Positionsbestimmung mit Ultraschall auf 1/10mm genau

Hallo,

ich bin gerade dabei eine Positionsbestimmung auf Ultraschallbasis zu entwickeln. Genauigkeit sollte 1/10mm bis schlechtestensfalls 1/5mm sein.

Realisieren wollte ich das über Laufzeitmessungen von Ultraschall. Zunächst war auch die Idee mit Laser, aber um dort die relevanten Strecken (ca. 10cm-100cm) messen zu können, muss mein Empfänger schon im GHz Bereich arbeiten (Laufzeiten im Nanosekunden bereich).

Hat hier schon jemand Erfahrung oder gute Links zu diesem Thema.

Gruß,

dvdjimmy

[walddax]

@Gast
Wenn du inne Suche "ultraschall" eingibst, dann findest du ne Menge Material darüber ;)

Greetz
walddax

[Manf]

Du meinst mit Ultraschallausbreitung in Luft? Mit einem Phasenabgleich ist es grundsätzlich möglich auch Strecken mit einer Auflösung unterhalb der Wellenlänge zu messen.

Bei Strecken von 1m hat man dann eine Auflösung von 10^-4.
Da spielt die Temperaturabhängigkeit der Schallgeschwindigkeit schon eine große Rolle und auch eine Luftbewegung von 30mm/s beeinflußt das Ergebnis.
Manfred

@manf: Ja die Ausbreitung wäre in Luft. Wie meinst du das genau mit dem Phasenabgleich. Ich stehe da etwas auf dem Schlauch :)

@walddax: Die Suche habe ich auch schon bemüht. Aber leider nichts dazu gefunden, wie ich diese Genauigkeiten hinbekomme.

Danke schon mal für eure Antworten.

Gruß,

dvdjimmy

[walddax]

@dvdjimmy
Achso, Manf kann dir sicher weiterhelfen ;)

[Manf]

Das Prinzip ist in der Inhaltsangabe (http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=RSINAK000070000002001452000001&idtype=cvips&gifs=yes) beschrieben.
Manfred

@Manf: Wow, das Journal bzw. diese Veröffentlichung ist wirklich super. Vielen Dank erstmal.

Werde mich nach eingehender Analyse sicher nochmals wegen der technischen Umsetzung bei euch melden.

Gruß,

dvdjimmy

[Manf]

Dann zitiere ich den Abstract des Artikels noch mal.
Quellenangabe siehe oben.

The method presented here is based upon the comparative phase shifts generated by three continuous ultrasonic waves of different but closely spaced frequencies. In the test embodiment to confirm concept feasibility, two low cost 40 kHz ultrasonic transducers are set face to face and used to transmit and receive ultrasound.

Individual frequencies are transmitted serially, each generating its own phase shift. For any given frequency, the transmitter/receiver distance modulates the phase shift between the transmitted and received signals. Comparison of the phase shifts allows a highly accurate evaluation of target distance. A single-chip microcomputer-based multiple-frequency continuous wave generator and phase detector was designed to record and compute the phase shift information and the resulting distance, which is then sent to either a LCD or a PC. ...

Experiments were conducted to test the performance of the whole system. Experimentally, ranging accuracy was found to be within +/-0.05 mm, with a range of over 1.5 m. The main advantages of this ultrasonic range measurement system are high resolution, low cost, narrow bandwidth requirements, and ease of implementation.

[Rubi]

Hallo Manf

Bist Du der Meinung das der Artikle wirklich hilfreich ist das Prinzip des Phasenabgleichs zu verstehen :?:

:?: Individual frequencies are transmitted serially, each generating its own phase shift. For any given frequency, the transmitter/receiver distance modulates the phase shift between the transmitted and received signals.:?:

Nun dann mach mal nach,...

LG
Rubi

[Manf]

Nun dann mach mal nach,...
Ich will nicht behaupten, dass die Erklärung gleich universell verständlich ist. Erstmal ist es schön dass der Fragesteller es verstanden hat oder eine Anregung für seine Aufgabe daraus ziehen konnte.

Bei einer Laufzeitmessung mit Impulsen schwingt der Wandler an und je nach Amplitude wird das Signal erkant. Dabei ergeben sich Unsicherheiten von bis zu einer oder sogar mehreren Wellenlängen (ca. 8mm). Um auf 0,1mm also 1/80 Wellenlänge genau zu messen soll man die Amplitude des Signals messen, um dann auch die Phasenlage zu bestimmen.

Hat man mehrere Frequenzen zur Verfügung, dann ergeben sich bei gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit je nach Abstand und Frequenz unterschiedliche Phasenlagen. Eine spezielle Eigenschaft des Verfahrens ist es nun, die Phasenbeziehungen zwischen den Schallfeldern auch bei sequenzieller Ausendung ohne zusätzliche Synchronisation zu ermitteln. Das kann man, wenn man beim Sender und beim Empfänger ausreichend konstante Zeitbasen zur Verfügung hat. Anfangen kann man mit einem Versuchsaufbau mit einer Frequenz und externer Synchronisation.
Manfred

[Rubi]

Hallo Manfred

Danke für die weiterführenden Erklärungen, ich denke die sind auch für den Fragesteller interessant.
Außerdem war das keine Kritik an Dir sondern eher an der Zusammenfassung, die imho nicht wirklich hilfreich ist, solange man das Prinzip nicht verstanden hat.

LG
Rubi

[django]

Hallo zusammen,

ich denke, in akustischen Messungen könnte ein MLS-Signal hilfreich sein.
Das wird bei Lautsprecher-Messungen eingesetzt um das echte Signal vom reflektierten Signal zu unterscheiden.
Vielleicht läßt sich das ja auch bei Ultraschall einsetzen.

[Thoralf]

hier haben wir auch mal wieder das Problem Empfindlichkeit vs Genauigkeit. Wenn sehr genau gemassen werden soll, dann müssen auch Fehlergrößen, die die Laufzeit beeinflussen können miterfaßt werden. Das erste wäre die Temperatur.
Wenn mit US-Impulsen gemassen werden soll, müssen die Einschwingzeiten der Wandler mit berücksichtigt werden.
Auch der Wasserdampfgehalt der Luft spielt eine Rolle.

[Rubi]

Ich will nicht behaupten, dass die Erklärung gleich universell verständlich ist.

Da fällt mir noch was dazu ein:
Wenn ich es nicht verstehe, kann es ja nur schlecht geschrieben sein!
O:) O:) O:)

LG
Rubi

Freut mich, dass sich hierzu noch ein paar Kommentare gefunden haben. Bin gerade am Aufbau des Systems. Das Journal habe ich auch bereits vor mir liegen. Ist zwar alles etwas knifflig...aber das wird schon.

Ich halte euch auf dem laufenden.

Gruß

Joachim

[Rubi]

Hallo Joachim

Bin schon gespannt.
Bitte weiter berichten.

LG
Rubi

[Günter49]

Ich gebe gern zu, dass ich nicht genau verstehe, worum es überhaupt geht, aber ich meine vor Jahren etwas gelesen zu haben, das in diese Richtung zielt.
Vielleicht sind ja die Artikel von Lindsay Kleeman für die Kenner hilfreich:
Literaturliste von Lindsay Kleeman:
http://www.ecse.monash.edu.au/centres/irrc/LKPubs/index.html
und da besonders die folgenden Artikel:
"Mobile robot sonar for target localization and classification"
http://www.ecse.monash.edu.au/centres/irrc/LKPubs/IJRR95.PDF
"Fast and accurate sonar trackers using double pulse coding"
http://www.ecse.monash.edu.au/centres/irrc/LKPubs/IROS99.PDF

Gruß, Günter