Cảm biến đo khoảng cách

Chia sẻ: Đàm Thu Hiền | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:43

Thêm vào BST

Báo xấu

470
lượt xem 101
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

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.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: 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 thành ưu t h ế trong các h ệ th ống âm thanh giá thành th ấp. Ng ượ c l ạ i, t ố c đ ộ truy ề n d ẫ n c ủ a năng l ượ ng đi ện t ừ có th ể đ ặ t ra m ộ t vài yêuc ầu cho các m ạch đo l ườ ng và đi ều k hi ể n ph ố i h ợp trong các ứng d ụng quang h ọc ho ặc t ần s ố r ađiô. Do đó, các c ảm bi ến TOF dựa trên tốc độ của ánh sáng cần mạch định thời ở mức nano giây để đo khoảng cách với độ phân giải khoảng một foot(Koenigsburg, 1982). Đặc biệt hơn, để có được độ phân giải 1mm thì độ chính xác c ủa mạch định thời phải là 3ps (Vuylsteke,1990). Gi ả i pháp này c ó giá thành cao h ơn m ột chút và có th ể không đ ạt hi ệu q u ả kinh t ế v ới m ột s ố ứng d ụng, ngo ại tr ừ trong các ứng dụng có phạm vi nhỏ nhưng yêu cầu độ chính xác cao. Tương tác bề mặt: Khi ánh sáng, âm thanh, hoặc sóng rađiô tác động vào đối tượng, tín hiệu phản hồi đo được chỉ thểhiện một phần nhỏ của tín hiệu ban đầu. Năng lượng còn lại phản xạ theo các hướng khác nhau và có thể được hấp thụ hoặcđi xuyên qua đối tượng, phụ thuộc vào đặc tính bề mặt và góc tới của chùm sóng. Ví dụ, có thể không nhận được tín hiệu tr ảv ề do sự phản xạ tại bề mặt đối tượng, đặc biệt là trong vùng siêu âm của phổ năng lượng. Nếu góc tiếp cận c ủa nguồn pháttín hiệu bằng hoặc lớn hơn một giá trị ngưỡng nào đó thì năng lượng phản xạ sẽ bị lệch hướng ra ngoài vùng cảm biến của bộnhận. Tín hiệu rời rạc có thể phản xạ từ những đối tượng thứ cấp (không phải là đối tượng quan tâm), quay trở l ại b ộ
dò tạinhững thời điểm khác nhau gây ra những tín hiệu sai hay còn gọi là dữ liệu nhiễu. Để bù sai số, người ta thường l ấy giá trịtrung bình c ủa nhi ều phép đo l ặp l ại sao cho ch ất l ượ ng tín hi ệ u (t ỉ l ệ tín hi ệu so v ới nhi ễu) ở m ức ch ấp n h ậ n đ ượ c. Tuy nhiên, để xác định khoảng giá trị này sẽ mất nhiều thời gian hơn. Hệ thống TOF siêu âm P h ươ ng pháp đo kho ảng cách TOF siêu âm hi ện nay l à kĩ thu ật đo không ti ếp xúc ph ổ bi ến nh ất, ch ủ y ếu là d o các h ệ thống giá thành thấp sẵn có và dễ dàng ghép nối. Trong một vài thập kỉ trước, nhiều nghiên cứu đã áp dụng cho robot di độngđ ể tránh va ch ạm, tính toán v ị trí và phát h i ệ n chuy ể n đ ộ ng. M ột vài nhà nghiên c ứu đã đánh giá s ự h i ệ u qu ả c ủ a c ảm bi ếnsiêu âm khi ho ạt đ ộng trong c ác môi tr ườ ng bên ngoài(Pletta,1992;Langer & T horpe,1992; Pin &Watanabe, 1993;Hammond, 1994). Trong công nghi ệp ô tô, BMW k ết h ợp b ốn b ộ chuy ển đ ổ i áp đi ệ n (g ắ n trên m ột màng đ ể b ảo v ệ môi trường) trên cả tấm bảo vệ mặt trước và mặt sau trong hệ thống đi ều khiển khoảng cách (Siuru, 1994). Mô đun đo khoảng cách Polaroi là một thiết bị TOF loại tích cực, được thiết kế cho bộ phận tự hội tụ của camera và xácđ ị nh kho ả ng cách t ới đ ối t ượ ng b ằng cách đo th ời g ian t ừ th ờ i đi ểm truy ền đi m ột sóng siêu âm cho đ ến khi n h ậ n đ ượ c tín hiệu phản hồi (Biber, 1980). Có thể nói rằng sự phát triển đáng kể của loại cảm biến này là do những tác động của nó đếncộng đồng nghiên cứu robot và các ứng dụng công nghiệp. Hệ thống này được được giới thiệu nhiều nhất ở các tài liệu sau(Koenigsburg, 1982; Moravec & Elfes, 1985; Everett, 1985; Kim, 1986; Arkin,1989; Borenstein & Koren,
1990). Với nhữngđặc tính đặc trưng cho các thiết bị đo khoảng cách, Polaroid trở nên phổ biến nhờ giá thành thấp (cả bộ chuyển đổi và mạchđo khoảng cách Polaroid có giá thấp hơn 50$), và được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng truyền thống như cảm biến hộitụ tự động của camera (camera auto- focus sensor). Cấu hình cơ bản nhất bao gồm hai thành phần chính: (1) bộ chuyển đổi siêu âm, và (2) mô đun điện tử đo khoảng cách.Hi ệ n nay có r ấ t nhi ều lo ại chuy ển đ ổi đ ể l ựa ch ọn. Ở p hiên b ả n đ ầ u tiên c ủa thi ết b ị tĩnh đi ện (hình 19.64), m ộ t màng kimlo ại r ất m ỏng đ ượ c g ắn trên m ột t ấm che p hía sau t ạ o thành b ộ chuy ển đ ổi đi ện dung (Polaroid, 1 981). M ột b ộ chuy ển đ ổi tĩnh điện có đường kính nhỏ hơn (7000-series) cũng được phát triển cho các camera Polaroid Spectra (Polaroid, 1987). Một bộ chuyển đổi áp điện có thiết kế bền vững (sêri 9000), dùng cho các ứng dụng trong môi trường nóng, lạnh, dưới trời mưa,sương muối, và dao động. Loại chuyển đổi này được dùng trong các xe tải hạng nặng. Dải đo của hệ thống Polaroid là từ 0.3m (1ft) tới 10.5 m (35ft), with a half-power (-3dB) beam dispersion angle of appproximately120for the original instrument-grade electrostatic transducer. Một chu kỳ hoạt động điển hình như sau: - Mạch điều khiển kích hoạt bộ chuyển đổi và chờ d ấu hiệu báo việc truyền đã bắt đầu. - Bộ nhận được để trống trong một chu kì ng ắn đ ể tránh lỗi dò sai do tín hiệu truyền còn dư trong bộ chuyển đổi. - Khuếch đại tín hiệu thu được với hệ s ố tăng d ần theo thời gian để bù lại sự suy giảm mật độ âm theo khoảng cách.
Những tín hiệu phản hồi có giá trị lớn hơn m ột ng ưỡng - cho trước được ghi lại và khoảng cách liên kết được tính từ khoảng thời gian đã trôi qua. Hình5. Giản đồ thời gian cho mô đun đo khoảng cách siêu âm 6500-series thực hiện vòng lặp chế độ nhiều xung phảnhồi với đầu vào blanking (nguồn: Polaroid Corp) Hình4. Từ trái sang phải: (1) bộ chuyển đổi tĩnh điện phiên bản đầu tiên, (2) bộ chuyển đổi môi trường sêri 9000, và (3) bộ chuyển đổi tĩnh điện sêri 7000 (nguồn: Polaroid Corp) Trong chế độ phản hồi đơn của mô đun 6500-series, đường blank (BLNK) và blank-inhibit (BINH) được giữ ở
mức thấp khi đường initiate (INIT) chuy ể n lên m ức cao đ ể hi ệu k ích dãy xung phát ra. Tín internal blanking (BLANKING) tự độngchuyển lên mức cao trong 2.38 ms để ngăn ngừa bộ chuyển đổi rung do việc hiểu sai nó là xung phản hồi. Mỗi khi có tín hiệutrả về hợp lệ, đầu ra phản hồi (ECHO) sẽ giữ ở mức cao cho đến khi được xác lập l ại nhờ việc chuyển đầu INIT từ mức caoxuống mức thấp. Đối với quá trình phải xử lý nhiều phản hồi, đầu vào blank (BLANK) phải được giữ ở mức cao trong ít nhất 0.44 m s sau khi phát hi ện tín hi ệu tr ả v ề đ ầu tiên đ ể xác l ập l ạ i đ ầ u ra ph ả n h ồ i cho l ần tr ả v ề ti ếp theo nh ư bi ểu d i ễ n trong hình 19.65 (Polaroid, 1990) Hệ thống TOF sử dụng laze Hệ thống đo khoảng cách TOF sử dụng laze, còn được biết đến với rađa laze hay lidar, lần đầu tiên xu ất hi ện t ại phòng thí nghiệm Jet Propulsion, Pasadena, CA, trong những năm 1970 (Lewis & Johnson, 1977). Năng lượng laze được phát ra dưới dạng những xung ngắn tốc độ cao hướng tới đối tượng cần đo khoảng cách. Thời gian truyền của một xung đã phản xạ từ đối tượng được sử dụng để tính khoảng cách tới đối tượng dựa trên tốc độ ánh sáng. Độ chính xác c ủa những cảm biến thế hệ đầu của loại này có thể đạt tới vài centimet với khoảng cách đo từ 1 đến 5 m ( NASA, 1977, Depkovich & Wolfe, 1984). Công ty Schwartz Electro-Optics (bang Orlando, Mỹ) đã sản xuất nhiều hệ thống đo khoảng cáchTOF sử dụng laze, các hệ thống này sử dụng một kỹ thuật mới để biến đối từ thời gian sang biên độ nhằm thỏa mãn mức thời gian c ỡ nano giây yêu cầu bởi tốc độ ánh sáng. Khi laze đ ược phát ra, m ột tụ màng có độ chính xác cao bắt đầu phóng điện từ một giá trị
cho trước với tốc độ cố định. Lượng điện năng phóng ra tỉ lệ với thời gian tính từ khi tín hiệu được phát ra, phản x ạ t ại v ật và quay về b ộ t hu (Gustavson & Davis, 1992). Đi ện áp t rên t ụ đ ượ c bi ế n đ ổi t ừ d ạng t ươ ng t ự sang d ạng s ố n gay t ạ i th ời đi ểm b ộ thu nhận được tín hiệu phản hồi. Sau đó, giá trị điện áp được biến đổi thành khoảng cách và b ước thời gian, và được hiệu chỉnh bằng cách tra bảng. Hình7. Thiết bị đo khoảng cách laze sêri LD90-3Loại-1(an toàn cho mắt) là một thiết bị độc lập với nhiều phiên bản khác nhau và có thể đo tới 150-500m dưới điềukiện khí quyển trung bình Hình6. Thiết bị đo (nguồn: RIEGL USA) khoảng cách LRF – (nguồn: 200 series Schwartz Electro Optics) Các thiết bị đo khoảng cách LRF - X (hình6) có kích c ỡ n h ỏ g ọ n, t ố c đ ộ x ử lý cao, và có kh ả năng đo đ ượ c k ho ả ng cách lên tới 100m từ hầu hết các bề mặt (hệ số phản xạ Lambertian nhỏ nhất là 10%). Một hệ thống LRF - X c ơ b ả n s ử d ụ ng một điốt laze InGaAs dạng xung kết hợp với bộ dò nhiều điốt quang, cung cấp cả đầu ra số (RS232) và tương tự.RIEGL Laser Measurement Systems, Horn, Austria, đã đ ưa ra thị trường rất nhiều sản phẩm sử dụng thiết bị đo
khoảngcách laze TOF xung ngắn (như hệ thống quan trắc, cảm biến đo mức). Các ứng dụng điển hình bao gồm: các thiết bị đo độcao lidar, giám sát tốc độ xe, chống va chạm cho xe, và đo mức trong các xilô chứa.Các thiết bị đo kho ảng cách laze họ RIEGL LD90-3 (hình7) sử dụng nguồn điốt laze gần hồng ngoại và một bộ dòđiốt quang để thực hiện kỹ thuật đo khoảng cách TOF tới 500m với các bề mặt khuyếch tán, và trên 1000m với trường hợp cónhiều vật. Thời gian truyền tính từ khi tín hiệu được phát ra cho đến khi ph ản h ồi v ề b ộ thu được đo chính xác bởi một đồngh ồ th ạ ch anh và đ ượ c bi ế n đ ổ i thành kho ảng cách b ởi m ột b ộ vi x ử lý ở bên trong, s ử d ụ ng m ộ t trong hai thu ật toán đã có. Thuật toán triệt tiếng ồn kết hợp phương pháp lấy trung bình các phép đo và kĩ thuật khử nhiễu để loại bỏ hiện tượng lệchhướng của các hạt trong không gian, và vì vậy rất hiệu quả khi hoạt động dưới điều kiện bất lợi về ánh sáng (Riegel, 1994). Ngược lại, thuật toán đo chuẩn cho phép đo khoảng cách v ới t ốc đ ộ cao mà không quan tâm đến việc khử nhiễu, và do đó cót ốc đ ộ cập nhật cao trong những điều kiện môi trường thuận lợi hơn. Độ chính xác đo trong trường hợp xấu nhất là khoảng cách ±5 cm, thông thường độ chính xác là ±2 cm. Ngu ồn laze gầnhồng ngoại dạng xung là loại an toàn Loại-1 cho m ắt dưới mọi điều kiện hoạt động. Cảm biến khoảng cách vi sóng
Hình8. Cảm biến vi sóng,không giống như các bộ dò chuyển động, cần một bộ phát và một bộ nhận biệt riêng (nguồn:Williams, 1989) Công ngh ệ vi sóng có th ể đ ượ c s ử d ụng đ ể đo c huy ể n đ ộ ng, t ốc đ ộ, kho ảng cách, và h ướ ng chuy ển đ ộ ng (hình8). Các cảm biến loại này rất bền do chúng không chứa các bộ phận chuyển động. Chúng có thể hoạt động an toàn trong các môitrường dễ cháy nổ do mức năng lượng sử dụng rất thấp. Cảm biến khoảng cách loại vi sóng ho ạt đ ộng trong điều kiện nhiệtđộ từ -550C đến +1250C, môi trường khói, bụi, khí độc, và phóng xạ. Các cảm biến vi sóng thông thường được sử dụng để đo kho ả ng cách t ừ 25 đ ế n 45000 m m, nh ư ng cũng có th ể đo xa h ơn tùy thu ộc vào năng l ượ ng và kích th ướ c đ ối t ượ ng. Năng lượng phản xạ về bộ thu bị suy giảm theo lũy thừa bậc bốn của khoảng cách tới đối tượng. Bước sóng thông thường là từ 1đến 1000 mm. Thời gian truyền sóng (truyền tới vật và phản xạ về cảm biến) là khoảng 2 ns trên một foot hay 10.56 ms trên m ột dặm.Khi đo các khoảng cách ngắn có thể gặp phải m ột v ấn
đề, đó là với độ phân giải 1 inch thì m ạch phải phân gi ải 167 ps. Một p h ươ ng pháp khác phù h ợp h ơn đ ượ c dùng đ ể đo c ác kho ả ng cách ng ắn là d ựa trên m ột t ần s ố quét c ủa b ộ p hát tín hi ệ u. Trong trường hợp này, tín hiệu trả về vẫn giữ nguyên tần số khởi tạo (thường là 10.525 GHz), và được so sánh với tần số hiệntại bị thay đổi bởi tốc độ quét. Ví d ụ, đ ể đo khoảng cách 3ft, có thể quét ở 5 MHz/ ms. Sau 6 ns, t ần s ố thay đổi thành 30 Hz(6 ns * 5 MHz/0.001 s). Trong tr ường h ợp này có thể đo được khoảng cách 0.0256 mm (0.001 inch) m ột cách dễ dàng. Khisử dụng phương pháp này, cần có m ột bộ khuyếch đại tín hiệu với hệ số khuyếch đại tăng cùng với t ần số. Đo pha Hình 9. Xác định khoảng cách từ đo pha Thời gian truyền (TOF) được định nghĩa là độ dịch chuyển pha giữa tín hiệu phát và tín hiệu thu khi khoảng cách nhỏ hơn một bước sóng (Hình9). Giả sử độ dịch pha là f , khoảng cách sẽ là nếu bộ phát và bộ thu được đặtở cùng m ột v ị trí, ho ặc nếu bộ thu được gắn vào vật, trong đó c là tốc đ ộ truy ền,φ là pha đo được, và f là tần số điều biến.
Độ dịch pha giữa sóng hình sin phát ra và phản xạ có thể đo được bằng cách nhân hai tín hiệu với nhau trong một b ộ trộnđi ệ n t ử r ồ i l ấ y trung bình k ết qu ả sau nhi ều vòng đ i ề u bi ế n (Woodbury, 1993). Quá trình tích h ợp này t ươ ng đ ố i m ấ t th ờ i gian, làm giảm tốc độ cập nhật. Kết quả có thể được biểu diễn như sau (Woodbury, 1993): Rút gọn thành: Trong đó t là thời gian,T là khoảng thời gian trung bình, và A là hệ số biên độ của bộ khuyếch đại tích hợp.Từ biểu thức trước củaφ , có thể thấy kết quả đo được thực tế là cosin c ủa độ dịch pha và không phải là độ dịch pha củachính nó (Woodbury, 1993). Trường hợp này được gọi là khoảng không xác định khi tổng khoảng cách truyền (2 lần khoảng cách t ừ b ộ p hát đ ế n v ậ t) v ượ t quá b ướ c sóng đi ều ch ế λ ( ví d ụ , đ o pha tr ở thành không xác đ ịnh khi φ v ượ t quá 3 60 0).Conrad và Sampson (1990) đ ịnh nghĩa kho ảng k hông xác đ ịnh này là kho ảng cách l ớn nh ất mà đ ộ l ệch p ha là m ộ t chu kỳ 3600: Ra = c/2f Trong đó Ra khoảng thời gian không xác định Xét phương trình: [1] có thể thấy rằng tổng khoảng cách truyền 2d bằng một số nguyên lần của bước song nλ cộngvới một phần bước sóng x tương ứng với dịch pha. Do hàm cosine của φ không phải là hàm đơn trị, sẽ có hơn một khoảng cách d tương ứng với phép đo dịch pha bất kỳ (Woodbury, 1993). trong đó: d = (x+n λ)/2 = khoảng cách thực tới đối tượng
x = khoảng cách tương ứng với độ lệch pha φ n = số vòng điều biến trọn vẹn Xem xét kĩ l ại ph ươ ng trình [1], trên th ực t ế, hàm c osine không đ ơ n tr ị ngay c ả trong m ột kho ảng b ướ c s óng đ ơ n 3600. Vì vậy, nếu chỉ đo hàm cosine của góc pha, khoảng cách không xác định phải giảm nhiều hơn đến một nửa bước sóngđiều biến, hoặc 1800(Scott, 1990). H ơn th ế n ữ a, đ ộ d ố c c ủ a đ ườ ng cong là giá tr ị mà t ốc đ ộ thay đ ổi c ủ a hàm cosine phi tuyến, không phải là hằng số trong dải 0 ≤ φ ≤1800, và bằng không ở hai đầu. Do đó, độ chính xác c ủa kỹ thuật đo dịch phathay đổi như một hàm của khoảng cách tới vật, từ trường hợp tốt nhất thực hiện cho m ột góc pha 90 0 tới trường hợp xấu nhất t ạ i 0 và 180 0. Vì lý do này, khoảng đo có thể sử dụng thường bị giới hạn dưới 90% của khoảng không xác định 1800(Chen,1993) Hình10.Sai số của phép đo có thể được loại bỏ bằng cách giới hạn khoảng cách đo lớn nhất nhỏ hơn khoảng không xác định Ra
Hình11. Tại các tần số thấp của các hệ thống siêu âm, m ột mạch dò pha đơn giản hoạt động dựa trên cổng XOR sẽ phát ramột điện áp tương tự tỷ lệ với độ lệch pha của các tín hiệu đầu vào (nguồn: Figueroa & Barbieri, 1991a) Một giải pháp cho vấn đề này là tiến hành đo lần thứ hai nhưng với độ dịch pha 900so với dạng sóng ban đầu, sau đó thựchiện phép đo sine của góc pha thay vì cosine c ủa góc pha. Thông tin bổ sung này (nghĩa là thực hiện cả phép đo cosine vàsine) có thể sử dụng để mở rộng khoảng không xác định của góc pha tới giới hạn 3600(Scott, 1990). Hơn thế nữa, độ chínhxác của hệ thống cũng cũng được cải thiện, do tại bất cứ vùng nào khi phép đo cosine có độ nhạy thấp nhất thì phép đo sinesẽ có độ nhạy cao nhất (Woodbury, 1993). Tuy nhiên, do ảnh hưởng của khoảng không xác định nên không thể tránh khỏi sự sai lệch của hệ số suy giảm trong các phương pháp đo dò pha. Trong một số ứng dụng, vấn đ ề này được giải quyết bằng cách bố trí đường đi của tín hiệu sao chokhoảng cách lớn nhất có thể luôn nhỏ hơn khoảng không xác định (hình10). Mặt khác, bằng cách thực hiện liên tiếp các phép đo khoảng cách tới cùng một vật với hai tần số điều biến khác nhau, sẽ thu được hai phương trình cho phép xác định giá trị của x và n (trong phương trình 1. Kerr (1988) đã mô t ả m ột ứng dụng như vậy với hai tần số điều biến là 6 MHz và32MHz. Đối với việc điều chế sóng vuông tại tần số tương đối thấp, thường ứng dụng trong các hệ thống siêu âm (20- 200kHz), độlệch pha giữa dạng sóng vào và ra được đo bằng một mạch tuyến tính đơn giản như trong hình 11 (Figueroa & Barbieri,1991a). Đầu ra của cổng XOR sẽ chuyển lên m ức logic cao khi 2 tín hiệu đầu vào có mức logic ng ược nhau, t ạo
ra một điệnáp trên tụ C1tỉ lệ với độ lệch pha. Ví d ụ, khi hai tín hiệu có cùng pha (ví dụ:φ = 0), đầu ra của cổng XOR sẽ ở mức thấp vàđiện áp V bằng không. Điện áp đầu ra đạt giá tr ị lớn nhất khi φ =1800. Tuy thực hiện dễ dàng nhưng phương pháp trên bị giớihạn ở tần số rất thấp và thường xuyên phải hiệu chỉnh tần số để bù sai lệch do thiết bị đã sử dụng lâu ngày ho ặc s ự thay đổicủa điều kiện xung quanh (Figueroa & Lamancusa, 1992). Hệ thống đo pha dải mở rộng. Figueroa và Barbieri (1991a; 1991b) đã đưa ra một phương pháp mở rộng khoảng không xác định trong các hệ thống dò pha siêu âm bằng cách chia tần số của tín hi ệu nh ận đ ược và tín hiệu mẫu. Do khoảng so sánh có ý nghĩa b ị gi ới h ạn ở 1 bước song λ (trường hợp tốt nhất), nên khi tần số của các tín hi ệu đ ầu c ủa bộ dò pha giảm một hệ số nào đó thì λ sẽ tăng lên một giá trị tương ứng. Nguyên tắc hoạt động phương pháp trên được biểu diễn trong hình12. Do bước sóng của năng lượng siêu âm là rất ngắn nên tổng số khoảng cách đo hiệu quả chỉ là 4 inch sau khi đã chia các tín hiệu đầu vào c ủa b ộ dò cho 16.Vì khoảng cách đo nhỏ nên các hệ thống đo khoảng cách b ằng phương pháp dò pha không được sử dụng rộng rãi trong cácứng dụng rôbốt, cho dù Figueroa và Lamancusa (1992) đã đưa ra một phương pháp lai để nâng cao độ chính xác của các hệthống đo khoảng cách TOF cho việc xác định vị trí trong không gian ba chiều.
Hình 12. Khi chia các tần số đầu vào của bộ so sánh pha cho một số nguyên thì khoảng không xác định sẽ được mở rộngvới cùng hệ số, tuy nhiên độ phân giải sẽ bị giảm (nguồn: Figueroa & Barbieri, 1991a) Young và Li (1992) đã giới thiệu một phương pháp hi ệu qu ả để đo khoảng cách dựa trên thông tin về pha. Phương phápnày xác định tổng số khoảng cách đo bằng cách ghép các đoạn pha liên tiếp với nhau, các đoạn pha này trở về trạng thái ban đ ầ u m ỗ i khi đ ộ l ệ ch pha c ủa tín hi ệu đã phát và tín hi ệu n h ậ n đ ượ c là 2π . Đ ây cũng là m ộ t ph ươ ng pháp kh ắc p h ụ c đ ượ c những nhược điểm của các hệ thống dựa vào pha để đo các khoảng cách nhỏ hơn một bước sóng âm. Các giá tr ị gián đoạn tạicác điểm có độ lệch pha là 2π được loại bỏ bằng cách lấy đạo hàm của pha, tín hiệu thu được rất m ịn v ới những xung nhọntại các điểm gián đoạn. Sau đó các xung nhọn được loại bỏ, các tín hiệu được kết hợp lại với nhau và nhân với một hệ số đểxác đ ị nh kho ảng cách t ổng. Ph ươ ng p háp trên đã đ ượ c ki ểm tra trong m ột thí nghi ệm s ử d ụ ng b ộ chuy ể n đ ổ i 40 kHz. V ới khoảng cách từ 40 đến 400 mm thì sai số là từ ±0.1629 đến ±0.4283mm. Ph ươ ng pháp đo kho ảng cách b ằng sóng laze liên t ục đ ã đ ượ c phát tri ển t ại vi ện nghiên c ứu Stanford vào n h ữ ng năm 1970 (Nitzan et al., 1977). Phương pháp này có độ chính xác tương đương với phương pháp TOF sử dụng xung
laze, nhưngcó thuận lợi hơn một chút. Tuy tránh được những khó khăn của vấn đề đo thời gian của phương pháp TOF sử dụng xung lazenhưng lại phải sử dụng thiết bị điện tử đo pha tương đối phức tạp (Depkovich & Wolfe, 1984). Hơn nữa, những khó khăn của phương pháp đo độ dịch pha thường xảy ra khi năng lượng phát ra được phản xạ đồng thời về bộ thu từ hai bề mặt có khoảngcách đến cảm biến khác nhau. Các thiết bị điện tử được sử dụng để so sánh pha của một sóng đơn phản xạ về bộ thu với sóng mẫu. Tuy nhiên, chúng sẽmất tác dụng khi có nhiều sóng phản hồi đồng thời v ề b ộ thu. Adams (1993) đã đưa ra một kỹ thuật để phát hiện trường hợptrên với mục đích giảm bớt sai số của phép đo. Điều biến tần số Đây là phương pháp được dùng để nâng cao độ chính xác trong việc xác định thời gian sóng truyền đến bộ thu. Thay vì sửdụng sóng có một tần số duy nhất, một sóng có tần số thay đổi có dạng f = f0 + kt sẽ được phát đi. Sai lệch giữa tần s ố đã phát và tần số thu được tại một thời điểm bất kỳ được tính bằng công thức: ∆f = kt – k(t-t f) = ktf (hình 13). Ưu điểm của phương pháp này là không cần phải xác định chính xác thời điểm sóng truyền đến bộ thu. Tuy nhiên, hệ thống phải sử dụngcác thiết bị đo tần số thời gian thực với độ chính xác cao và bộ chuyển đổi phải cho kết quả trong một vòng quét dải tần số.Phương pháp điều biến không tuyến tính cũng có thể được sử dụng để làm giảm ảnh hưởng của nhiễu và nâng cao độ chính xác. Sóng được phản xạ từ vật đến bộ thu tại thời điểm t + T. Trong đó T là thời gian sóng đi từ bộ phát tới vật và quay trở lại bộ thu:T = 2d/c, d là khoảng cách từ bộ phát đến vật, và c là tốc độ truyền sóng.
Hình 13. Sai lệch tần số giữa tín hiệu phát ra và tín hi ệu thu tỷ lệ với thời gian truyền tại bất kỳ thời điểm nào Hình 14. Đường cong tần số thu được dịch đi một khoảng theo trục thời gian so với tần số chuẩn Sóng thu được sẽ được so sánh với một sóng chuẩn lấy từ bộ phát. Đường cong tần số của tín hiệu thu được (hình 15)sẽ được hiển thị trên cùng trục thời gian với đ ường cong t ần s ố của tín hiệu mẫu nhưng cách đường cong tần số của tín hi ệu mẫu một khoảng thời gian đúng bằng thời gian sóng đ ược truyền từ bộ phát tới vật và quay trở lại bộ thu. Do ảnh hưởng củahiệu ứng Doppler nên đường cong tần số của sóng thu được cũng có thể bị dịch chuyển dọc theo tr ục t ần s ố so với sóng mẫu.Bộ trộn tần số kết hợp hai tần số trên để tạo ra tần số đập Fb: Fb = f(t) – f(t + T) = kT Trong đó k là hằng số Tần số Fb được dùng để xác định khoảng cách tới vật: d = Fbc/(4FrFd)