Ultrasonido en el diseño del sistema de rango de aire

Estoy diseñando un telémetro de ultrasonido de aire que hace rebotar señales de ultrasonido en la cabeza de una persona para medir la distancia del dispositivo a la cabeza. El objetivo es obtener una precisión de ~ 1 mm a medida que un dispositivo se aleja activamente de la cabeza de una persona (el rango de distancias es de 0 mm a ~ 250 mm), por lo que necesito una tasa de actualización bastante buena (> 30 Hz). Por supuesto, también hay algunos problemas con la reflectancia del cuero cabelludo y la oclusión causada por el cabello de una persona.

  1. ¿Cómo determino el mejor transductor de frecuencia para usar? Estaba pensando en 40 kHz debido a los componentes de bajo tamaño y la disponibilidad del mercado.
  2. ¿Debo optar por un haz estrecho o un haz ancho? Creo que el haz angosto tendría una mejor reflectancia, pero ¿no funcionarían solo para rangos específicos?
  3. Cuando monto estos transductores en este dispositivo, ¿es necesario que estén en un ángulo relativo entre sí para optimizar el reflejo? ¿O su eje de transmisión puede ser normal al mismo plano?
  4. ¿Qué tipo de procesamiento de señal debo usar? Obviamente, los transductores de ultrasonido de bajo ancho de banda tendrán una forma de onda bastante amplia, por lo que creo que la correlación no funcionará muy bien. Pero, ¿un método de umbral será lo suficientemente preciso? ¿Quizás hay otros métodos que no he considerado?
La distancia mínima de 0 mm no es realista. La mayoría de los transmisores ultrasónicos de 40 kHz utilizan una ráfaga de ciclos múltiples para hacer sonar el transductor. El receptor deberá ignorar este tiempo y un poco más para que el receptor se recupere de los efectos de la transmisión. Un pulso de tiempo de subida rápido en un transductor piezoeléctrico puede ser una gran mejora en un transductor apropiado (como tocar una campana), pero aún se requiere tiempo para múltiples ciclos. Una frecuencia más alta puede ayudar, pero tenga en cuenta que una frecuencia demasiado alta puede atenuarse muy rápidamente en el aire.
"Polaroid Sonar" utilizado para la búsqueda de rango de fotos, y aún debería estar disponible en los mercados de segunda mano. Dado que una cara no es plana, ¿dónde se repetiría el sonido para obtener una precisión de incluso un mm?
Después de haber jugado un poco con transductores de 40 kHz, creo que está siendo un poco optimista como lo han hecho otros, pero obtiene (o puede) obtener una amplitud decente desde el primer ciclo de manejo. Por supuesto, debe asegurarse de iniciar cada pulso en el mismo punto del ciclo, es decir, sincronizar su reloj y la frecuencia de transmisión.
Entiendo que 0 mm no es realista, pero puedo montar los transductores lejos de donde el dispositivo entrará en contacto con la cabeza (a una distancia fija y conocida). Entonces puedo agregar un desplazamiento aquí.
Y entiendo que la cara tiene textura. Supongo que lo que quiero decir es que quiero detectar el aspecto de la señal de ultrasonido de esto con una precisión de 1 mm, y puedo tener en cuenta la forma de la cara/cabeza de diferentes maneras.
¿Qué quiere decir con "obtener una amplitud decente desde el primer ciclo de conducción"?
Por lo que sé, es posible que deba usar una frecuencia de señal más alta para obtener la resolución que desea.

Respuestas (2)

El objetivo es obtener una precisión de ~1 mm

La longitud de onda está determinada por la velocidad y la frecuencia. La velocidad es de aproximadamente 340 m/s y, por lo tanto, la longitud de onda es de 8,5 mm.

Así que lo que usted puede pedir. Cualquier onda estacionaria que pueda obtener ocurrirá cada 8,5 mm y esto podría arruinar la precisión esperada de 1 mm.

A continuación, puede señalar que utilizará un pulso dirigido al transductor. Los resonadores de 40kHz que he encontrado son muy "resonantes" y generar un pulso puede no ser tan fácil.

Digo estas cosas porque creo que hay que tenerlas en cuenta.

Un haz más angosto me parece lógico o, de lo contrario, podría haber varios reflejos de diferentes objetos que regresan y oscurecen la medición de distancia deseada. Recuerde también que los dispositivos de haz angosto aún pueden producir/ser susceptibles a la interferencia del lóbulo lateral.

En cuanto a sus otras preguntas, creo que debe determinar qué desea transmitir antes de pensar en el procesamiento de la señal.

He jugado un poco con los transductores de 40kHz y sí, son muy resonantes. Descubrí que conducir los transmisores a voltajes altos durante solo 5 o 6 períodos (creo que la onda cuadrada está bien ya que el transductor actúa como BPF) funciona mejor. De lo contrario, los receptores sonarán durante mucho tiempo y me impedirán realizar la próxima actualización. Dada esta señal de accionamiento muy breve y agresiva, ¿existe un método de procesamiento de señal ideal?
No es mi campo. Solo sé lo que he visto en el pasado al usar ultrasonido para transmitir datos lentos en una aplicación donde nadie podía decidir qué frecuencia de RF usar (demasiados cocineros, etc.)

El sonido tarda unos 3 µs en recorrer 1 mm. Esto significa que para obtener una resolución de 1 mm en una medición de retardo de ida y vuelta, necesitará una resolución de tiempo de aproximadamente 6 µs. Esto es mucho más corto que el período de 25 µs de su señal, por lo que deberá poder realizar mediciones de ángulo de fase.

Los telémetros ultrasónicos no funcionan hasta la distancia cero. Necesitan un tiempo mínimo desde el final del pulso transmitido hasta el comienzo del pulso recibido (incluso cuando se usan transductores de transmisión y recepción separados). Debido a la resonancia mecánica de los transductores, el pulso transmitido será de varios ciclos de la frecuencia de la señal. Por ejemplo, 10 ciclos de 40 kHz son 250 µs, por lo que permitir unos 500 µs antes de que el receptor esté listo significa que tiene una distancia útil mínima del orden de 80 - 100 mm.

Creo que 8 cm es algo con lo que puedo lidiar porque puedo montar los transductores a una distancia fija de donde el dispositivo entrará en contacto con la cabeza y luego restar esta distancia en el software.
En cuanto a las medidas del ángulo de fase, ¿qué sugieres? La fase de medición solo determinará el tiempo de llegada dentro de un período, pero no me dirá en qué período llega la señal. ¿Cuál es la mejor manera de determinar el período de llegada?
Sí, la "ambigüedad de enteros" es un problema que debe resolverse por separado. Tendrá que esperar que la envolvente de la señal recibida sea al menos así de precisa. Si no, tendrás que trabajar en otra cosa. Con respecto a colocar los transductores lejos de la cabeza, eso parece implicar que alguna parte del aparato estará en el camino de la señal acústica, lo que generará problemas adicionales con respecto a los trayectos múltiples, lo que exacerbará los problemas de tiempo.
Solo tendrá que construir un banco de pruebas y experimentar con diferentes enfoques. Use un chip DSP para hacer el procesamiento de la señal. Su entorno de desarrollo de software debería brindarle muchas herramientas que le den una buena idea de lo que está sucediendo.
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