Методы измерений расстояния и ультразвуковой локации

3. Теоретическая часть.

Задача измерения зоны парковки автомобиля с одной стороны является индивидуальной, а с другой стороны имеет определенную взаимосвязь с измерением уровня жидкости или каких – либо веществ в резервуаре и системами предотвращения столкновения автомобиля, которые измеряют дистанцию. Таким образом, целесообразно рассмотреть принципы функционирования этих устройств.

3.1. Методы измерений расстояния.

          Применительно к задаче поставленной в данном дипломном проекте требуется рассмотреть принципы построения устройств для измерения сравнительно небольших расстояний. К этим методам можно отнести следующие:

1.  радиоволновой

2.  лазерный

3.  ультразвуковой

4.  тензометрический

Методы 1 – 3 основаны на принципе локации импульсов отраженных от границы раздела сред.

Радиоволновой измеритель (4) в частности применяется в уровнемерах и системах определяющих дистанцию между автомобилями для предотвращения их столкновения. В радиоволновых измерителях происходит излучение электромагнитных волн в сторону контролируемого объекта и прием отраженных волн. В общем случае расстояние до контролируемого объекта определяется путем измерения времени между излучением и приемом электромагнитных волн.

В зависимости от вида используемого сигнала оценка времени задержки производится измерением фазового, частотного или непосредственно временного сдвига принимаемого отраженного сигнала относительно опорного. Соответственно различают фазовый, частотный и импульсный методы измерений с помощью радиоволн. Рассмотрим подробнее фазовый и частотный методы.

На рисунке 3.1. изображен фазовый радиоволновой измеритель. Сигнал от генератора радиоволн [1] через ферритовый вентиль [2] поступает в модулятор [3]. В модуляторе происходит амплитудная модуляция сигнала сигналом высокой частоты  с фазой  посредством генератора опорного сигнала [4], выполненного на кварце. Промодулированный через циркулятор [5] сигнал поступает на передающую антенну.  Отраженный от контролируемого объекта сигнал подается на детектор приемника [7].  

                                                                                                                               Рисунок 3.1. Радиоволновое устройство фазового типа.

В приемнике происходит выделение из отраженного сигнала высокой частоты   с фазой колебаний . При этом разность фаз  будет зависеть от расстояния до контролируемого объекта. Усиленный усилителем [8] сигнал поступает на фазометр [9], куда одновременно приходит опорный сигнал с фазой колебаний . Фазометр, шкала которого градуирована в единицах расстояния, производит измерения разности фаз двух колебаний.

          Суммарная ошибка измерения фазовым методом складывается из систематической и случайной составляющих. Абсолютная величина случайной составляющей по данным (3) составляет ±1 мм.

          Радиоволновой измеритель основанный на частотном методе изображен на рисунке 3.2.

                                                                                                                        Рисунок 3.2. радиоволновое устройство частотного типа.

          Сигнал от генератора [1], выполненого, например, в виде лавинно – пролетного диода сантиметрового диапазона, через циркулятор [2] поступает в волнокодный тракт [3] и излучается в сторону контролируемого объекта. Отраженный сигнал поступает на антенну и через циркулятор на смеситель [4], куда приходит и сигнал с генератора, ослабленный циркулятором. В результате смещения падающего и отраженного сигналов с выхода смесителя снимается напряжение разностной частоты, которое поступает на избирательный усилитель [5].

          Гармонический сигнал с усилителя [5] поступает на формирователь [6], откуда в форме меандра на один из входов фазового детектора [7], на второй вход которого поступает сигнал с формирователя в виде меандра с периодом пилы, равным периоду модуляции. Выход фазового детектора соединен с индикаторным устройством [9]. Разность фаз между сигналом разностной частоты и сигналом с генератора пилообразного напряжения пропорциональна расстоянию до контролируемой среды.

          Для точного измерения фазы разностной частоты необходимо поддерживать ее с высокой стабильностью. Это выполняет схема, куда входят вычитатель [10], кварцевый генератор [11], формирователи [12 и 13] и интегратор [14] генератора пилообразного напряжения [15].

          Если разностная частота больше или меньше частоты кварцевого генератора то на одном из выходов вычитателя [10] появится импульс, поступающий на формирователи [12 и 13], которые формируют разнополярные импульсы одинаковой длительности. Эти импульсы поступают на интегратор [14]. Выход интегратора соединен с генератором пилообразного напряжения, который под воздействием напряжения, поступающего с интегратора, меняя частоту генератора [1], следит за тем, чтобы его частота была равна частоте генерации кварцевого генератора [11].

          Устройство имеет два индикатора, шкалу точную [9] и грубую [16]. Чувствительность при нормальных условиях составляет доли миллиметров.

          Такие приборы хотя и отличаются высокой точностью, но работают в диапазоне СВЧ и имеют в своем составе дорогостоящие СВЧ электронные блоки, волноводные тракты и излучатели.

В лазерных излучателях  (4) в качестве зондирующего излучения используют электромагнитное излучение оптического диапазона. Создание подобных измерителей стало возможным благодаря разработке мощных лазеров.

Лазерные измерители расстояния состоят из следующих основных блоков:

1.  излучателя (лазера);

2.  фотоприемника;

3.  блока обработки информации.

 

 

 Рисунок 3.3. Установка лазерного измерителя расстояния

в гаражном ангаре.

1. лазер;

2. фотоприемник;

3. блок обработки информации;

4.  блок индикации. 

Лазерные  локаторы имеют в своем составе дорогостоящую оптическую аппаратуру. Эксплуатация и обслуживание требуют значительных затрат, поэтому существует экономическая проблема, сдерживающая применение лазерных измерителей. Кроме всего лазерные  локаторы не допускают загрязнения и запыления.

Тензометрический способ основан на взаимодействии автомобиля с группой тензодатчиков линейно размещаемых на полу помещения и связанных через электронный блок с блоком индикации.