Συστήματα μετρήσεων με υπερήχους τεχνολογίας μικροελεγκτών

Abstract

The present dissertation is focused οn the study of ultrasonic sensors, operating in a frequency range of 40KHz and propagation means the air. It is proposed a model of second order, as well as circuits of most optimal adaptation at the transmission and reception sections. It is also presented the development of a new technology measurement system (for measurement of distance, displacement, and characteristics of a vibrating surface) and a new method for more precise estimation of TOF (time of flight) is proposed with the introduction of a technique for the monitoring and recording of the frequency of modulated ultrasonic waves, with directly, fast (in each period) and precise (0.1%) measurement of the frequency instead of the amplitude. These proposed methods aim to contribute to the problem in most essential (theoretical and practical attitude) concerning the existing techniques, mainly with regard to the technique of detection and measurement of ultrasonic signals in the field of frequencies and not in the field of amplitudes. More analytically a historical examination of the object is presented in the first part of this dissertation, with focus of attention in the last mainly decade. There are also reported enough introductive elements, definitions are given and the problems are placed. Finally the aim and the contribution of this dissertation are analyzed. Then the development of complex measurement systems and the necessity of their independence concerning their processing capabilities are presented, with the use of microcontrollers, simple architecture in the beginning, and complicated later with the import of the powerful and very fast DSP's (Digital Signal Processors). Also the use of a completed system is proposed, presented and analyzed i.e. a) the mechanic construction of an isolated means of propagation of ultrasounds with build in temperature sensors and a micromechanical transducers’ displacement system. b) The hardware. c) The software. All the above consist the original laboratorial system of experimental measurements for all the subjects of this dissertation. Then the operation of this system is analyzed as a tool of characterization of ultrasonic sensors.

Η διατριβή αυτή εστιάζει το ενδιαφέρον της στη μελέτη των αισθητήρων υπερήχων με συχνότητα λειτουργίας στην περιοχή των 40ΚΗz και μέσον διάδοσης τον αέρα. Παρουσιάζεται αναλυτικά ένα μοντέλο δεύτερης τάξης, και προτείνονται κυκλώματα βέλτιστης προσαρμογής των αισθητήρων κατά την εκπομπή και λήψη. Παρουσιάζει την ανάπτυξη μιας μετρητικής διάταξης νέας τεχνολογίας (για μέτρηση απόστασης, μετατόπισης, χαρακτηριστικών δονούμενης επιφάνειας) και προτείνεται μια νέα μέθοδος ακριβέστερου προσδιορισμού του χρόνου διάδοσης των κυμάτων με την εισαγωγή της τεχνικής της παρακολούθησης των μεταβολών συχνότητας αντί του πλάτους και με απ’ ευθείας, γρήγορη (σε κάθε περίοδο) και ακριβή (0.1%) μέτρηση της συχνότητας. Οι προτεινόμενοι αυτοί μέθοδοι έχουν στόχο να συνεισφέρουν στην καλύτερη αντιμετώπιση του προβλήματος μέτρησης του χρόνου διάδοσης (time of flight-TOF) σε σχέση με τις υπάρχουσες και χρησιμοποιούμενες μέχρι σήμερα τεχνικές που αφορούν μετρήσεις πλάτους του λαμβανόμενου σήματος. Πιο αναλυτικά στην αρχή αυτής της διατριβής παρουσιάζεται μια ιστορική ανασκόπηση του αντικειμένου της, με εστίαση της προσοχής στην τελευταία κυρίως δεκαετία. Αναφέρονται επίσης αρκετά εισαγωγικά στοιχεία, δίνονται ορισμοί οι οποίοι χρησιμοποιούνται στα επί μέρους κεφάλαια και τοποθετούνται τα προβλήματα. Κατόπιν παρουσιάζεται η εξέλιξη των σύνθετων συστημάτων μέτρησης και η αναγκαιότητα της ανεξαρτητοποίησής τους σε σχέση με την επεξεργαστική ικανότητά τους, με τη χρήση των μικροελεγκτών, απλής αρχιτεκτονικής στη αρχή, και πολύπλοκης αργότερα με την εισαγωγή των πανίσχυρων και πολύ γρήγορων DSP’s (Digital Signal Processors). Παρουσιάζεται και αναλύεται επίσης η πειραματική διάταξη μετρήσεων γενικής χρήσης που αναπτύχθηκε, δηλαδή: α) μηχανική κατασκευή του απομονωμένου μέσου διάδοσης των υπερήχων με ενσωματωμένους αισθητήρες και δυνατότητα μικρομετρικής ρύθμισης της μεταξύ των απόστασής. β) Το ηλεκτρονικό κύκλωμα της διάταξης (αναλογικό και ψηφιακό). γ) Το λογισμικό τόσο για τον DSP μικροελεγκτή όσο και για τον προσωπικό υπολογιστή που ελέγχει και αναλύει τις μετρήσεις. Η διάταξη αυτή αποτελεί το πρωτότυπο εργαστηριακό σύστημα των πειραματικών μετρήσεων για όλα τα θέματα της διατριβής. Επίσης παρουσιάζεται η λειτουργία αυτού του συστήματος σαν εργαλείο χαρακτηρισμού των αισθητήρων.