Программирование микроконтроллера. Алгоритм
жүктеу/скачать 463.75 Kb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 1.3 Анализ методов измерения расстояния
| 1.2 Технические требования
Разработать аппаратные и программные средства для реализации цифрового дальномера. Дальномер должен соответствовать требованиям: а) сфера применения: измерение дальности в составе лабораторного стенда. б) диапазон измеряемой дальности: 40-300 мм в) погрешность измерений: ±5 мм г) напряжение питания: 5 В; д) использование доступных, энергоэкономичных, дешевых элементов для возможности последующей реализации разработанного устройства. е) работать в диапазоне температур от 0 до +30 ж) работать при относительной влажности от 50% до 75% 1.3 Анализ методов измерения расстояния Методы измерения расстояния варьируются в зависимости от измеряемых масштабов. Так, к примеру, межзвёздное расстояние измеряют в парсеках или световых годах при помощи геометрических расчётов с учётом цикла оборота вокруг звезды. Гравитационные волны рассчитываются специализированным компьютерным оборудованием. Межатомарное расстояние, в свою очередь, измеряют при помощи соответствия размеров (в случае с электронными микроскопами) и кратных линз (в случае с оптическими микроскопами). Мореплаватели всегда испытывали трудности с определением своего месторасположения в море, где видимых ориентиров просто нет. Однако, выход был найден. Звёзды! При помощи специального прибора, морского секстанта, знающий моряк легко мог определить, где он сейчас находится и, сверяясь с картой, определить, какое расстояние он уже преодолел и сколько еще предстоит преодолеть. Приведенные выше примеры приборов для измерения расстояний весьма хороши для своего круга задач, однако они не подходят для наших целей, поскольку являют собой проекты огромной сложности и затратности. Для наших целей отлично подойдут дальномеры, которые не относятся к «макромиру» или «микромиру». Подобные дальномерные приспособления делятся на активные и пассивные. Активные: ультразвуковой дальномер; лазерный дальномер; инфракрасный дальномер; радиодальномер; оптические дальномеры; интерферометры. Пассивные: Длинномеры; дальномеры, использующие сопоставление объекта какому-либо образцу; дальномеры, представляющие собой шкалу с засечками; дальномеры, использующие оптический параллакс. Рисунок 2 – Схема определения дальности Рисунок 3- Схема прохождения луча Принцип действия звуковых, инфракрасных и лазерных дальномеров состоит в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномером сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. Скорость распространения сигнала (скорость света или звука) считается известной. Измерение расстояний дальномерами пассивного типа основано на определении высоты равнобедренного треугольника , например по известной стороне (базе) и противолежащему острому углу (т. н. параллактическому углу). Одна из величин, или , обычно является постоянной, а другая — переменной (измеряемой). По этому признаку различают дальномеры с постоянным углом и дальномеры с постоянной базой. — расстояние между объективами дальномера (база дальномера) — объект, до которого надо определить расстояние — расстояние между дальномером и объектом наблюдения Для измерения расстояний на местности применяют рулетки, изготовленные из различных материалов: тесьма, ПВХ, стекловолокно, сталь и др. Длина рулетки может составлять от 3 до 100 м. Условное обозначение рулеток должно состоять из номинальной длины шкалы, материала ленты, класса точности, конструктивного изготовления вытяжного конца ленты и обозначения настоящего стандарта. Шкалы рулеток наносят с миллиметровыми, сантиметровыми, дециметровыми и метровыми интервалами. По точности нанесения шкал рулетки могут изготовляться двух классов: 3-го и 2-го классов. Рулетки должны быть работоспособны при температуре плюс 50°С до минус 40°С и относительной влажности 98% при плюс 20°С. Рулетки в зависимости от класса точности и материала изготовления обеспечивают производство линейных измерений с относительными ошибками от 1 : 2000 до 1 : 20 000. При измерениях повышенной точности необходимы тщательное компарирование рулетки, измерение и учет температуры, а также постоянство натяжения. Рисунок 4 - Рулетка геодезическая из ПВХ Длинномер относят к подвесным мерным приборам. В длинномере стальную проволоку натягивают между двумя фиксированными на местности точками. По проволоке в процессе измерения прокатывают устройство, основными элементами которого являются мерный диск и счетный механизм, позволяющий установить количество оборотов диска на прокатываемом отрезке проволоки (рисунок 5). 1 – длинномер; 2 – проволока; 3 – шкалы; 4 – динамометр; 5 – груз; 6 – стремя; 7 – штативы; 8 – раздвижные стойки-упоры; 9 – оптический центрир Рисунок 5 - Схема измерения расстояния длинномером. Все электромагнитные дальномеры состоят из двух основных частей – приемопередатчика и отражателя, устанавливаемых в конечных точках линии. При импульсном способе измерения расстояний (рисунок 6 а) передатчиком 2 генерируются импульсы, которые направляются в сторону отражателя 4. От отражателя импульсы попадают на приемное устройство 3, которое отправляет эту информацию в индикатор времени 1, где регистрируется время начала посылки импульса и момент его прихода от отражателя. Таким образом, регистрируется время τ нахождения импульса в пути на двойном расстоянии. Импульсы излучаются через равные промежутки времени с высокой частотой. Импульсные дальномеры имеют сравнительно невысокую точность (от 1,5 до 150 м), но обладают большой оперативностью, что целесообразно использовать для измерения расстояний до движущихся объектов. Наиболее точные импульсные дальномеры применяют в аэрофотосъемке для определения высоты фотографирования (точность измерений составляет 1,2 м в равнинной и до 2 м в горной местности). Принципиальная схема фазового дальномера приведена на рисунке 4. Рисунок 6 - Способы измерения расстояний: импульсный (а); фазовый (б) Передатчик 2 непрерывно излучает и направляет в сторону отражателя электромагнитные колебания с частотой f. Часть сигнала ответвляется на фазометр 5 (опорный сигнал). После отражения на приемник 2, а затем – на фазометр, поступает отраженный сигнал. По фазе отраженного сигнала определяется дальность до объекта. Современные фазовые дальномеры позволяют измерять расстояния с точностью от 1,5 до 15 мм, т.е. в пределах нескольких миллиметров. Достоинство светодальномеров заключается в возможности сведения светового потока с помощью сравнительно простых и небольших по размерам оптических систем (антенн) в узконаправленный луч с высокой плотностью энергии (использование лазерных источников излучения). Для светодальномеров характерна практическая прямолинейность светового луча. При использовании лазерных источников излучения практическая дальность действия в чистой атмосфере составляет 40-60 км. Рисунок 7 – Светодальномер На рисунке 8 приведена более полная схема фазового светодальномера. Он состоит из передатчика, включающего в себя источник излучения 6, оптическое устройство формирования светового потока 1, модулятор колебаний 2 и оптическую передающую систему 3, отражателя 4, установленного в конечной точке линии, приемника, включающего приемную оптическую систему 8 с приемником излучения 9. В состав прибора входит генератор частоты 5, фазовращатель 7, который определяет значение τ , а также регистрирующее устройство, выдающее значение измеренного расстояния. Рисунок 8 - Схема фазового светодальномера Модуляторы изменяют излучение по амплитуде, частоте, фазе или плоскости поляризации излучения. Модуляторы должны обеспечивать изменение параметров излучения на высоких частотах (до 100 – 150 МГц) с возможным плавным изменением указанной частоты в широком диапазоне. Модуляторы должны обладать малыми потерями света с целью обеспечения необходимой энергии выходного пучка, определяющей дальность действия прибора. Часто передающая и приемная системы конструктивно объединены в одну (приемопередатчик). При измерениях используют пассивные зеркально-линзовые и трипельпризменные отражатели. Конструкция отражателя позволяет возвращать световой пучок по тому же направлению, по которому он пришел на отражатель, т.е. точно в направлении на приемное устройство. Если коэффициент отражения объекта составляет 15-20%, то при использовании лазерного источника излучения можно работать без отражателя (по стене дома белого цвета и др.). В настоящее время применяют пленочные отражатели, приклеиваемые на конструкции сооружений. Пленочный отражатель имеет широкую диаграмму отражения светового сигнала, что позволяет производить измерения и при боковых на него направлениях светового пучка от передатчика. Одним из наиболее простых и дешевых аппаратов, разработанных учеными и конструкторами, является ультразвуковой дальномер. Подобные приборы еще называет эхолотами. Они нашли довольно широкое применение в различных сферах жизнедеятельности человечества. Принцип работы данного устройства заключается в том, что испускаемый на определенный предмет звук, находящийся за пределами слышимости людей, отражается от данного предмета и улавливается приемной частью прибора. Скорость прохождения звука в воздухе имеет определенное значение при фиксированной плотности, что позволяет рассчитать расстояние. Для более точного направления звукового пучка на предмет, до которого нужно измерить расстояние, был разработан дальномер ультразвуковой с лазерной указкой. Это значительно повысило удобство проведения работ и точность измерений. Современные аппараты обладают возможностью проведения более сложных операций, чем просто фиксация результатов измерений, так, например, они могут рассчитывать площадь обмеряемой территории, а также угловые координаты заданной точки. Однако при всех своих несомненных плюсах эти лазерные и ультразвуковые приборы не способны заменить стальную или синтетическую ленту при больших расстояниях, в так называемых «полевых» условиях. В первую очередь это касается точности измерения, которая определяется средой, в которой распространяется ультразвук. Ее характеристики и их значения, в первую очередь плотности, не являются постоянными и могут меняться в процессе проведения измерительных работ. К другим недостаткам можно отнести ограниченность по расстоянию замера. Минимальная дистанция для данных приборов составляет 0,3 м., а максимальная 20 м. Рисунок 9 - Ультразвуковая рулетка с лазерной указкой Эта группа приборов предназначена для высокоточного измерения весьма малых расстояний. Такие приборы используются для компарирования мерных приборов, создания эталонов, высокоточного и точного смещений объектов и весьма малых скоростей перемещений. Интерферометр – это прибор, в котором производится пространственное разделение двух световых лучей и создание между ними разности хода с целью получения интерференционной картины, по которой и определяют измеряемую величину. Рисунок 10 - Интерферометр У данных дальномеров значительно различаются стоимость комплектующих, точность и области применения. Так, к примеру, лазерные дальномеры широко применяются в военном деле ввиду своей высокой точности, ультразвуковые дальномеры используются, помимо прочего, в исследованиях морского дна, инфракрасные же нашли широкое применение в современных бытовых приборах и автомобилестроении. Сравнив доступные нам образцы, мы можем заключить, что в данной ситуации реализация цифрового дальномера с ИК-датчиком выглядит наиболее подходяще, так как полностью отвечает нашим требованиям по точности, энергопотреблению и проч. и, в то же время, имеет доступную цену. жүктеу/скачать 463.75 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|