KAIKUMITTAUKSET. Kari Toivokoski

Transkriptio

1 KAIKUMITTAUKSET ULTRAÄÄNELLÄ Keät 200

2 Sisällysluettelo Sisällysluettelo...2 Johdanto...3 Kaikuittaus ultraäänellä...4 Kaiun eteneinen ja ittauksen toiintaperiaate...4 Mitattaa ateriaali...5 Keilan leeys ja kohtaaiskula...5 Liikkuan kohteen ittaus ultraäänellä...7 Mittauksen suuntaisen nopeuden ittaus lähestyälle kappaleelle...7 Mittauksen suuntaisen nopeuden ittaus loittonealle kappaleelle...9 Mittaussuuntaan nähden inosuuntainen nopeudeus...0 Poikittaisuuntainen nopeus...0 Rakennettu kytkentä...2 Taoitteet...2 Valittu anturitekniikka...2 Rakennettu ittalaite...3 Mittalaitteelle oinaiset paraetrit...5 Geoetria anturien sijoittelussa...5 Anturien kotelointi ja kiinnitys...5 Jälkisoiinen ja sen aikutus ittaukseen...5 Mittalaitteen jatkokehittely...6 Yhteeneto...6 Lähdeluettelo...7 Liitteet...7 LIITE LIITE

3 Johdanto Tää tutkiela on tehty keäällä 200 Tapereen Teknillisen Korkeakoulun kurssille Mekatroniikka. Tutkiela käsittelee ultraäänellä tapahtuan kaikuun perustuan etäisyysittauksen toiintaperiaatetta ja ittaustapaan liittyiä tyypillisiä uita oinaisuuksia. Tutkielan tekeistä auttoi suuresti uutaat ulkoiset tahot, joista ainittakoon Sai Koskinen (VTT Autoation), jonka asiantunteus helpotti erkittäästi asiaan tutustuista. Käytännön ittauksissa ja testikytkennän toteutuksessa kehitykseen osallistuiat aktiiisesti yös Pekka Ritaäki (Probyte) ja Hannu Miettinen (Polaratic), joiden henkilökohtainen panos ja tietäys osoittautuiat rakennetun ittalaiteprojektin eri aiheissa hyin tarpeelliseksi. Taperella,

4 Kaikuittaus ultraäänellä Ultraääniittauksia oidaan toteuttaa uutain eri taoin, utta yleisin etäisyyden ittaukseen käytetty enetelä on kaikuittaus. Mittauksessa lähetetään suunnattu ultraäänipulssi, jonka heijastuista itattaasta kohteesta kuunnellaan. Etäisyyden arioiinen perustuu äänipulssin käyttäään aikaan edestakaisella atkalla ittarin ja itattaan kohteen älillä. Ultraääniittauksen pystyy toteuttaaan oikein alitulla kaiuttiella ja ikrofonilla. Edellä ainitussa tapauksessa on kuitenkin yleensä syytä suunnitella riittää kapeakaistainen suodatus irheiden eliinoiiseksi, sekä lisätä riittäät suuntaaat rakenteet lähettielle ja astaanottielle. Ultraäänen tuottaiseen ja haainnointiin käytetään kuitenkin yleensä tarkoitukseen erikseen alistettua anturia. Ultraäänianturit tarjoaat edullisen aihtoehdon sekä ultraäänen tuottaiseen, että haainnointiin. Lisäksi anturit oat pienikokoisia ja sietäät ekaanisia ja keiallisia rasituksia uita tyypillisiä ratkaisuita parein. Kaiun eteneinen ja ittauksen toiintaperiaate Ultraäänipulssin eteneisnopeus aihtelee äliaineen ukaan. Etäisyys kohteeseen (s) saadaan laskettua seuraaasta kaaasta, jossa () on pulssin nopeus äliaineessa ja (t) on itattu kulkuaika: t s 2 T + 273,5 273,5 Äänen nopeus () ilassa, kun [T] C, saadaan kaaasta: 330,45 ( ) Mittauksen onnistuiseen aikuttaa lisäksi äliaineen aiennus, ikä näkyy aksiaalisen itattaan etäisyyden uutoksina. Ilan ollessa kyseessa, aiennus kasaa kosteuden ja käytetyn taajuuden funktiona kuan 2 ukaisesti. s Kua 2 Vaiennus kosteuden funktiona Kua Äänen nopeuden riippuuus läpötilasta 4

5 Mitattaa ateriaali Ultraääniittausten onnistuinen edellyttää haaittua kaikua itattaasta kohteesta. Tästä syystä esi huokoiset ateriaalit, kuten pahit, äänieristysleyt, erhot, atot, sohat jne eiät aiheuta aina riittäää kaikua aan absorboiat lähes koko ittausignaalin, eikä etäisyyttä saada itattua. Pahiillaan ittausirhe tulee esiin obiilin laitteen töräyksenestojärjestelässä, joka ei ultraäänellä älttäättä haaitse tääntyyppisiä esteitä. Useissa tapauksissa käytetäänkin ultraääniittauksen lisänä alointensiteettiittausta lähietäisyyksille, joka arentaa töräyksenhallintaa. Joskus kuitenkin saadaan riittää kaiku yös ultraääniittauksellakin lähietäisyydeltä, lähetyksen intensiteetin ollessa oiakas. Toinen huoioitaa seikka on ateriaalin pintakuio suhteessa käytettyn ultraäänen aallonpituuteen. Mikäli pinta on koa ja tasainen käytettyyn allonpituuteen nähden, toiii se hyin heijastiena. Tällöin, arsinkin pitkältä atkalta tehdyissä ittauksissa, saattaa heijastus ohjautua ohitse astaanottiesta, eikä inoa pintaa tästä syystä haaita. (Vrt alonsäde ja peili) Rosoisissa pinnoissa ittaussignaali heijastuu pinnan erisuuntaan kaareista osista yös haaittaasti takaisinpäin, jolloin ittaus onnistuu parein, aikkakin sisältääkin keilanleeydestä johtuaa irhettä ittaustuloksessa. Lisääällä ultraäänen aikaittaukseen saapuan signaalin aplitudin ittaus, oidaan yös kerätä tietoa erilaisista pinnoista ja pintaateriaaleista yhdisteltääksi uihin ittauseneteliin ja lopulta esi erilaisten aaerkkien tunnistukseen. Keilan leeys ja kohtaaiskula Koissa tasaisissa pinnoissa tulee esiin ittauskulan ja ittausetäisyyden erkitys. Lähetyskeilanleeys aikuttaa oleissa tapauksissa erkittäästi ittauksen onnistuiseen. Kun ittaus tapahtuu pitkälle atkalle, suhteessa astaanottien kokoon, oidaan rajata onnistunut ittaus heijastaalta pinnalta kulien perusteella. Kuan 3 ukaisesti kulien α ja β tulee toteutaa yhtälö α>β, jotta heijastus on ahdollista itata pitkältä etäisyydeltä. Mitattaan pinnan poikkeaaa rajaa siis oiakkaasti lähetyskeilan leeys. Pitkissä ittauksissa keilan leeyttä on kuitenkin rajoitettaa paitsi riittään suuren lähetystehon saauttaiseksi, utta yös hajaheijastusten inioiiseksi. Näiden toienpiteiden seurauksena itattaan pinnan suurin poikkeaa kohtisuorasta, kula β, pienenee. Kua 3 Kua 4 Lähetyskuio Kriittinen heijastuskula 5

6 α5 ittausirhe etäisyyteen d d 2 Kua 5 Mittausirheen uodostuinen inosta pinnasta Kulaongelaa lähestyttäessä lähetyskulaa leentäällä on syytä huoioida lähettielle oinainen lähetyskeila, joka lähettää eri kuliin eri taalla. Tää lähetyskeilalle tyypillinen lähetyskuio yös tyypillisesti kaentaa lähetyskulaa joka tapauksessa pideällä atkalla, jolloin eteen tulee saat ongelat kuin kapeaalla keilallakin. Lyhyillä atkoilla, käytetyn anturin jälkisoiisen, ylikuuluisen tai keskinäisen etäisyyden rajaaan iniietäisyyden ulkopuolella, leeästä keilasta on hyötyä kun itataan inoja pintoja. Tällöin anturin astaanottopinnan leeys hiean kopensoi lähetyskeilan leeyttä. Lähietäisyydellä, käytettäessä kahta anturia, yleensä anturien keskinäinen etäisyys nousee erkittäään aseaan. Lähetyskeilan leeydellä on yös suuri erkitys irheeseen. Mitattaessa Kuassa 6 esitettyä tapausta, jossa etäisyysinforaatioon perustuen etsitään pinnasta aukkoja ja kohouia. Täänkaltaisessa tapauksessa kohouat piteneät ja aukot kapeneat. Vääristyät etäisyysinforaatioon jätäe käsitteleättä inoilla seinillä oleien palkkien ja aukkojen ittauksen suhteen. Kua 6 Keilanleeyden ääristää aikutus pilareiden ja lukkojen kohtisuorassa ittauksessa 6

7 Liikkuan kohteen ittaus ultraäänellä Liikkuan kohteen nopeus oi perustua dopler iliöön yös ultraääntä käytettäessä. Tässä tapauksessa kuitenkin on huoioitaa ultraääniastaanottien herkkyys eri taajuuksilla ja alittaa riittään laajakaistainen ultraäänieleentti tai ikrofoni astaanottieksi. Täänkaltaista nopeusittausta ee tarkastele tässä tutkielassa enepää. Toisaalta liikkuan kohteen nopeuden ittaus kaikuittausperiaatteella, käyttäen ultraäänen eteneisaikaa, perustuu erillisiin paikkaittauksiin, joiden perusteella lasketaan kappaleen liikenopeus. Edellytyksenä on tietenkin riittään pieni kohteen nopeus, jotta kappale paitsi pysyy ittausalueella ja toisaalta liikeestä syntyä irhe pysyy suhteessa riittään pienenä. Lisäksi irhettä nopeusittaukseen aiheuttaa kappaleen siusuuntainen liike ittauskeilan alueella. Fysikaalisen aksiin äärittelee ultraäänen eteneisnopeus äliaineessa, jonka perusteella oidaan laskea itattaa huippunopeus riippuen ittalaleitteen kantaasta. Mittauksen suuntaisen nopeuden ittaus lähestyälle kappaleelle Edelläainittujen reunaehtojen puitteissa tarkastelee syntyää ittausirhettä liittyen nopeusittaukseen, joka perustuu kahteen erilliseen paikkaittaukseen. Oletetaan tilanne, jossa kappale etenee ittaria kohti nopeudella. Etäisyysittari ittaa kappaleen paikan kahdella ittauspulssilla, jotka laukaistaan ajan t älein. Mittauspulssin nopeus äliaineessa on. Ensiäisen ittauspulssin liipaisuhetkellä kappale on pisteessä x. Mittauspulssi heijastuu kappaleesta kuitenkin ittauspulssin eteneisiieen takia asta kohdassa x. Paikkairhettä ittaukseen syntyy atkan d erran, joten ittauspiste x on siis etäisyydellä s x etäisyysittarista. Nyt oidaan ääritellä etäisyys d kertoien k ja kokonaisetäisyyden s x aulla seuraaasti. Kun s x d + s x' t + t t( + ) ja d k*s x, niin kerroin k oidaan ratkaista: (.0) d k s x ( t + ) t +. Kappaleen nopeuden pysyessä akiona, pysyy akiona yös kerroin k, jolloin johdettua kaaaa oidaan käyttää koko ittausalueelle ääritteleään irheen suuruuden riippuuus paikkaan nähden. Kun oletetaan, ettei kappaleen nopeuden ittaaiseen aikuta ittaussignaalin aiheuttaa uuttua ittausiie, kappaleen nopeus oidaan laskea kaaasta: s s x x2. t Kua 7 Lähestyä liike 7

8 Mittausiieen ääristää nopeus it saadaan huoioialla allissa kappaleen siirtyä ittauksen aikana, jolloin tulos saadaan seuraaasti: s s t ( s ks ) ( s ks ) s s 2 t t x' x2' x x x2 x2 x x (2.0) ( k) ( k), it näin ollen ittauksessa on syntynyt irhettä D err todellisen nopeuden it ja ideaalisen ittauksen kesken seuraaasti: (3.0) D err it % it k... k 00, kun k[0,]. Sijoittaalla edelliseen aiein johdettu k:n lauseke (.0), saadaan irhe D err laskettua yös nopeuksien ja aulla: (4.0) D err... 00% Näinollen nopeusittauksessa aiheutua ittausirhe on sitä suurepi, itä lähepänä itattaan kappaleen nopeus on ittaussignaalin nopeutta. Toisaalta kaaan (2.0) ukaisesti käy ili, että lähestyän kappaleen nopeutta itatessa ittaussignaalin kulkuiieestä johtuen kappaleen todellinen nopeus on suurepi, kuin ittauksen antaa tulos. Esierkki: Jos halutaan toteuttaa huoneläpötilassa (20ûC) nopeusittaus, jonka ittasignaaliiieestä johtua irhe ei ylitä 5%:a lähestyälle kappaleelle, niin edellisen perusteella kappaleen aksiinopeus rajoittuu seuraaasti: T + 273, ,5 330,45 ( ) 330,45 ( ) 342, ,5 s 273,5 s s k 5 % 0,05* 342,33 7,2 6, 632 s s h 8

9 Mittauksen suuntaisen nopeuden ittaus loittonealle kappaleelle Vastaaasti loittonean kappaleen ittauksessa ittaustulos ääristyy siten, että ittauksen antaa tulos on suurepi, kuin kappaleen nopeus. Tällöin akio k oidaan ääritellä oheisen kuan ukaisia erkintöjä käyttäen seuraaasti: (5.0) d t ksx (6.0) s + t t ; sijoitetaan (5.0) x sx + ksx t t k s ; ratkaistaan k x t t t Edellisen perusteella kerroin k on riippuainen ain nopeuksista ja. Kun oletetaan ittausignaalin eteneinen äärettöän nopeaksi, niin kappaleen nopeus oidaan laskea kaaasta: (7.0) s x2 t s x Edelleen ittausiieen ääristää nopeus it saadaan huoioialla allissa kappaleen siirtyä ittauksen aikana, jolloin tulos saadaan seuraaasti: (8.0) it s x2 ' sx ' ( sx2 + ksx2 ) ( sx + ksx t t ) s ( + k) x2 s t x ( + k) Kua 8 Loittonea liike Nyt ideaalisen nopeusittauksen ja todellisen ittauksen it älille on syntynyt irhettä D err : (9.0) D err it % it k... + k 00 ; kun k[0,] Sijoittaalla edelliseen aiein johdettu k:n lauseke (6.0), saadaan irhe D err laskettua yös nopeuksien ja aulla: (0.0) D err 00% On syytä huoata, että saatu tulos irheen suuruudelle kohdassa (0.0) on yhtäpitää lähestyän liikeen irheen laskukaaan (4.0) kanssa. 9

10 Mittaussuuntaan nähden inosuuntainen nopeudeus Mittausakselin suhteen kulassa lähestyä kappaleen nopeuden ittaus sisältää aikeasti hallittaia ongelia, sillä itattaan kappaleen uodot saattaat aikuttaa heijastuspisteen paikkaan kappaleen pinnalla. Tään seurauksena syntyy luonnollisesti irhettä itattuun etäisyyteen. Jos kuitenkin oletetaan ittauksen tapahtuan kapealla keilalla siten, että ittauspiste pysyy ittaussuunnan keskiakselilla, niin tällöin itattu nopeus, on kappaleen kohtisuora nopeus koponentti, jonka aulla oidaan laskea kappaleen todellinen nopeus eteneissuunnassa α. ' cosα Näin ittaaalla saatuun tulokseen on pätee tietenkin yös edellisen kohdan lähestyän ja loittonean kappaleen ittaukseen johdettu irhetarkastelu. Kua 9 Viisto liike Poikittaisuuntainen nopeus Kun itataan nopeuksia poikittaissunnassa, käyttäen etäisyysittaria, nousee ittauskeilan rajojen tunteus erkittäään aseaan. Kuan 0 ittauskeila kuaa aluetta, jolta kappaleesta saadaan heijastus. Itse keila saattaa ja yleensä yös onkin, paljon kuattua leeäpi, jolloin ongelaksi oi uodostua eri uotoisten kappaleiden haainnointi erilaisista kulista. Poikittaissuunnassa eteneän kappaleen ittauksessa taritaan lisäksi tieto kappaleen pituudesta ja etäisyydestä, jolla kappale kulkee. Kohtisuora etäisyysinforaatio saadaan laskettua ittalaitteessa itattujen etäisyyksien iniinä. Kappaleen pituus on ittalaitteelle syötettää paraetri. Siuuttaan kappaleen itatun nopeuden tarkkuutta ja irhettä oidaan arioida lähetettyjen ittaussignaalien frekenssin perusteella, jotka äärääät ittauksen resoluutio yhdessä ittausetäisyyden kanssa. Koska kauepana eteneä kappale käyttää ohitukseen eneän aikaa, diskreetin ittausfrekenssin aikutus lopputulokseen pienenee. Toisaalta ittaus pideälle etäisyydelle kestää yös pideän aikaa, eikä ittausfrekenssi täten oi olla yhtä suuri, kuin lähietäisyydelle itatessa. Kua 0 Poikittaisliike keilan poikki 0

11 Oheinen kua esittää ongelallisen tilanteen, joka aiheutuu heijastaapintaisen kappaleen ohittaessa ittauskeilan. Yhdestä kappaleesta saadaan tuloksena kahden erillisen nopeasti ohittaan kappaleen ittaukset. Kua Esierkki hankalan allisesta kappaleesta

12 Rakennettu kytkentä Taoitteet Taoitteena oli rakentaa ultraääneen perustua etäisyyttä ittaaa laite, jonka aulla olisi ahdollista käytännössä arioida ultraäänen soeltuuutta erilaisiin ittaustarpeisiin. Taoitelluksi ittausalueeksi ittarille ääriteltiin - 3. Alustaaksi etäisyysittauksen taoitetarkuudeksi ääriteltiin n ± 5c, inkä perusteella pyrittiin lähinnä itoittaaan käytetyn aikaittauksen tarkuutta. Etäisyysittarin piti yös tarjota yksinkertainen digitaalinen rajapinta arsinaiselle soellukselle, joten tarittaat ittaustapahtuien ohjaukset ja tulkinnat sisällytettiin itse ittalaitteeseen. Mittauksen ohjaus ja liipaisuhetki, sekä erilaiset itse ittauksiin liittyät toiintatilat, kuten esi uutosalonta hälytinsoelluksissa, suunniteltiin tapahtuan erilaisten asetus- ja tilauuttujien aulla. Niinpä jo heti ensiäinen protoittauksiin suunniteltu kytkentä rakennettiin ahdollisian tarkaan jo kokonaisuutena edellä ääritellyn kuauksen ukaisesti. Näin olisi ahdollista kehittää ja arioida yös ohjausrajapintaa. Valittu anturitekniikka Ultraääniantureita on erityyppisiä joista yleisipiä oat elektrostaattinen, elektrodynaainen, agnetostriktiiinen, pietsosähköinen ja pneuaattinen anturi. Merkittäipien anturitekniikoiden oinaisuuksia on ertailtu oheisessa taulukossa (Taulukko ). ANTURIT Paraetrit Elektrostaattinen Pietsokeraainen Koposiitti Pietsopolyeeri Vastaanottoh. (V/Pa) Lähetysh. (Pa/V) Taajuusalue (fax) khz Suht. kaistanleeys Kapasitanssi (nf) Käyttöläpötila ( C) 80 > 00 > Mek. kestäyys alhainen korkea korkea alhainen Oinaisuuksien uunneltauus keskinkertaine n pieni keskinkertaine n suuri Taulukko Erilaisten anturityyppien keskeisten oinaisuuksien ertailu 2

13 Rakennettuun ittalaitteeseen alittiin teollisuudessa yleisesti käytössä olea pietsokeraainen anturi. Valintaan aikutti anturityypin edullisuus, hyä saatauus sekä ulkoisten olosuhteiden suhteellisen hyä kestäyys. Anturityyppiä on saataissa yös suljetussa kotelossa, jolloin sitä oidaan käyttää parein aihteleiissakin olosuhteissa, kuten ulkokäytössä. Mittalaitteen anturiksi tilattiin Farnellilta 0 lähetin-astaanotin pari, jonka keskeisiät oinaisuudet, kuten resonanssitaajuus 40kHz ± khz, keilanleeys 30 ja tyypillinen kantoatka 5 sopiat projektin taoitteisiin arsin hyin. Lähetin ja astaanotinasteet pyrittiin rakentaaan anturin uiden annettujen spesifikaatioiden ukaan. Kua 2 Kua Farnell:in katalogista 2000 siulta 745 Rakennettu ittalaite Rakennettu ittalaite koostuu oheisen kuan ukaisista lohkoista, joita ohjataan ikrokontrollerilla. MCU:n käyttö ittauksessa on tarpeellista riittään suuren onikäyttöisyyden saauttaiseksi. MCU ohjaa ittaustapahtuaa generoialla ittaussignaalin, laskealla heijastuksen etäisyyden, sekä tarjoaalla erilaisia asetusparaetrejä ja toiintatiloja riippuen soelluksesta. Protolaitteessa MCU:ksi alittiin Microchip:in PIC6F84 sujuan ja nopean testiohjeliston käyttöönoton aristaiseksi. Mittalaitteen tuleissa ersioissa on yös ahdollista päiittää käytetty cu-ydin suoraan uuteen pinniyhteensopiaan PIC6F628 kontrolleriin, jolloin pystytään toteuttaaan signaalin analogisia aplitudiittauksia ja käyttäään entistä suurepia ohjelistoja. Prototyypissä lähettien ohjaus toteutettiin suoraan prosessorilta syötettäänä resonanssitaajuudella Kua 3 Mittalaitteen lohkokaaio 3

14 olealla purskeella. Tyypillinen lähetypurske koostui 0 jaksosta, resonanssitaajuuden ollessa n. 39kHz. Kyenen jakson lähetyspulssien lukuäärä perustuu liitteessä oleiin ittauksiin, joiden ukaan astaanottien aksiaalinen resonanssi saautetaan käytetyillä etäisyyksillä 0.25s kuluessa. Vastaanotin koostuu esiahistiesta, ylipäästösuodattiesta ja tasonsiirtopiiristä. Varsinainen astaanoton tulkinta tapahtuu asta prosessorilla. Mittaukset osoittiat kaistan olean noraaleissa huoneolosuhteissa arsin hiljainen, eikä antureille oinaisen aiennuksen lisäksi haaittu taretta erillisille suotopiireille. Häiriöiden suodatus perustuu yös lähetinpulssin aaaaan aikaikkunaan, jolloin esineiden putoaisen tai uiden tilapäisten oiakkaiden ultraäänipulssien aiheuttaan irheen todennäköisyys pienenee. Suodatusta oidaan tehdä yös digitaalisesti, jolloin ittaustulos oidaan laskennallisesti perustaa useapaan erilliseen ittaukseen. Mittalaitteen rajapinnaksi testikäytöön alittiin sarjauotoinen 5V:n rs232 äylä. Väylän toteutus arsinaisessa laitteessa tulisi oleaan todennäköisesti aluksi kuitenkin SPI, joka helpottaa synkronisena äylänä kaksisuuntaisen kounikoinnin toteutusta ohjelistolla, sillä PIC 6F84 ei sisällä UART:ia. Mikäli MCU ydin päiitetään PIC 6F628:ksi, joka tukee raudalla UART:ia, on liikenteen toteuttainen ahdollista yksinkertaisesti yös rs232 speksin ukaisesti. LCD-näyttö lisättiin laitteeseen lähinnä sen takia, että testikäytössä ittaukset oitaisiin irroittaa PC:stä ja terinaaliohjelasta. Näin olisi ahdollista arioida laitteen toiintaa, erilaisia ateriaaleja ja niiden heijastusoinaisuuksia, sekä saautettua keilan leeyttä ja ittauksen herkkyyttä erilaisissa olosuhteissa. Etäisyysittarin prototyyppi koteloitiin oheisen kuan ukaiseen uoiseen peruskoteloon. Koteloinnin taoitteena oli arioida anturien kiinnitystä ja kotelon aikutusta arsinaiseen ittaukseen. Kua 4 Etäisyysittari 4

15 Mittalaitteelle oinaiset paraetrit Geoetria anturien sijoittelussa Anturit sijoitettiin aakatasossa n 4c etäisyydelle toisistaan. Antureissa esiintyy ylikuuluista ikä jätettiin huoiotta, koska käytännössä ylikuuluinen pidensi ain sokeaa aluetta, eikä tarkoituksena ollut saauttaa ittauksia lähialueelle. Saasta syystä keilat oliat suhteellisen kapeita, jonka seurauksena yöskään hyin läheltä ei ollisi ollut edes ahdollista saada kaikuja. Anturien älinen ylikuuluinen itattiin siirtyän ilassa 5c pituisen atkan ylitse. Äänieristeen lisääistä kotelon sisään ei kokeiltu. Anturien kotelointi ja kiinnitys Anturien kiinnitys koteloon tehtiin erikseen sorattujen uoisten kartioiden aulla. Kartioiden tarkoitus oli kaentaa lähettien keilaa ja parantaa suuntaauutta ja äänen intensiteettiä kapealla sektorilla. Käytännön ittauksissa oheisen kuan ukainen kartio osoittautui tarpeelliseksi, sillä kartion ekaaninen asennus ittauksissa osoitti kasattaan anturiparin ittausaluetta yhdestä etristä n.2,5 asti. Kapean keilan seurauksena ittaukset aatiat suuria (50*50c) kohtisuoria pintoja, jotta lähetys yleensä saatiin osuaan ittauspintaan yli 2 etäisyydeltä. Jälkisoiinen ja sen aikutus ittaukseen Jälkisoiinen aiheuttaa ittalaitteen eteen, tyypillisesti n 5-20c:n pituisen sokean alueen, jolta tuleia heijastuksia ei pystytä erottaaan taallisilla enetelillä lähetyspulssista. Tää on ongela arsinkin lähetyspulssin ylikuuluessa. Kua 5 Anturin kiinnitys Käytettäessä yhtä anturia anturien keskinäinen aakasuuntaisen etäisyyden rajoitukset saadaan poistettua. Lisäksi Liiteessä 0 esitetyssä ittauspöytäkirjassa tutkittiin yhden anturin käyttöä sekä astaanottiena, että lähettienä, jolloin pietsokeraaiselle anturille tyypillinen pitkä jälkiresonanssi pyrittiin eri keinoin sauttaaan. Tulokset osoittiat, että 0 jakson lähetyspurskeella jälkiresonanssia oidaan lyhentää jopa 25% ( käyttäälläe ohjauksella ja anturilla ) oikosulkealla anturi 3:n jakson ajaksi heti lähetyspurskeen jälkeen. 6:n jakson pituinen oikosulku ei juuri enää nopeuta aieneista. Myös aktiiinen ohjaus käännetyllä aiheella nousi ittausaiheessa esille, utta aieneisnopeus arioitiin riittääksi, koska teoreettinen iniietäisyys saatiin edellä ainitulla keinolla n. 2 c:n. 5

16 Mittalaitteen jatkokehittely Rakennetulla etäisyysittarilla saatiin rikottua 3:n ittausraja testiolosuhteissa. Käytännössä 3:n saauttainen todellisissa olosuhteissa aatisi oiakkaapaa lähetystä, tai progressiiista astaanottoahistusta. Seuraaassa ersiossa on tarkoitus soeltaa olepia tekniikoita, sillä oiakkaaan lähetyksen aikaansaaa tehon kasu, olisi tarkoitus sijoittaa leeäpään keilaan, jolloin ittausaruus pitkiltä etäisyyksiltä saadaan kasaaan. Progressiiisuudella haetaan parhaiillaan ielä uutaia lisäetrejä. Tehdyt ittaukset yksianturitekniikalla näyttiät lupaailta. Mittalaitteen soeltainen edellyttää lisäksi paljon protoa pienepää kokoa, jolloin yksianturitekniikka näyttäisi tuoan huoattaaa helpotusta asiaan. Varsinainen hallintaelektroniikka saadaan arioiden ukaan sijoitettua riittään pieneen tilaan itse anturin taakse, jolloin kokoon liittyät paineet saadaan tyydyttäästi ratkaistuksi. Anturin sokea lähikenttä nosti yös ajatuksia alointensiteettiittauksen integroiisesta ultraääniittariin. Aieat tutkiukset osoittaisiat alointensiteettiittarin kattaan helposti riittään 50c etäisyyden ultraäänen osin sokealta alueelta, jolloin arsinkin obiilikäytössä tarittaa töräyksenhallinta olisi huoattaasti arealla pohjalla. Lisäksi sekoittaalla olepia ittaustekniikoita on teoriassa ahdollista haainnoida ärejä ja ateriaaleja anturien yhteiskäytöllä, jolloin edelleen aaerkkejä käyttäät soellukset oat helpopia toteuttaa. Yhteeneto Ultraäänianturit tarjoaat edullisen ittausjärjestelän hyinkin aihteleiin soelluksiin. Jotta kuitenkin ittauksen toiiuus ja luotettauus saadaan optioitua, tulee paitsi toiintaypäristö tuntea riittään tarkasti, on yös syytä harkiten alita ypäristöön parhaiten sopia ultraääntä soeltaa ittaus- ja anturitekniikka. Vaihteleissa ittausolosuhteissa ultraääniittaukset oat hyänä osana eri ittaustekniikoiden kobinaatioissa, utta käytettäessä ultraääntä ainoana haainnointikeinona on ittauksissa heikkouksia, jotka rajoittaat sen käyttöä tietyissä tilanteissa. Suurta resoluutiota kaipaaissa ittauksissa joudutaan yleensä käyttäään useita kapeakeilaisia ultraäänilähettiiä ja -astaanottiia. Mikäli anturit kaikuittaaat saalla kaistalla, joudutaan jakaaan ittaushetket sopiasti eri antureiden kesken. Tällöin irhekaikujen älttäiseksi ittausäli yhdellä anturilla helposti kasaa, ikä on syytä ottaa huoioon ittalaitteiden suoritusaroissa. Rakennettu ittalaite osoitti toisaalta ultraääneen perustulan ittaustekniikan toiiuuden ja rajoitteet, toisaalta ekaanisen suunnittelun tarpeen toiiien puitteiden luoiseksi onnistuneille ittauksille. Tarittaa jatkokehitys suuntautuukin pääosin fyysisen koon pienentäiseen ja ittauskeilan optioiiseen. 6

17 Lähdeluettelo ) VTT:n koneautoaatio Pentti Mattilan 996 julkaiseia tuloksia ultraääniluotauksesta: 2) Diploityö - Sai Koskinen /2000: Luonnolliset aaerkit palelurobotin naigoinnissa / ultraääniittaukset 3) Oat uistiinpanot erilaisista ittauksista ja koekytkennöistä Liitteet ) MITTAUSPÖYTÄKIRJA ROBOTTIYHDISTYKSEN TAPAAMINEN KANGASALAN SAARNOLASSA ) KUVIA PROTOMITTARISTA 7

18 LIITE 0 SUOMEN ROBOTTIYHDISTYKSEN TAPAAMINEN Kangasalan Saarnolassa MITTAUSPÖYTÄKIRJA Mittausta oli paikalla tekeässä: Pekka Ritaäki Sai Koskinen LÄHTÖKOHTA: Lähettieen (Farnell 23-24) syötetty pulssiäärä 0kpl 39kHz,Ohjaus+-5V MITTAUS 0: Mitataan astaanottien resonanssia. Tarkoituksena on selittää riittään pitkän lähetyspulssin jaksojen äärä. > Tyypillinen astaanottien resonanssi saautetaan 0.25s aikana. MITTAUS 02: Mitataan ja arioidaan lähettien jälkikaikua, erilaisten jälkikaiun sauttaiseen pyrkiien enetelien aulla. Taoiteena on arioida anturin sokeaa iniietäisyyttä siinä tapauksessa, että lähetin- ja astaanotinanturina käytetään saaa fyysistä anturia. - Lähettien jälkikaiku, kun ohjaus pulssin jälkeen suoraan HighZ - tilaan > 0.87s. - Lähettien jälkikaiku, kun aiennuksena (oikosulku) on 3 jaksoa arsinaisen purskeen jälkeen > 0.66s - Lähettien jälkikaiku, kun oikosulku kestää 6 jaksoa > 0.65s - Lähettien jälikaiku, kun oikosulku kestää jakson > 0.75s YHTEENVETO JA MUUT HAVAINNOT: ) Progressiiinen ahistus on tarpeellinen, jotta päästään pideille atkoille. 2) Suuntaauus on suhteellisen herkkä käytetyllä keilalla. Keilaa pitäisi leentää ja tään seurauksena taritaan suurepi lähteysteho. Teho saautetaan parhaiten syöttäällä lähetintä aksiaalisella ohjauksella, eli +-0V:lla. 3) Suurepi lähetysteho lisää luonnollisesti yös jälkikaikua lähettiessä, istä syystä on tutkittaa tarkein aiennuksen taretta. Toinen aihtoehto etäisyyden kasattaiseksi on astaanottien herkkyyden parantainen. Kohinan poistaiseksi on syytä käyttää suhteellisen kapeakaistaista astaanotinahistinta. 8

19 LIITE 02 KUVIA ETÄISYYSMITTARISTA Kua 6 Protoittarin sisuskalut Kua 7 Protoittari päältä 9