Фазовый дальномер своими руками

Добавил пользователь Alex
Обновлено: 05.10.2024

Лазерный дальномер

— прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча.

Широко применяется в инженерной геодезии, при топографической съёмке, в военном деле, в навигации, в астрономических исследованиях, в фотографии[источник не указан 1165 дней

]. Современные лазерные дальномеры в большинстве случаев компактны и позволяют в кратчайшие сроки и с большой точностью определить расстояния до интересующих объектов.

Лазерные дальномеры различаются по принципу действия на импульсные и фазовые.

Импульсный лазерный дальномер — это устройство, состоящее из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно, и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Импульсные лазерные дальномеры обладают большой дальностью работы, т.к. импульс можно выдать с большой мощностью и повышенной скрытностью, включаясь только на время импульса. Поэтому импульсные лазерные дальномеры обычно применяются в военных прицелах.

Фазовые лазерные дальномеры на короткий промежуток времени включают подсветку объекта с разной модулированной частотой и по сдвигу фазы вычисляют расстояние до цели. Они не имеют таймера замера отражённого сигнала, поэтому дешевле, но имеют меньшую дальность (до 1 км) и поэтому обычно используются в бытовых целях или как прицелы стрелкового оружия.

Лазерный дальномер — простейший вариант лидара.

Импульсные лазерные дальномеры

Способность электромагнитного излучения распространяться с постоянной скоростью даёт возможность определять дальность до объекта. Так, при импульсном методе дальнометрирования используется соотношение

где L — расстояние до объекта, c — скорость света в вакууме, n — показатель преломления среды, в которой распространяется излучение, t — время прохождения импульса до цели и обратно.

Рассмотрение этого соотношения показывает, что потенциальная точность измерения дальности определяется точностью измерения времени прохождения импульса энергии до объекта и обратно. Ясно, что чем короче фронт импульса, тем лучше.

Сценарии использования и практические примеры: Flexbox

?Навигационная панель

В 90% случаев при разработке навигационных панелей веб-сайтов стоит пользоваться CSS Flexbox. Чаще всего подобные панели устроены так: слева находится логотип, справа — навигационные элементы. Для того чтобы распределить элементы подобным образом Flexbox подходит идеально.

Навигационная панель

Для того чтобы описать средствами CSS вышеприведённый макет, достаточно сделать следующее:

Та же идея применима и для описания макета, показанного на следующем рисунке.

Навигационная панель

Обратите внимание на то, что структура этой навигационной панели немного отличается от структуры той, что была рассмотрена выше. Но и здесь расстояние между элементами настраивается с помощью свойства justify-content.

?Список действий

Панели, реализующие списки действий, можно найти на сайтах Facebook или Twitter. Эти списки состоят из кнопок, пользователь может выполнять некие действия, щёлкая по этим кнопкам.

Списки действий

Как видите, элементы этих списков распределены по горизонтали, в одной строке. Для реализации макета подобных списков отлично подходит Flexbox. И это — один из основных сценариев использования Flexbox.

Ещё один вариант использования такого подхода может быть представлен кнопками, находящимися в заголовке или в нижней части модального окна.

Модальное окно

Вот стили заголовочной части окна:

Возможно, название класса, .cancel__action, выбрано не очень удачно, но тут я не хочу затрагивать тему использования соглашений об именовании CSS-сущностей.

?Элементы форм

Комбинация из поля ввода и кнопки, расположенной сразу за ним, даёт нам отличную возможность к применению Flexbox. Взглянем на следующий рисунок.

Элементы форм

Поле ввода первой формы занимает свободное пространство, оставшееся в форме после размещения кнопки. То есть перед нами пример формы, ширина которой может настраиваться динамически. То же самое справедливо и в отношении второй формы (она взята из мессенджера Facebook). При изменении её ширины излишки места занимает поле ввода. Присмотримся к этой форме.

Изменение ширины поля при изменении ширины формы

Обратите внимание на то, что если бы при настройке поля не использовалась бы конструкция flex: 1 1 auto;, то поле не смогло бы растягиваться, занимая излишки пространства.

?Дискуссии и комментарии

?Компоненты-карточки

Компоненты-карточки могут быть очень разными, но обычно они выглядят примерно так, как показано ниже.

Разные варианты компонента-карточки

Слева показана карточка, дочерние элементы которой расположены друг над другом. При создании Flex-макета такой карточки использовано значение column свойства flex-direction. Справа элементы карточки распределены по вертикали, здесь свойство flex-direction установлено в значение row. Тут стоит учитывать то, что значением этого свойства, которое оно принимает по умолчанию, является именно row.

Ещё один распространённый вариант карточки предусматривает наличие на ней значка, ниже которого расположен текст. Это может быть кнопка, ссылка, или просто элемент оформления страницы. Рассмотрим два варианта таких карточек.

Два варианта карточек

Обратите внимание на то, что иконка и текстовая метка центрированы по горизонтали и по вертикали. Благодаря Flexbox сделать это очень легко.

Для создания стиля карточки, элементы которой расположены по вертикали, нужно просто убрать свойство flex-direction: column, что приведёт к тому, что оно примет значение, задаваемое ему по умолчанию (то есть — row).

?Меню в виде вкладок

Если говорить об элементах, занимающих всю ширину экрана, и при этом содержащих дочерние элементы, которые должны занимать всё доступное им свободное пространство, можно отметить, что Flexbox идеально подходит для создания таких элементов.

Меню с вкладками

В вышеприведённом примере каждый элемент должен заполнять доступное ему пространство, при этом все элементы должны иметь одну и ту же ширину. Если свойство display элемента-контейнера установить в значение flex, добиться этого совсем не сложно:

Этот подход используется в React Native для создания меню мобильных приложений. Вот пример кода, который формирует меню, напоминающее то, что мы только что рассмотрели. Этот код взят отсюда.

import React from ‘react’; import < View >from ‘react-native’; export default FlexDirectionBasics = () => < return ( ); >;

?Списки возможностей чего-либо

Во Flexbox мне больше всего нравится то, что этот механизм формирования макетов позволяет обращать направление следования элементов. По умолчанию элементы идут слева направо, стандартным значением свойства flex-direction является row. Но элементы можно вывести и в обратном порядке:

Обратите внимание на то, что во втором элементе следующего списка его дочерние элементы расположены справа налево. Делается это именно так, как показано выше.

Изменение порядка вывода дочерних элементов flex-контейнера.

Иногда это может оказаться очень кстати.

?Центрирование содержимого раздела

Представим, что у нас имеется раздел страницы, выводимый в её верхней части. Нам нужно центрировать его содержимое по вертикали и по горизонтали. Горизонтальное центрирование — это очень просто, так как оно реализуется с помощью механизмов выравнивания текста.

Раздел страницы, содержимое которого надо центрировать

А как центрировать содержимое по вертикали? Как нам в этом может помочь Flexbox? А вот как:

Фазовые лазерные дальномеры

Фазовые лазерные дальномеры имеют ошибку на доли длины фазы модуляции, поэтому намного точнее импульсных, а также дешевле, т.к. не имеют сверхточного таймера. Однако необходимость более длительной подсветки цели уменьшает мощность лазера и, как следствие, дальность работы прибора.

] .Есть предположение,что человеческий глаз(и мозг) видит не мерцание как таковое,а кратное (В 10..100..1000 раз в меньшую сторону по частоте) усиление и ослабление силы света,связанное с ,возможно ,дискретной природой обработки видеосигнала в мозгу.(типа эффекта якобы остановившегося пропеллера вертолета при съемках с частотой,кратной частоте его вращения.)

Принцип действия фазового лазерного дальномера заключается в том, что при отражении от цели отражённая волна придет в другой фазе. Иными словами, если в данный момент лазер излучает сигнал определённой мощности, то отражённый сигнал будет возвращаться так, как будто мощность излучения была другая, т.к. за время полета света и его отражения изменяется фаза (мощность сигнала) на самом устройстве. Таким образом достигается точность вплоть до 0,5 мм, т.к. точность сравнима с длиной волны[нет в источнике

]. Поскольку неизвестно, сколько целых длин волн уложилось при одном измерении, то дальномер меняет частоту модуляции и повторяет замер. Далее процессор в дальномере решает систему линейных уравнений и вычисляет расстояние до цели.[1]

Подключение HC-SR04

Датчик HC-SR04 имеет четыре вывода. Кроме земли (Gnd) и питания (Vcc) еще есть Trig и Echo. Оба этих вывода цифровые, так что подключаем из к любым выводам Ардуино Уно:

Этот прибор, который до сих пор считается уникальным, смог найти применение практически во всех сферах человеческой жизни. Сегодня лазерный дальномер можно увидеть в руках геологов и геодезистов. Иными словами, в тех областях человеческой деятельности, где необходимо замерить расстояние с особой точностью. Поэтому высокую популярность завоевали лазерные рулетки, отличающиеся высокой точностью, повышенной надежностью и вполне доступной ценой. Вполне естественно звучит вопрос, можно ли сделать дальномер лазерный своими руками.

К группе приборов, которые измеряют расстояние при помощи электроники, относятся: лазерный дальномер, ультразвуковой дальномер.

Измерения лазерным дальномером делаются на основе световых потоков, носителем сигнала является электромагнитное излучение, окрашенное в соответствующий оттенок. В большинстве случаев за основу берется красный свет.

Согласно законам физики, скорость света намного превышает скорость звука, поэтому и время измерения одинакового расстояния будет отличаться.

Самодельный фазовый лазерный дальномер

В статье я расскажу о том, как я делал лазерный дальномер и о принципе его работы. Сразу отмечу, что конструкция представляет собой макет, и ее нельзя использовать для практического применения. Делалась она только для того, чтобы убедится в том, что фазовый дальномер реально собрать самому.

Теория

Наиболее важный процесс в таком дальномере — это измерение разности фаз сигналов, которая и определяет точность измерения расстояния. Существуют различные способы измерения разности фаз, как аналоговые, так и цифровые. Аналоговые значительно проще, цифровые дают большую точность. При этом цифровыми методами измерить разность фаз высокочастотных сигналов сложнее — временная задержка между сигналами измеряется наносекундами (эта задержка возникает также, как и в импульсном дальномере).

Для того, чтобы упростить задачу, используют гетеродинное преобразование сигналов — сигналы от фотоприемника и лазера по отдельности смешивают с сигналом близкой частоты, который формируется дополнительным генератором — гетеродином. Частоты модулирующего сигнала и гетеродина различаются на килогерцы или единицы мегагерц. Из полученных сигналов при помощи ФНЧ выделяют сигналы разностной частоты.

Пример структурной схемы дальномера с гетеродином. М — генератор сигнала модуляции лазера, Г — гетеродин.

Разность фаз сигналов в таком преобразовании не изменяется. После этого разность фаз полученных низкочастотных сигналов измерить цифровыми методами значительно проще — можно легко оцифровать сигналы низкоскоростным АЦП, или измерить задержку между сигналами (при понижении частоты она заметно увеличивается) при помощи счетчика. Оба метода достаточно просто реализовать на микроконтроллере.

Есть и другой способ измерения разности фаз — цифровое синхронное детектирование. Если частота модулирующего сигнала не сильно велика (меньше 15 МГц), то такой сигнал можно оцифровать высокоскоростным АЦП, синхронизированным с сигналом модуляции лазера. Из теоремы Котельникова следует, что частота дискретизации при этом должна быть в два раза выше частоты модуляции лазера. Однако, так как оцифровывается узкополосный сигнал (кроме частоты модуляции, других сигналов на входе АЦП нет), то можно использовать метод субдискретизации, благодаря которому частоту дискретизации АЦП можно заметно снизить — до единиц мегагерц. Понятно, что аналоговая часть дальномера при этом упрощается. Более подробно (с всеми нужными формулами) этот метод рассматривается здесь (на английском) и здесь (на русском). В первой статье указывается, что если частота дискретизации сигнала (fsp) связана с частотой модуляции (fo) следующим соотношением: где p — целое число, то процесс вычисления фазы значительно упрощается. Достаточно взять N выборок сигнала X, после чего разность фаз можно вычислить по следующим формулам: Отмечу, что оба вышеуказанных метода часто применяются вместе — низкочастотные сигналы подаются напрямую на АЦП, высокочастотные переносятся в область более низких частот за счет гетеродинного преобразования, и также подаются на АЦП.

Именно второй вариант фазометра, с использованием частоты модуляции 10МГц я и решил реализовать в своем макете дальномера.

Практика

Структурная схема моего дальномера:

Фактически, вся конструкция состоит из 3 частей — отладочной платы с микроконтроллером, усилителя сигнала лазера с самим лазером, и фотоприемника с усилителем и фильтром. В вышеописанной теории предполагалось, что излучение лазера модулируется синусоидальным сигналом. Сформировать такой сигнал частотой 10Мгц с использованием контроллера непросто, поэтому в своей конструкции я подаю на лазер меандр частотой 10МГц. После усиления сигнала с фотоприемника от полученного сигнала отсекаются лишние гармоники полосовым LC-фильтром, настроенным на частоту 10МГц, в результате чего на выходе фильтра возникает сигнал, очень близкий к синусоидальному.

Схема аналоговой части (усилителя лазера и приемной части):

Схема была взята из проекта лазерной связи Ronja, описание на русском. В этом проекте как раз реализована передача данных со скоростью 10Mbit, что соответствует выбранной частоте модуляции. Как видно из схемы — усилитель мощности для лазера простейший, собран на микросхеме 74HC04 (содержит 6 инверторов). Включение микросхемы не совсем корректное, но оно работает. Ток через лазер ограничивается резисторами (тоже не самое лучшее решение). Напряжение питания 5В для усилителя берется с отладочной платы. Для того, чтобы сигнал с усилителя не наводился на остальную часть схемы, корпус усилителя сделан металлическим, все провода экранированы. Сам лазер (красного цвета) взят из пишущего DVD-привода, его мощность можно установить достаточно высокой, и он гарантированно будет работать на частоте 10МГц.

Приемник состоит из фотодиода и усилителя, собранного на полевом транзисторе и микросхеме-высокоскоростном усилителе. Так как с увеличением расстояния освещенность фотодиода сильно падает, то усиление должно быть достаточно большим (в этой схеме оно примерно равно 4000). Кроме того, с ростом частоты заметно падает сигнал на выходе фотодиода (сказывается его емкость). Отмечу, что усилитель в данной конструкции — важнейшая и наиболее капризная часть. Как оказалось, его усиления явно не хватает. Изначально я предполагал, что коэффициент усиления можно будет менять (чтобы ослаблять сигнал при его слишком большой величине), используемая схема позволяет это делать, меняя напряжение на втором затворе транзистора. Однако оказалось, что при изменении усиления достаточно сильно изменяется вносимый усилителем сдвиг фаз, что ухудшает точность измерения расстояния, так что пришлось установить коэффициент усиления на максимум, подавая на затвор транзистора напряжение 3В с батарейки. Приемнику для работы требуется напряжение 12В, так что для его питания приходится использовать отдельный блок питания. Усилитель очень чувствителен к внешним наводкам, так что он тоже должен быть экранированным. Я взял готовый корпус от нерабочего оптического датчика, и разместил усилитель в нем (белая полоска — фольга для дополнительного экранирования фотодиода): Отмечу, что наводка сигнала от лазера на приемник довольно сильно ухудшает точность измерения разности фаз, так что нужно контролировать, чтобы такая наводка отсутствовала.

LC-фильтр, используемый в дальномере — взят от приемника. Так как фильтр отсекает постоянную составляющую сигнала, а АЦП отрицательные сигналы не воспринимает, то ее приходится добавлять при помощи резисторного делителя R15, R16. Постоянное напряжение, подаваемое на делитель, берется c отладочной платы (VCC).

Как я уже отмечал выше, реализовать автоматическое управление усилением не удалось. При этом изменение амплитуды принятого сигнала приводит к изменению фазовых сдвигов в усилителе, и следовательно, к дополнительным ошибкам. Поэтому мне пришлось регулировать освещенность фотодиода при помощи механической заслонки, поворачиваемой сервоприводом — при слишком большой освещенности заслонка перекрывает световой поток. ШИМ сигнал для управления приводом формируется таймером TIM3.

Про оптику. Без нее дальномер невозможен. Ее конструкция хорошо видна на фотографиях ниже. Лазер находится внутри пластиковой трубки, установленной вертикально. В нее вставлена небольшая втулка с зеркальной призмой. Втулку можно поворачивать, поднимать и опускать, перемещая таким образом луч лазера. Так как я догадывался, что усиления не хватит, то для приема сигнала использовал крупную линзу Френеля. Так так лазер, линза и фотодиод установлены соосно, то на близких расстояниях лазер закрывает от фотодиода собственный луч. Для компенсации этого эффекта я установил вторую линзу (лупа с оправой), хотя полностью эффект не устраняется, поэтому максимальный сигнал наблюдается на расстоянии примерно 50-70 см от лазера.

А вот и фотографии получившейся конструкции:

На индикаторе первое число — амплитуда в единицах АЦП, второе число — расстояние в сантиметрах от края доски.

Видео работы дальномера:

Дальность работы у получившегося дальномера вышла достаточно небольшая: 1,5-2 м в зависимости от коэффициента отражения объекта. Для того, чтобы увеличить дальность, можно использовать специальный отражатель, на который нужно будет направлять луч лазера. Для экспериментов я сделал линзовый отражатель, состоящий из линзы, в фокусе которой расположена матовая бумага. Такая конструкция отражает свет в ту же точку, откуда он был выпущен, правда, диаметр луча при этом увеличивается. Фотография отражателя:

Использование отражателя:

Как видно, расстояние до отражателя — 6.4 метра (в реальности было примерно 6.3). Сигнал при этом возрастает настолько, что его приходится ослаблять, направляя луч лазера на край отражателя.

Точность получившегося дальномера — 1-2 сантиметра, что соответствует точности измерения сдвига фаз — 0,2-0,5 градуса. При этом, для достижения такой точности, данные приходится слишком долго усреднять — на одно измерение уходит 0.5 сек. Возможно, это связано с использованием PLL для формирования сигналов — у него довольно большой джиттер. Хотя я считаю, что для самодельного макета, аналоговая часть которого сделана довольно коряво, в котором присутствуют достаточно длинные провода, даже такая точность — довольно неплохо. Отмечу, что я не смог найти в Интернете ни одного существующего проекта фазового дальномера (хотя бы со схемой конструкции), что и послужило причиной написать эту статью.

Программа контроллера: ссылка

Используемые компоненты

Список деталей:

1 х Arduino NANO 1 х Модуль с датчиком VL53L0X 1 х Повышающий преобразователь 1 х Шаговый мотор 1 х Драйвер шагового мотора на микросхеме A4988 1 х Скользящие контакты (slip ring) на 6 проводов. Диаметр 12.5мм, длина 15мм или меньше 1 х 6710ZZ подшипник 1 х Датчик Холла 49E 1 х Макетная плата 1 х 100 мкФ электролитический конденсатор 1 х 5 мм х 1 мм неодимовый магнит

Повышающий стабилизатор нужен для шагового мотора. Такие моторы обычно потребляют максимум сотни миллиампер. Стабилизатор желательно взять с запасом, допустим на 1А или больше. Выходное напряжение питания у стабилизатора, 12В или более. Выбирая стабилизатор, так же учитывайте, что они не должен быть слишком большой, иначе его нельзя будет поместить внутри корпуса.

Запуск и настройка

При первом запуске устройства происходит следующее:

Подается импульс на вход Trig.
В самом датчике сигнал преобразуется в 8 импульсов, у которых частота достигает 40 кГц, их он, соответственно, и посылает вперёд.
Доходя до препятствия, импульсы отражаются и возвращаются на приемник, происходят моментальные расчеты в МК, и вся информация подаётся на устройство вывода. В нашем случае – это консоль ПК, но в будущем мы сделаем урок, где данные будут выводиться на LED-экранчик.

При первом запуске мы используем линейку, которая позволит сравнить точность измерений. Запустив устройство, проверьте данные, которые будут выведены в консоли.

Датчик пользуется большой популярностью и всё больше людей пишут свои решения для работы с ним.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Программа

На диаграмме видно, что для начала измерения нам необходимо сгенерировать на выводе Trig положительный импульс длиной 10 мкс. Вслед за этим, датчик выпустит серию из 8 импульсов и поднимет уровень на выводе Echo, перейдя при этом в режим ожидания отраженного сигнала. Как только дальномер почувствует, что звук вернулся, он завершит положительный импульс на Echo.

Получается, что нам нужно сделать всего две вещи: создать импульс на Trig для начала измерения, и замерить длину импульса на Echo, чтобы потом вычислить дистанцию по нехитрой формуле. Делаем.

Функция pulseIn замеряет длину положительного импульса на ноге echoPin в микросекундах. В программе мы записываем время полета звука в переменную duration. Как мы уже выяснили ранее, нам потребуется умножить время на скорость звука:

s = duration * v = duration * 340 м/с

Переводим скорость звука из м/с в см/мкс:

s = duration * 0.034 cм/мкс

Для удобства преобразуем десятичную дробь в обыкновенную:

s = duration * 1/29 = duration / 29

А теперь вспомним, что звук прошел два искомых расстояния: до цели и обратно. Поделим всё на 2:

s = duration / 58

Теперь мы знаем откуда взялось число 58 в программе!

Загружаем программу на Ардуино Уно и открываем монитор последовательного порта. Попробуем теперь наводить датчик на разные предметы и смотреть в мониторе рассчитанное расстояние.

Послесловие переводчика

Нельзя не отдать должное изобретательности автора, хотя литературная сторона статьи, конечно, оставляет желать.

Мне не вполне ясно, каким образом изменение размера зрачка может влиять на расстояние между зрачками. Очевидно, автор подразумевает не расстояние между центрами зрачков, а скорее расстояние между их медиальными краями. По-моему это не совсем правильно. В конце концов, оптическая ось глаза проходит именно через центр зрачка, а потому для наших целей важно именно расстояние между центрами зрачков, которое не зависит от их диаметра. Правда, при расширении зрачка (мидриазе) происходит уменьшение глубины резко изображаемого пространства, в результате чего объекты не в фокусе (в том числе сдвоенный треугольник дальномера) будут выглядеть несколько более размытыми. Это немного снижает точность измерения, но не настолько, чтобы этому факту стоило уделять особое внимание.

Рис.4 Примерно так выглядит метрический дальномер.

Подключение HC-SR04

Итак, что же такое дальномер лазерный своими руками? Данное приспособление используется во многих сферах жизни человека. Им еще пользуются геологи и геодезисты. Это устройство можно использовать везде, где требуется произвести замеры расстояния с абсолютной точностью. По этой причине широкую популярность получили лазерные дальномеры, у которых высокие показатели точности и надежности. А можно ли соорудить такое устройство собственными руками?Такой дальномер выполняет измерения благодаря световым потокам. Сигналом выступает электромагнитное излучение, которое окрашено в нужный цвет. Зачастую оно бывает красным. По законам физики скорость света значительно выше скорости звука, поэтому время измерения равного промежутка будет отличаться.

Устройство лазерного дальномера.

Главные причины для установки лазерного дальномера

Использовать рулетку в некоторых случаях неудобно. За последнее десятилетие предпочтение отдается электронным устройствам.

Они работают по принципу бесконтактного способа.

Данное устройство состоит из следующих элементов: платы, микроконтроллера, усилителя сигнала лазера, лазера, фотоприемника, фильтра. Лазерное излучение образовывается с помощью синусоидального сигнала. Его сложно получить, если частота 10 МГц. Рекомендуется использовать меандр с необходимой частотой. При усилении сигнала, который приходит из фотоприемника, нужно убрать ненужные гармоники специальным полосовым фильтром, работающим на частоте 10 МГц. На выходе образовывается сигнал, который напоминает синусоидальный.

Разработка фотоприёмного устройства

Для того чтобы принять отраженный от объекта сигнал необходимо фотоприёмное устройство (ФПУ). Оно включает в себя линзу, оптический фильтр, корпус, фотодиод, схему усиления сигнала (Рисунок 5), и компаратор. Максимальная дальность сканирования в первую очередь зависит от ФПУ и уже потом от мощности лазера [10].

Рисунок 5 – Первый каскад усилителя

Чувствительность: 0,75 А/Вт;

Темновой ток: 10 нА;

Чувствительность отражает изменение электрического состояния на выходе фотодиода при подаче на вход единичного оптического сигнала. Количественно чувствительность измеряется отношением изменения электрической характеристики, снимаемой на выходе фотоприёмника, к световому потоку или потоку излучения, его вызвавшему.

В физикеиэлектроникетемновым током называют малыйэлектрический ток, который протекает пофотодиоду, в отсутствии падающихфотонов. Физической причиной существования темнового тока являются случайные генерацииэлектроновидыроквp-n слоеустройства, которые затем начинают упорядоченно двигаться за счет сильногоэлектрического поля. Темновой ток — один из главных источников шума [11].

Усилитель представляет собой 3 каскада выполненных на ОУ ADA4817-1, технические характеристики которого приведены в [12]. Первый каскад является преобразователем ток-напряжение с коэффициентом усиления 2400. Второй и третий каскады – это одинаковые усилители с коэффициентом усиления 10 (Рисунок 6).

Рисунок 6 – Второй и третий каскады усиления

Одним из важнейших расчетов фотоприёмного устройства является энергетический расчет.

У любого фотоприёмника, помимо темнового тока фотодиода, есть шумовой ток, зависящий от полосы пропускания, который рассчитывается по формуле:

Исходя из формулы (6) шумовой ток прямо пропорционален корню квадратному из полосы пропускания фотоприёмника.

Для нахождения шумового тока рассчитаем полосу пропускания фотоприёмника. Резистор и конденсатор в обратной связи представляют собой фильтр верхних частот, а в паре с обвязочным конденсатором этот резистор образует фильтр верхних частот. Для расчета частоты среза RC-фильтров применяют формулу:

Используя формулу (7) найдем верхнюю и нижнюю границу полосы пропускания фотоприёмника:

Зная значения верхней и нижней границы можно рассчитать полосу пропускания:

Подставляя значение, полученное в (10), в формулу (6) рассчитаем величину шумового тока:

Для того чтобы определить полезный сигнал на фоне шумов, он должен быть в 5–10 раз больше чем сумма темнового тока фотодиода и шумового тока приёмника [13]. Зададимся значением полезного сигнала, величиной 3 мкА. Исходя из чувствительности фотодиода, определим мощность оптического излучения, которое должно попадать на него для генерации тока равного 3 мкА:

Фотоприёмное устройство, помимо фотодиода и схемы усиления, содержит в своём составе оптическую систему, включающую в себя линзу диаметром 30 мм и фокусным расстоянием 51 мм, и оптический фильтр, пропускающий только излучение с длинной волны 905 нм. Оптический фильтр необходим для уменьшения влияния засветки на фотодиод. Он расположен между линзой и фотодиодом, при его установке необходимо учитывать что фокусное расстояние увеличится на величину равную толщине фильтра. Это происходит потому, что свет распространяется в фильтре параллельными лучами.

Для того чтобы определить максимально возможное расстояние, на котором полезный сигнал будет различим на фоне шумов, проведем энергетический расчет. Лазерный луч, попадая на объект, отражается от него в виде полусферы, и в результате не все излучение попадает на фотоприёмник (Рисунок 7).

Рисунок 7 – Отражение лазерного луча от объекта сканирования. 1 – ФПУ; 2 – лазерный излучатель; 3 – объект сканирования.

Конус, образующийся площадью линзы фотоприёмника и расстоянием до объекта сканирования, называется зрительным углом. Он определяет ту мощность, которая непосредственно попадет на ФПУ. В этом и заключается цель энергетического расчета фотоприёмника.

– мощность лазерного излучения (для SPLPL90_3); D – диаметр линзы ФПУ (D=30 мм);r – расстояние до объекта.

Преобразовав формулу (13), выведем r:

Подставив значения в формулу (14) получим максимальное расстояние которое возможно измерить:

Значение полученное в выражении (15) является идеальным, в реальности же большинство объектов поглощают часть излучения. Для объектов, с отражательной способность 18%, максимальное расстояние будет равно:

ФПУ включает в себя компаратор, необходимый для получения логического сигнала. В схеме используется компаратор ADCMP600, технические характеристики которого приведены в [14] (Рисунок 8).

Принцип работы лазерного дальномера

Схема работы лазерного дальномера.

Его принцип является очень простым. Это приемо-передающий прибор, излучающий и принимающий лазерный импульс, который отражается от поверхности.

Однако само по себе это устройство является сложным.

Важными моментами этого устройства являются многофункциональность, максимальный и минимальный промежуток выполнения измерений, точность устройства, воздействие внешних факторов на качество результатов.

Далее будет рассмотрено, как делается лазерный прибор для измерения расстояния.

Послесловие переводчика

Рис.4 Примерно так выглядит метрический дальномер.

Расчёт шкалы дальномера

Располагая этими данными, вы без большого труда сможете разметить собственный дальномер.

Для измерения длины руки можно воспользоваться рулеткой, а для определения межзрачкового расстояния – фороптером или, на худой конец, обычной линейкой. Прибегать к помощи разметочного циркуля категорически нежелательно.

Спасибо за внимание!

Обратный звонок

Отклонение лучей (прибор упал). Распространённая неисправность. В случае падения (удара) лазерного уровня может сдвинуться маятник на подвесе. Если Ваш прибор вдруг начал значительно отклоняться от вертикали и горизонтали, скорее всего его уронили. Не думайте, что прибор в кейсе, с включённой блокировкой защищён от смещения маятника при падении-это не так. Просто постарайтесь избежать падений и ударов. Исправление смещения маятника на подвесе для прибора со значительным количеством излучателей-кропотливая, дорогостоящая работа, требующая некоторых знаний, навыков, специального инструмента и приспособлений. По характеру повреждений случай не признаётся гарантийным.
Нестабильность-показания прибора отклоняются то в одну, то в другую сторону. Менее распространённая неисправность. Для устранения требуется (как правило) замена подшипников подвеса и последующая настройка. Работа такая же, как и в предыдущем случае, только требуются ещё и запасные части. Стоимость ремонта относительно высокая. Возникновение такого дефекта в период гарантии практически невозможно, данный случай признаётся гарантийным только при отсутствии признаков вмешательства, падения или нарушения правил эксплуатации прибора.
Не горит один или несколько лучей. Неисправность, как правило, вызвана обрывом гибкой проводки к маятнику. Ремонт относительно недорог. Если не выявляются следы вмешательства, то случай признаётся гарантийным.
Неисправность клавиатуры (не работают одна или несколько кнопок). Требуется соответственно, замена кнопок. Если не выявляются следы вмешательства, то неисправность устраняется по гарантии. В случае, если на приборе применена клавиатура мембранного типа, то приходится изменять конструкцию прибора и устанавливать обычные тактовые кнопки, такой ремонт более трудоёмок и, соответственно, дороже стоит.
Разбито стекло. Замена стекла-недорогая и несложная работа, но стёкла сами по себе не лопаются. Как правило, одной заменой стекла ремонт не заканчивается-требуется настройка линий, а иногда и коррекция положения маятника на подвесе, как после падения прибора (ремонт по п.1.). Кроме того, если прибор использовался с разбитым стеклом, потребуется очистка прибора изнутри. В крайних ситуациях, строительная пыль проникает в подшипники, тогда ремонт производится как в п.2. Разбитое стекло не является гарантийным случаем.
Неисправности приборов с электронными системами выравнивания и ротационных нивелиров встречаются относительно нечасто, устранение требует определённых знаний (в том числе сервисных инструкций производителя), инструментов и приспособлений. Стоимость работ высокая. Если не выявлены следы вмешательства или нарушений правил эксплуатации, то неисправность устраняется по гарантии.
Лазерный излучатель светит очень тускло. Как правило, сгорел лазер. Требуется замена излучателя и последующая настройка прибора. Если не выявлены следы вмешательства или нарушений правил эксплуатации, то неисправность устраняется по гарантии.

Иные, встречающиеся на практике неисправности, не являются типичными и описывать их здесь нет необходимости.

Что такое GNSS приемник (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь)

Что такое тахеометр (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь)

Что такое нивелир (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь)

Что такое теодолит (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь)

Что такое тепловизор (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь)

Что такое трассоискатель (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь)

Post scriptum

Код для нашего устройства ниже. Помните, что красный светодиод должен загораться при расстоянии менее 4 см.

Измерение расстояния до берега по известной высоте какого-либо ориентира широко применяется на практике судоводителями малых судов. Если на борту есть секстант, то с его помощью можно достаточно точно измерить вертикальный угол между основанием предмета и его верхним концом, а затем рассчитать расстояние, умножив известную высоту маяка, трубы, здания и т. Если секстанта нет, то можно воспользоваться простой линейкой с делениями, поставив ее вертикально в вытянутой руке и измерив видимую высоту предмета h. Зная расстояние L от глаза до линейки, можно рассчитать расстояние до предмета по закону подобия треугольников, имеющих стороны Н и D и h и L:. Для повышения точности измерений к линейке можно привязать шнурок определенной длины, например, 80 см и надевать его на шею.

Как сделать самодельный дальномер своими руками — простой прибор для измерения расстояния до берега

Сайт помогает найти что-нибудь интересное в огромном ассортименте магазинов и сделать удачную покупку. Если Вы купили что-то полезное, то, пожалуйста, поделитесь информацией с другими. Также у нас есть DIY сообщество , где приветствуются обзоры вещей, сделанных своими руками. Внедряю в павербанк. Микрофон, хороший звук, подсветка. Идеальный номер два? Зарегистрироваться Логин или эл.

Как выбрать.

Как выбрать GNSS-приемник (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь )

Как выбрать тахеометр (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь)

Как выбрать нивелир (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь )

Как выбрать теодолит (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь )

Как выбрать тепловизор (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь )

Как выбрать трассоискатель (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь )

Как выбрать штатив (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь )

Как выбрать веху (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь )

Как выбрать отражатель (с ассортиментом Вы можете ознакомиться здесь )

Читайте также: