Cảm biến đo khoảng cách

Các cảm biến này được sử dụng để đo khoảng cách từ một điểm tham chiếu tới một đối tượng. Rất nhiều công nghệ khác nhau đã được ứng dụng để phát triển các loại cảm biến này, tiêu biểu là ánh sáng/quang học, hình ảnh, vi sóng, và siêu âm.Cảm biến đo khoảng cách có thể phân thành 2 loại: Tiếp xúc và không tiếp xúc.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Cảm biến đo khoảng cách Cảm biến đo khoảng cách! Giới thiệu Các cảm biến này được sử dụng để đo khoảng cách từ một điểm tham chiếu tới một đối tượng. Rất nhiều công nghệ khác nhau đã được ứng dụng để phát triển các loại c ảm biến này, tiêu biểu là ánh sáng/quang học, hình ảnh, vi sóng, và siêu âm.Cảm biến đo khoảng cách có thể phân thành 2 lo ại: Ti ếp xúc và không tiếp xúc. Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc là loại cảm biến đo khoảng cách thực từ điểm tham chiếu tới một đối tượng không thông qua tiếp xúc vật lý. Có ít nhất bảy kỹ thuật đo khác nhau đươc áp dụng trên các cảm biến này: • Đo tam giác • Thời gian truyền • Đo dịch pha • Điều biến tần số • Giao thoa • Hội tụ quét • Cường độ tín hiệu trả về Cảm biến đo khoảng cách không tiếp xúc được phân chia thành hai loại: chủ động (phát một số dạng năng lượng vào khu vực quan tâm) hoặc thụ động (dựa trên năng lượng phát ra từ các đối tượng trong khu vực quan tâm). Các thuật ng ữ thườngđ ượ c s ử d ụ ng nh ư radar (radio direction and r anging), sonar (sound navigation and ranging), và lidar ( light direction and ranging) tương ứng với các phương pháp chủ động dựa trên một số kỹ thuật đo ở trên. Ví dụ, radar s ử dụng kỹ thuật thời gian truyền, đo dịch pha, hoặc điều biến tần số. Sonar thường sử dụng kỹ thuật thời gian truyền do tốc độ âm thanh đủ chậm để đo bằng các thiết bị điện tử có giá thành thấp. Lidar thường dựa trên cơ sở kĩ thu ật laser s ử d ụng phép đo thời gian truyền hoặcđo dịch pha. Với các loại cảm biến tích cực (phản xạ), khoảng cách đo hiệu quả phụ thuộc không chỉ vào mức năng lượng phát ra mà còn phụ thuộc vào các đặc tính sau của đối tượng: • Diện tích tiết diện ngang - xác định lượng năng lượng phát ra tác động vào đối tượng. • H ệ s ố ph ả n x ạ - xác đ ị nh l ượ ng năng l ượ ng truy ền t ớ i đ ượ c ph ả n x ạ so v ới l ượ ng năng l ượ ng b ị h ấp t h ụ ho ặ c xuyên qua. • Độ tập trung - xác định khả năng phân bố lại c ủa năng lượng phản xạ. Rất nhiều cảm biến không tiếp xúc hoạt động dựa trên vật lý học truyền sóng. Sóng được phát ra tại một điểm tham chiếu,kho ả ng cách đ ượ c xác đ ịnh b ằng cách đo th ời gian t ruy ề n t ừ đi ểm tham chi ếu t ới v ật ho ặc đ ộ suy gi ảm c ủa c ườ ng đ ộ khi sóng truyền tới vật và quay trở lại điểm tham chiếu. Thời gian truyền sóng được đo bằng phương pháp thời gian truyền hoặcđiều biến tần số. Đo khoảng cách bằng phương pháp thời gian truyền Phương pháp thời gian truyền được minh họa trong hình 1 và 2. Một sóng cửa (chỉ phát ra vài chu kỳ) được phát ra và phản xạ từ vật về bộ thu có vị trí gần bộ phát. Bộ phát và bộ thu có thể được tích hợp trên cùng một cảm biến. Bộ thu cũng c ó th ể đ ượ c g ắ n trên v ật. TOF là th ời gian t ừ khi b ắt đ ầ u phát đ ế n khi có tín hi ệu tr ả v ề. Kho ảng cách đ ượ c x ác đ ị nh bằng công thức: d = c.TOF/2 khi b ộ phát và b ộ thu ở c ùng m ộ t v ị trí, ho ặc d = c.TOF k hi b ộ thu đ ượ c g ắn t rên v ậ t. Đ ộ chính xác thường là 1/4 của bước sóng khi phát hiện tín hiệu trả về, tại thời điểm biên độ c ủa nó ti ến t ới ngưỡng giới hạn. Hệ số khuếch đại được tự động tăng lên tương ứng với khoảng cách để đảm bảo độ chính xác. Đ ộ chính xác có thể được cải thiện bằng phương pháp dò biên độ cực đại (hình 3). Điều này làm cho việc xác định thời gian đến của sóng ít phụ thuộc vào biên độ tín hiệu. Siêu âm, sóng rađiô, hoặc các nguồn năng lượng quang học thường được sử dụng; vì vậy các thông số liên quan đến việc tính toán kho ảng cách là tốc độ của âm thanh trong không khí (gần 0.305 m/ms), và tốc độ của ánh sáng (0.305m/ns) Hình1. Sóng được phát và phản xạ lại từ vật. Khoảng cách d được tính theo tốc độ truyền song c, và thời gian truyền song TOF theo công thức: d = ( 1 / 2 ) . c T O F Hình2. Định nghĩa thời Hình3. TOF tính theo biên gian truyền sóng độ lớn nhất củatín hiệu phản xạ để tăng độ chính xác Sai số của phương pháp thời gian truyền có thể do các nguyên nhân sau: - Sự thay đổi tốc độ truyền sóng, đặc biệt là v ới các h ệ thống âm thanh - Không xác định chính xác được thời gian đ ến c ủa xung phản xạ (Figueroa & Lamancusa, 1992) - Sai số của mạch định thời sử dụng để đo thời gian truyền - Sự tương tác của sóng tới với bề mặt c ủa đối tượng c ần đo khoảng cách Tốc độ truyền: Trong hầu hết các ứng dụng, sự thay đổi tốc độ truyền của năng lượng điện từ là không quan trọng và có thể bỏ qua, ngoại trừ các hệ thống định vị sử dụng vệ tinh. Tuy nhiên, nhận định trên là không đúng đối với các hệ thống sửdụng âm thanh, nguyên nhân là do tốc độ của âm thanh chịu ảnh hưởng rõ rệt của sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm. (Tốc độ củaâm thanh tỉ lệ với căn bậc hai của nhiệt độ Rankine; nếu nhi ệt đ ộ của môi trường thay đổi 300 thì sai số đo sẽ là 1ft ứng vớikhoảng cách đo là 35 ft.) Độ bất định: Còn được gọi là các sai số bước thời gian (time-walk error) gây ra do sự thay đổi cường độ tín hiệu trả về(là kết qu ả c ủa (1) sự thay đổi độ phản xạ bề mặt của vật, và (2) sự suy giảm tín hiệu theo lũy thừa bậc bốn của khoảng cáchdo s ự phân kì hình cầu). Sự khác biệt trong m ật độ tín hi ệu tr ả v ề tác động tới thời gian tăng (là thời gian để tín hiệu tăng t ừ10% đến 90% giá trị biên độ cực đại) của xung dò được, và trong trường hợp dò có ngưỡng giới hạn cố định thì những vật cóđộ phản xạ thấp sẽ xuất hiện với khoảng cách xa hơn (Lang, 1989). Vì lý do này, các bộ phân tách hằng s ố thời gian thườngđ ượ c dùng đ ể thi ế t l ập ng ưỡ ng dò t ại m ột s ố giá t r ị xác đ ị nh, các giá tr ị này tính theo giá tr ị đ ỉnh c ủa xung n h ậ n đ ượ c, (Vuylsteke, 1990; Figueroa & Doussis, 1993). Đ ị nh th ờ i: T ố c đ ộ c ủ a âm thanh trong không khí là t ươ ng đ ối t h ấ p. Đây là m ột đ ặc đi ểm khi ến TOF tr ở ...