Wie Nachschwingen eines US-Wandlers verringern??

[moin]

Hallo,
ich habe mir einen Ultraschallentfernungsmesser aufgebaut, der mit einer Kapsel auskommt. Mein Problem ist, dass die minimale Entfernung bei ca 40-45cm liegt. Der Wandler schwingt zu lange nach.
Als Wandler verwende ich den UST-40R.
Der Wandler wird beim Senden wechselseitig durch zwei Ausgänge eines ATMEGA168s gegen 5V und GND geschaltet. Die Ausgänge werden anschließend hochohmig geschaltet. An dem Wandler hängt auch meine Empfängerschaltung, die auf das reflektierte Signal "wartet". (der zweite Pin wird dann nach GND geschaltet)

Mein Problem ist das Nachschwingen des Wandlers.
Welche realistischen Möglichkeiten gibt es das Nachschwingen zu verringern?
- Kann durch ein Gegensignal zur richtigen Zeit die Schwingung stark verringert werden? (sind realistische Erfolge zu erwarten) Wie muss dann die Phasenverschiebung aussehen. (praktische Realisierung???)
Erste Versuche sind noch nicht sehr erfolgsversprechend.
- Sollte eine Anregung (beim Senden) durch eine Sinusschwingung erfolgen und nicht durch Rechtecksignale, damit der Sender besser gedämpft werden kann?

Habt Ihr noch weitere Ideen

Schonmal vielen Dank für eure Antworten
moin

P.S. Im Internet habe ich bisher noch keine hilfreichen Seiten zu dieser Fragestellung gefunden.

[MeckPommER]

Das du den UST-40R als Sender und Empfänger nutzt finde ich sehr interessant, zumal ich irgendwo mal gehört hatte, das es angeblich keine wirklichen Unterschiede vom UST-40R zum UST-40T geben soll.
Schaltungen, die mit einem Wandler auskommen, habe ich aber leider selber noch nirgendwo gefunden, weshalb ich stets einen Sender und einen Empfänger benutze.

Deine Schaltung würde mich mal interessieren, wenn du sie veröffentlichen magst.

Bist du sicher, das die minimale Entfernung mit einem Nachschwingen zu tun hat? Bei der Wandlerfrequenz würde das ja bedeuten, das der Wandler zig-mal hin- und herpendelt - kann ich mir kaum vorstellen.

Wieviele 40kHz-Impulse schickst du denn an den Wandler, bevor du auf "horchen" umschaltest?

Gruß MeckPommER

[moin]

Re: Bist du sicher, das die minimale Entfernung mit einem Nachschwingen zu tun hat?

Ja, teilweise :-)

Zum anderen belastet auch der schwingende Wandler die Eingangsstufe des Verstärkers. Hierbei spielt vermutlich der Eingangskondensator eine Rolle. Ein späteres Hinzuschalten mit einem analogen Schalter führt auch zu keinem besseren Ergebnis. Vermutlich müssen sich dann erste die Kondensatoren im Verstärker "einpendeln".

Das Nachschwingen ist sehr deutlich. Heute versuche ich noch Fotos vom Oszi zu machen. Die werde ich nachreichen.

Hier habe ich auch eine Vorversion meiner Dokumentation zu diesem Projekt angefügt. Den in der Dokumentation angeträumte Wunsch einer Standortbestimmung halte ich nach einigen Versuchen in diese Richtung für realistisch (nach Weihnachten).

Gruß moin

[Besserwessi]

Die Sender und empfänger unterscheiden sich schon. Laut datenblatt hat der Empfänger einen höhere Impedanz und auch eine etwas andere Resoanzfrequenz, damit nach der Typischen belastung die Frequenzen wieder zusammenpasssen. Im Prinzip gehen aber sowohl Sender als auch Empfänger als Sender und Empfänger.

Zum dämpfen kann man den Wandler für die Zwischenzeit über einen passenden Widerstand kurzschließen. Der Widerstand müßte etwa der Impedanz des Wandlers entsprechen, dann wird die meiste Energie abgezogen. Ein optimierter Eingangsverstärker für die Empfängerschaltung hat aber auch geraden diesen Widerstand als Eingangswiderstand, so daß es schon relativ gut ist, wenn nur eine angepaßter Verstärkereingang dran hängt.
Theorerisch ist auch eine aktive Dämpfung möglich, indem nach dem eigentlichen Puls noch eine Periode mit entgegen gesetzter Polarität und passender Amplitude gesendet wird.

[moin]

Jetzt haben sich die Antworten überschnitten


Hier nochmals die Schaltung als .png

[moin]

Zusätzliche Erklärung der Schaltung:

Die Schaltung kommt mit einem einzigen Ultraschallwandler aus.
(US-Empfängerkapsel von Reichelt 40kHz).

Sendemodus: Zunächst sind die beiden BSS123 so geschaltet, dass ein
Sendeimpuls direkt von einem Port eines ATMEGA168 erzeugt werden kann.
Dabei werden "Burst-High" und "Burst-Low" wechselseitig gegen 5V bzw
Masse geschaltet (16 Impulse).

Empfangsmodus: Burst-Low wird dauerhaft gegen Masse geschaltet. Der Pin wird LOW geschaltet und zusätzlich mit Q7 besser gegen Masse gezogen.
Dies hat zu einer deutlichen Verbesserung der Empfindlichkeit geführt.
Burst-High wird mit Q6 vom Controller abgetrennt um das kleine
Antwortsignal nicht zu stören.
Das Signal wird dann von der Transistorstufe verstärkt und von einem ADC des ATMEGAs ausgewertet.

Der Sendevorgang sieht so aus:
-Sendevorgang vorbereiten: Steuer_Low = 0 & Steuer_High = 1
-Burst: Burst_High und Burst_Low sind wechselseitig 1 und 0
-Sendevorgang beenden: Steuer_Low = 1 & Steuer_High = 0 und
Burst_High&Low werden am Controller als Eingang geschaltet

nochmals zum Sendevorgang:
- Wenn Steuer_Low = 0 geschaltet ist, wird damit die Masse abgekoppelt.
- Wenn Steuer_High = 1 geschaltet wird, kann Burst_High = 0 und Burst_Low = 1 geschaltet werden. Wenn im umgekehrten Fall Burst_High = 1 und Burst_Low = 0 macht er so indirekt das was ich möchte. Über die interne Diode liegt dann ein HIGH-Pegel an.

[Manf]

Ich habe hier einmal etwas versucht mit einer gegenphasigen Ansteuerung des Senders zur Dämpfung.
Der Empfänger wurde nach der gegenphasigen Ansteuerung und einer passiven Dämpfungsphase von zusammen 1,5ms freigeschaltet und konnte damit nach etwa 50cm Weg (also etwa 25cm Abstand) das Signal empfangen.

Es war eine etwas aufwändige Amplitudenkurve (Senden und Dämpfen) mit PWM. Ich hatte den Eindruck, dass mit einem geglätteten Signal (Sinusform) noch weniger Störungen außerhalb des Wandlerbetriebs angeregt wurden. Das Nachschwingen fand zum Teil außerhalb der 40kHz statt, in einem Bereich in dem die Schwingungen nicht so gut durch Abstrahlung abklingen.

Es ergeben sich damit einige Parameter die nicht spezifiziert sind und dann eben pro Exemplar optimiert werden müssen.

https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=5599

https://www.roboternetz.de/phpBB2/album_pic.php?pic_id=331

siehe auch
https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?p=150304#150304

https://www.roboternetz.de/phpBB2/album_pic.php?pic_id=427

[Besserwessi]

Der Empfangsverstärker ist ziehmlich nieder ohmig. Das ganze könnte schon etwa besser mit der Sendekapsel gehen, als mit der Empfangskapsel. Sonst sollte man eventuell die Widerstände an Eingang des Verstärkers etwas vergrößern, das etwa 5 fache wäre nicht schlecht und sollte auch sonst nicht viel verändern.

Die 16 Pulse zum Senden sind wohl eher kürzer als die Einschwingzeit des Resonantors. Man müßte also zur Dämpfung fast so viel Senden wie zu zuvor, halt nur mit entgegengesetzter Phase. Wenn man es gut abstimmt kann man dadurch die Amplitude eventuell auf 1/10 reduzieren. Eine viel bessere Dämpfung durch ein Gegensignal wird schwer, denn das Ganze wird ziehmlich temperaturabhängig sein. Nach der Breite der Resonanzkurve kann man mit einer Güte von etwa 40 Rechnen. Es braucht also rund 100 Perioden (=2,5 ms) um die Dämpfung auf etwa 1/10 zu erreichen. Ich würde eher sagen, das es sich dafür nicht lohnt viel Aufwand für zu treiben. Wenn schon gegensignal zur Dämpfung, dann müßte man wohl den aufwand wählen, und das automatisch nachzustimmen um nach dem puls ein minimales signal zu kriegen. Ein kleines Problem sehe ich mit den Kondensatoren C6 und C7, die können noch eine Signal aus der Zeit der anregung Speichern. Hier könnte es sich eventuell lohnen C7 über einen Tranisitor und Widerstand extra für ein paar ms nach dem Puls zu entladen. Bei C6 sollte das Problem kleiner sein, denn der wird erst bei kleinem Signal, also später gebraucht.

[Manf]

Die 16 Pulse zum Senden sind wohl eher kürzer als die Einschwingzeit des Resonantors. Man müßte also zur Dämpfung fast so viel Senden wie zu zuvor, halt nur mit entgegengesetzter Phase. Wenn man es gut abstimmt kann man dadurch die Amplitude eventuell auf 1/10 reduzieren.
Die Schwiergikeiten der Abhängigkeit von speziellen Parametern und der Temperatur gibt es sicher.

Beim Vorgang des Anstiegs und des Abfalls der Amplitude ist aber zu berücksichtigen, dass sich die Amplitdue bei gegenphasiger Ansteuerung gegen den gegenphasigen Maximalwert bewegt und die Nullinie noch vor 5 Perioden überschritten wird. Durch die Abstrahlung wird die Zeit ja auch verkürzt, denn der Wrkungsgrad der Wandler ist nicht schlecht*). Das beste Ergebnis (bei weingen Versuchen) habe ich mit 3 Perioden gegenphsasiger Ansteuerung und anschließender passiver Dämpfung erreicht.

*) wenn auch nur bei 40kHz. Bei 50kHz zeigt er sich wenig beeindruckt von einem reflektierenden Hindernis, er schwingt da wohl nur und strahlt nicht.

[moin]

Wie hast du passiv gedämpft? Mit einem zugeschaltetem Widerstand?
Wenn ja: Welche Größe und wie lange ??

[Manf]

Die Impedanz des Wandlers liegt bei etwas unter 1kOhm, den Widerstand habe ich auch zur Dämpfung genommen, nach einigen Variationen waren es dann um 680 Ohm (sicher typenabhängig aber auch nicht zu kritisch).
Die Zeit war bis 1,5ms nach dem Start des Sendebursts, also etwa 1ms.

[Frankl]

Mein US 360° Scanner arbeitet auch mit einem US-Sensor als TX/RX und zwar mit einem Sender, da das Nachschwingen mit einem US Empfänger noch größer war. Komme auf eine Totzeit von ca. 40 cm. Habe im Empfänger zwei antiparelle Dioden mit geringer Schwellspannung geschaltet.