

      Тем самым, например, на расстоянии 0,4638 мм выходной сигнал будет 5 мА.  
Проблемы с линейностью могут быть так же решены с использованием интегрированного в датчик микропроцессора. Такой метод позволяет произвести линеаризацию выходной характеристики датчика и существенно снизить нелинейность. Например, индуктивный датчик диаметром 12 мм и расстоянием измерения 0 – 4 мм., со встроенным микропроцессором имеет линейность лучше, чем 0,4%. 

Ультразвуковые  датчики

      Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на измерении временной задержки распространиния ультразвука от момента излучения ультразвукового импульса до возвращения этого импульса обратно в датчик после отражения от объекта. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.

      Благодаря тому, что пьезорезистивный преобразователь  может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность  создать ультразвуковые датчики  расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала  излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов таких как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

      Однако  и ультразвуковые датчики имеют  ряд ограничений. Прежде всего, это  пена и другие объекты, сильно поглощающие ультразвуковые колебания. Такое поглощение сильно уменьшает измеряемую дистанцию. Сильно изогнутые поверхности так же снижают расстояние и точность измерений, поскольку рассеивают ультразвуковые колебания в различных направлениях. Ультразвуковые датчики излучают импульс в виде широкого конуса, что так же ограничивает возможность измерения расстояния до небольших объектов, увеличивая уровень помех от других объектов, которые так же могут находиться в поле зрения датчика. Некоторые ультразвуковые датчики имеют конус с углом всего 5 градусов. Это позволяет использовать их для измерения намного меньших объектов, например таких, как бутылки или ампулы. 

Оптические  датчики

      Существует  множество различных способов измерить расстояние до предмета с помощью  оптики: например лазерные интерферометры, датчики с рассеянным отражением света и оптические датчики радарного типа. Каждый из видов датчиков имеет свои сильные и слабые стороны. Лазерные интерферометры имеют большой диапазон измерений и точность несколько нанометров, однако, эти приборы очень дорогие и сложные в эксплуатации. Датчики с рассеянным отражением и аналоговым выходом могут измерять расстояния в широких пределах, однако поскольку они работают с отраженным светом, то могут быть проблемы с измерением расстояний до окрашенных или отражающих объектов. Оптические датчики радарного типа, преимущественно лазерные, могут измерять большие расстояния, однако принцип их работы, основанный на измерении времени распространения света от датчика до объекта и обратно, позволяет измерять с ограниченным разрешением в 2 – 3 мм.

      Подавляющее большинство задач по измерению  в промышленности приходится на диапазоны  от долей микрон до нескольких десятков метров. При этим датчики должны работать с объектами далекими от идеальных: малого размера, имеющих различный цвет, сложную структуру поверхности и перемещающихся с высокой скоростью. Для таких целей наиболее подходят лазерные датчики расстояния, работающие по принципу оптической триангуляции.

        

      На  рисунке показан принцип работы оптического датчика расстояния. Лазер посылает через линзу луч, который отражается от объекта и  фокусируется на линейке из фотодиодов, которая прообразует световой сигнал в электрический. Всякое изменение расстояния до объекта вызывает изменение угла отраженного луча и, следовательно, позиции, которую отраженный луч занимает на линейке фотодиодов. Микроконтроллер обрабатывает сигнал от линейки фотодиодов и преобразует его в аналоговый электрический сигнал.

      Наиболее  важное качество таких датчиков расстояния состоит в сочетании высокой  точности измерения и больших  измеряемых расстояниях. Большинство  производителей предлагают датчики  с разрешением от 1 мкм до 1мм. Однако высокая точность возможна только на относительно коротких расстояниях. Так что, например, точность в 1 мкм на расстояниях в 1 метр получить вряд ли удастся.

      Для снижения влияния шумов все лазерные датчики расстояний позволяют проводить  интегральные или усредненные измерения. При этом производится множество измерений расстояния до объекта и результат потом усредняется, тем самым повышается точность измерений. Однако большая точность требует большого количества измерений, увеличивая при этом общее время измерения. Так, например, чтобы обеспечить точность в 1 мкм типичное время измерения составляет порядка 0,1 сек. 
 

Определение технических и  эксплуатационных характеристик  проектируемого изделия  на основе анализа  имеющихся аналогов 

      Проектируемый цифровой ИК датчик расстояния относится к типу оптических.

      Наиболее  близкими аналогами являются ИК датчик расстояния H0359LR компании HONEYWELL и ИК датчик расстояния  M173IRK компании MURATA.

      Данные  изделия обладают следующими техническими и эксплуатационными характеристиками: 

H0359LR (компании HONEYWELL)