![]() КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Общие сведения. Ультразвуковые измерения дистанций в воздухе
Ультразвуковые измерения дистанций в воздухе Лабораторная работа 1
Цель работы – знакомство с используемыми в промышленности и других сферах приборами для ультразвуковых измерений дистанций, площадей и объемов помещений. Инженерные приложения использования звуковых колебаний в воздушной среде насчитывают уже не один десяток лет. В настоящее время известно большое количество экспериментальных и промышленных образцов измерительных устройств и систем, основанных на излучении и приеме в воздушной среде коротковолновых акустических колебаний. Причина преимущественного использования ультразвука в звукодальнометрии заключается в относительно малой длине волны, и как следствие этого, относительной простоте их направленной передачи, возможности локализации энергии колебаний. Невосприимчивость органов слуха человека к ультразвуку также является положительным фактором. Принято различать несколько основных задач звукодальнометрии. При одномерном измерении расстояний между двумя точками, в одной из которых (базовой) размещается приемоизлучающий акустический блок, а другая (точнее локальная отражающая зона), как правило, принадлежит поверхности контролируемого тела. Такая схема взаимного положения акустического блока и «контролируемой» поверхности представляет разновидность схемы эхо-локации, при которой происходит двунаправленное прохождение измеряемого пути. В некоторых случаях возможно размещение приемника (или излучателя) на поверхности контролируемого изделия, в связи с чем задача сводится к более простой: непосредственному однонаправленному измерению неизвестного расстояния. При этом происходит лишь одностороннее прохождение упругими волнами измеряемой дистанции.
Измерение пространственного положения является по существу задачей трехмерного измерения совокупности линейных и угловых величин, характеризуемых проекциями вектора взаимного линейного смещения на оси выбранной системы координат. Нужно отметить, что такая задача измерения в полном объеме является сложной и по этой причине реализуется редко. Более часто встречается задача трехмерного измерения лишь одних линейных параметров. Наиболее проста в реализации акустическая пороговая регистрация уровней. Такая задача возникает при необходимости определения фиксированного значения (порога) смещения контролируемого тела, уровня засыпки сыпучих веществ и т.д. Сущность задач акустического управления отражается в самом названии. При этом имеет место однонаправленная передача упругих волн, являющихся в данном случае носителем признаков передаваемых команд. Разработаны и успешно эксплуатируются как простейшие однокомандные устройства, так и более сложные, многокомандные. Наиболее простым способом, определения расстояния является обеспечиваемое модуляцией акустического сигнала измерение времени, прошедшего с момента излучения промодулированного сигнала до момента его приема. При этом предполагается, что скорость распространения колебаний в среде известна. Хотя упругие волны являются лишь средством связи с объектом измерений, это не означает, что анализ и выбор параметров несущих колебаний является второстепенным. Напротив, частота излучаемых волн и вид модуляции самым тесным образом связаны с точностью измерений, пространственными характеристиками ультразвукового канала связи, наибольшим измеряемым расстоянием и другими характеристиками звуколокационной аппаратуры. В широком понимании звук есть групповое колебательное движение частиц среды или чередование областей сжатий и растяжений среды. То есть, звук всегда порождается механическими колебаниями, например, поверхности излучателя. Как распространяющийся процесс звуковая волна подчиняется волновому уравнению:
где
где Особенностью волнового движения является перенос энергии, причем в процессе распространения колебаний энергия периодически переходит из потенциальной в кинетическую, и обратно. Однако, поскольку каждая частица среды совершает перемещения относительно положения равновесия, то в волновом процессе перенос энергии не сопровождается переносом вещества. Таблица 1.1
Если при измерениях выполняются условия существования плоской волны, распространяющейся вдоль оси «х» в гармоническом режиме, и являющейся решением уравнения (1.1), то величины звукового давления
Наряду с линейными абсолютными значениями давления и интенсивности (силы звука) по (3) в акустических измерениях широко используются логарифмические (относительные) величины. Для этого в качестве начальных (пороговых) значений давления и интенсивности, соответственно, приняты:
Тогда относительные значения будут определяться формулами:
Как следует из формул (1.3, 1.4), уровень интенсивности (силы) звука в 100 Дб соответствует абсолютной интенсивности
При измерениях расстояний важное значение занимает вопрос о направленности акустического излучения. Поскольку в отличие от света упругие волны обладают существенно большей длиной волны, то в акустике излучение сверхтонких пучков диаметром в несколько миллиметров с угловым расхождением порядка единиц угловых минут является задачей практически неразрешимой. Практически всегда в аэроакустике направленность излучения начинает проявляться, когда размеры излучателя начинают превосходить длину излучаемых волн. Так для излучателей круглой формы получение угла расхождения в 1 градус требует применения преобразователя диаметром не менее 60 длин волн. В воздухе на частоте 100 кГц для этих целей необходимо применить излучатель диаметром 200 мм. Для исключения попадания в звукоприемник сигналов, отраженных от соседних контролируемых элементов поверхности, а также для увеличения плотности потока энергии необходимо применять малый излучатель и малый угол расхождения ультразвукового пучка. Ясно, что эти требования противоречат друг другу. Анализ показывает, что минимальный диаметр «озвучиваемого» пятна на плоскости, нормально ориентированной к оси акустического излучателя, составляет:
где
Как следует из сопоставления формул (1.5) и (1.6), минимальный диаметр озвучиваемого пятна не может быть меньше двух диаметров излучателя. Например, при локации преграды, находящейся на расстоянии 10 метров, с помощью излучателя на рабочей частоте 60 кГц принципиально невозможно получить «озвученное» на поверхности препятствия пятно диаметром меньше 58 см при диаметре излучателя 30 см и значении угла раскрытия диаграммы направленности в 0.8 градуса. Важным фактором, определяющим условия измерений расстояний в воздухе, является поглощение звука. В неоднородной среде, помимо поглощения может наблюдаться также рассеяние звука. Суммарное ослабление, таким образом, зависит от физического состояния воздушной среды, а значит от: температуры, давления, влажности, примеси посторонних газов и т.д. Физическая причина поглощения состоит в уменьшении энергии волн вследствие потерь на трение и теплопроводность в среде. Коэффициент ослабления принято выражать величиной, обратно пропорциональной отрезку пути, на котором амплитуда звука падает в
где
Рис. 1.2
Из рассмотрения указанных зависимостей следует, что при ультразвуковой локации в воздушной среде основная трудность заключается в необходимости регистрации информационных сигналов весьма малых уровней, что становится особенно заметным с ростом частоты и увеличением дистанции. Одним из параметров, определяющих геометрические размеры и форму помещений, является дистанция, под которой понимают кратчайшее расстояние между объектами. Для измерения дистанций и расстояний используют методы, основанные на отражении ультразвуковых волн от препятствий. При этом измеряется время, прошедшее от излучения до приема отраженной волны. Дистанция определяется исходя из известной скорости распространения ультразвука в воздухе и измеренного интервала времени. Для определения мест наибольшего отклонения размера, например при решении строительных задач, требуется высокая чувствительность измерительных приборов. Ультразвуковой измеритель дистанции должен регистрировать рассеянные излучения от неровной отражающей поверхности. Амплитуда приятого после отражения сигнала имеет определенную связь с длительностью излучаемых сигналов при локации препятствий с неровной поверхностью. Как известно, при локации гладких, жестких поверхностей озвученное пятно будет находиться на участках поверхности тела, нормально ориентированных к акустической оси излучателя, а в серии принятых сигналов первый из них будет соответствовать тем участкам поверхности, которые находятся на наименьшем расстоянии. Если предположить, что таких участков несколько, и они находятся на разных расстояниях от излучателя, то в результате отражения пакета ультразвуковых волн буде наблюдаться серия пакетов ультразвуковых волн, смещенных друг относительно друга по времени на величину, пропорциональную разности расстояний. Иллюстрация изложенного представлена на рис.1.3.
Рис. 1.3 Первый принятый пакет серии будет запаздывать относительно начала излученного сигнала на время Здесь неровности поверхности имеют практически стационарное в статистическом смысле значение, причем отражающая поверхность имеет пространственную глубину При этом эхо-сигнал будет складываться из двух частей: длительности излученного импульса
Нетрудно видеть, что при относительно длинных «посылках», когда
Рис. 1.4
Напротив, при очень коротких «посылках», когда На точность измерения с помощью ультразвуковых приборов оказывает влияние большое число факторов, приводящее к появлению погрешностей измерений. Основные виды погрешностей приведены ниже. 1.Погрешность, связанная с искажениями формы импульса при излучении. При излучении из-за ограниченной полосы пропускания форма излучаемых волн не является подобием возбуждающего электрического сигнала. По этой причине огибающая пакета колебаний получает некоторое затягивание фронтов и дополнительное запаздывание - 2.Погрешность, связанная с наличием дисперсионных искажений. Вследствие дисперсии поглощения в среде форма импульса искажается в сторону ослабления высокочастотных компонент, что вызывает дополнительное затягивание фронта- 3.Погрешность, связанная с искажениями формы импульса при приеме. Из-за ограниченной полосы пропускания приемник также вносит свой вклад в затягивание длительности фронтов и, как следствие, в дополнительное запаздывание - Таким образом, в случае однонаправленного измерения общее запаздывание в канале «излучение-прием» должно составлять:
В режиме эхолокации существует еще один источник погрешности сигнала, связанный с отличием формы огибающей радиоимпульса, излученного и отраженного от поверхности объекта, из-за неровностей и комплексного характера импеданса отражающей поверхности. Возникающее при этом затягивание длительности фронта сопровождается запаздыванием времени прихода -
Аппаратное время задержки по (1.8) и (1.9) путем рационального выбора схем измерения и схемотехнических решений может быть практически полностью компенсировано. Исключив из дальнейшего рассмотрения аппаратное время задержки, остановимся более подробно на непостоянстве скорости в среде. Указанное явление в наибольшей степени связано с температурной зависимостью скорости звука и распространением звука подвижной среде. С учетом изложенного находим относительную погрешность оценки времени запаздывания:
Определяя масштаб измерения как отношение времени запаздывания к расстоянию, производящему данное запаздывание:
Для оценки погрешности по (1.10) и (1.11) от непостоянства скорости звука рассмотрим ее зависимость от основных факторов. 4.Погрешность, связанная с зависимостью скорости звука от температуры воздуха. С учетом зависимости (1.2), легко показать, что:
Это важное соотношение (1.12) устанавливает, что для любого газа в области температуры 0 °С относительное изменение скорости звука составляет 1/546 на каждый градус или 0.183 %·градус. В частности, для сухого атмосферного воздуха при 0 °С, атмосферном давлении и плотности 5. Погрешность, связанная с движением воздуха. Эта погрешность возрастает при увеличении расстояния до объекта. При звукодальнометрии в условиях закрытых помещений, как правило, наблюдаются конвекционные потоки со скоростями
Легко показать, что при малости
В обще случае произвольного угла
Как следует из выражений (1.14,1.15) величина первого слагаемого всегда превосходит вклад второго слагаемого. В режиме эхолокации за счет различного вклада движения среды при распространении волны от источника и обратно, оба слагаемых оказываются равновеликими по масштабу:
Технические и конструктивные характеристики приборов, применяемых для ультразвуковых измерений расстояний в промышленных условиях, отличаются значительным разнообразием. Например, измеритель расстояний фирмы "Conrad" позволяет проводить измерения дистанций со следующими параметрами: 1)диапазон дистанций: от 0,61 м до 13,72 м; 2)точность: менее 1%±1разряд индикатора, при спокойном воздухе; 3)разрешение: 0,01 м; 4)автоматическая температурная компенсация: от 0 до 40 °С; 5)рабочая частота электроакустического преобразователя: 40 кГц; 6) время непрерывной работы прибора (со штатным комплектом батарей): не менее 500 ч; 7) рабочий температурный диапазон: от 0 до 40 °С; 8) масса: не более 300 г; 9) габариты: 100×50×30 мм; 10) срок службы прибора: не менее 7 лет;
Для иллюстрации функциональных возможностей измерителя дистанций на рис.1.5 приведен общий вид панели управления прибора фирмы "Conrad" с обозначениями управляющих клавиш и их расположением на корпусе устройства. На верхней грани корпуса прибора находится декоративная перфорированная крышка электроакустического преобразователя. При измерения эта грань корпуса должна быть ориентирована в направлении на объект локации.
Дата добавления: 2014-11-25; Просмотров: 1972; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |