Schaltung für US.-Sensoren für große Entfernung

[Knarf L. (si7)]

Hallo,

ich bin neu hier und hoffe die passende Hilfe zu finden. Ich schreibe 
gerade meine Bachelorthesis und muss dazu eine 
Geschwindigkeitsmesseinrichtung aufbauen. Diese soll über 2 
Ultraschallsensoren (Sender und Empfänger) gemessen werden. Die Sensoren 
stehen sich dafür gegenüber und bilden eine art Lichtschranke. Oder eher 
Schallmauer. Versorgt werden die Sensoren jeweils mit einer 12V 
Batterie. Gesteuert und Programmiert werden die Sensoren über ein 
Arduino Uno-Board. Am Ende, wenn das Fahrzeug wovon die Maße bekannt 
sind, durchgefahren ist, soll die Geschwindigkeit auf dem Laptop oder 
eine Monitor angezeigt werden. Ich habe eine Schaltung verwendet, welche 
für eine Abstandsmessung benutzt wird. An sich klappt alles einwandfrei 
außer, dass ich eine Entfernung von max. 40 cm-50 cm komme. Jedoch muss 
ich auf eine Entfernung von ca. 3 Metern kommen. Hat jemand eine Idee 
oder einen Vorschlag? Da ich kein Experte auf dem Gebiet der 
Elektrotechnik bin und eher nur Grundkenntnisse besitze, hoffe ich, dass 
mir hier jemand helfen kann.

Die Sensoren sind folgende:
http://www.conrad.de/ce/de/product/505680/Ultraschall-Sender-KPUS-40FS-18T-447-40-kHz-x-H-18-mm-x-12-mm?queryFromSuggest=true
und
http://www.conrad.de/ce/de/product/505679/Ultraschall-Empfaenger-KPUS-40FS-18R-448-40-kHz-x-H-18-mm-x-12-mm?queryFromSuggest=true

Die Schaltung habe ich im Anhang. Diese habe ich aufgeteilt. Den Ersten 
Abschnitt bis vor dem "C3" ist auf einer Platine am Empfänger und der 
Restliche Teil ab dem Kondensator ist auf der Platine am Sender.

Ich bin Dankbar für jede Hilfe

[Sascha (Gast)]

Das sind auch etwa die ungünstigsten US-Sender/Empfänger, die man nehmen 
kann. Kuck dir mal den hier an (gibts auch als Sender), in dessen 
Datenblatt sind viele hilfreiche Schaltungen abgebildet, ebenso kann man 
an diese einen Papptrichter ankleben für eine stärker gebündelte 
Schallabgabe.

http://www.conrad.de/ce/de/product/506193/Ultraschall-Empfaenger-Murata-MA40S4R-Ultraschall-Empfaenger-40-kHz-x-H-99-mm-x-71-mm?ref=list

[Abdul K. (ehydra)]

Die offenen Wandler sind etwas empfindlicher. Eventuell hast du auch 
Sender mit Empfänger vertauscht? Ansonsten hilft dann nur noch ein 
weiterer Verstärker: Die Stufe um T3 einfach nochmal im Signalpfad, bzw. 
OpAmps oder analogbetriebene CMOS-Inverter.

[dieter (Gast)]

Die Schaltung ist Mist, weil die Rückkopplung vom Abstand und der Luft 
dazwischen abhängt. Verbesserungsmöglichkeiten :

1) Die Sender haben nicht unerhebliche Toleranzen. Für maximale 
Schallenergie den Sender in einer separaten Schaltung über den 
Schwingstrom auf seiner Serienresonanz anregen.

2) Die Eingangsstufe darf nur soviel verstärken, dass der Empfänger 
nicht durch seitliche Reflektionen zugestopft wird. Steuern kann man das 
gegebenenfalls über den Widerstand zwischen Kollektor und Basis, der als 
Gegenkopplung wirkt. Probieren wie gross er maximal sein darf.

Es lässt sich locker eine Reichweite von 10m erreichen.

Ich verstehen nur nicht, wieso du eine Schallschranke aufbauen willst. 
Eine Lichtschranke ist für diese Anwendung viel präziser.
Eine Schallmessung ist nur dann vorteilhaft, wenn die Geschwindigkeit 
über ein Dopplersignal ermittelt werden soll.
Ich habe vor ein paar Jahren solche Geräte entwickelt und kann dir bei 
Bedarf detailliertere Tips geben.

[Knarf L. (si7)]

WOW, ich hatte ja vorher mitbekommen, dass es hier schnell geht, aber 
das man so schnell hier Antworten erhält, das hätte ich nicht erwartet.
Vielen Dank dafür!

Also die Sender habe ich von meinem Professor erhalten. Wenn möglich 
soll ich diese verwenden. Allerdings ist mir auch schon aufgefallen, 
dass diese wohl nicht die Besten sind. Dazu werde ich mit Ihm nochmal 
Rücksprache halten.

Vertauscht habe ich Sie nicht. Hatte es schon einmal ausprobiert und 
kann bestätigen, dass das Ergebnis dann schlechter ist. Die Stufe um T3 
noch einmal einbauen hatte ich auch schon überlegt. Aber etwas passte 
dabei noch nicht. OpAmps sind Verstärker? Welchen sollte ich das 
verwenden?

Eine Lichtschranke währe sicherlich genauer, aber leider ist die 
Vorgabe, dass ich Ultraschallsensoren benutzen soll. Dies ist für ein 
Projekt von der Uni. Im Moment sind die Schaltungen getrennt auf zwei 
Platinen gelötet, welche sich an dem jeweiligen Sensor befinden. diese 
sind über ein Kabel miteinander verbunden, damit der Schaltkreis 
erhalten bleibt. Das die Schaltung wohl nicht optimal dafür ist, wahr 
fast zu erahnen.
@dieter: Wie schafft man denn 10m mit diesen Sensoren? Im Datenblatt 
steht etwas von 3,5m. Sind die Tipps auf eine Lichtschranke bezogen, 
oder auf Ultraschallsensoren? Ich wäre für detaillierte Tipps sehr 
dankbar! Ich werde auf jeden Fall mal einiges ausprobieren und werde 
euch das Ergebnis mitteilen.

Vielen Dank

[Peter R. (pnu)]

Frank Rüchel schrieb:
> Wie schafft man denn 10m mit diesen Sensoren? Im Datenblatt
> steht etwas von 3,5m.

Bündelung ist die erste Antwort:

Es gibt zum Beispiel Parabolspiegel, mit denen man den Schallstrahl auf 
den Empfänger richten kann. Und auf Empfangseite das ankommende Signal 
mit Spiegel auf den Sensor leiten.
Oder etwa Schalltrichter auf Sende und Empfangsseite anwenden.
Auch "akustische Linsen" sind herstellbar, bei 40 kHz würden sie sogar 
tragbare Abmessungen haben.
Mit solchen Maßnahmen würde man wohl gut auf 10m kommen.

Zweite Antwort: Signalverarbeitung, um schwache Signale aus dem Rauschen 
zu holen.
Auf Empfängerseite einen Bandpass einsetzen, sodass bei hoher 
Verstärkung das Rauschen eingegrenzt wird.
Eventuell mit Impulsen arbeiten: Wenn die Laufzeit in der richtigen 
Größe ist, Empfangsverstärker nur in den Pausen freigeben, sodass neben 
einer Frequenzselektion auch eine zeitliche Selektion betrieben wird.

Im Extremfall pseudo-noise Modulation mit synchroner Demodulation.
Also alle Techniken, um schwache Signale empfangbar zu machen.

dritte Antwort,brutale Technik: mit Impulsgenerator den Sender auf hohe 
Sendeleistung dressieren.

[dieter (Gast)]

Beim E entsprechen die 40 kHz der Parallel- und beim S der 
Serienresonanz.
Darum zwei unterschiedliche Typen.

Um maximale Schallenergie abzustrahlen, muss der Sender genau auf seiner 
Serienresonanz erregt werden. Das erreicht man mit einer Rückkopplung 
über den Schwingstrom.
Wir haben seinerzeit sehr gute Ergebnisse mit einem CMOS-IC CD4011 
erzielt.

Die Werte R und C kann man bei Bedarf verändern. Evtl. ein bisschen 
spielen. Die Betriebsspannung beträgt 12V.
Achtung : Senderkreis nicht im Betrieb unterbrechen. Dadurch entsteht 
ein Induktionsstoss, der das IC zerstört.

Ich hoffe, dass die Schaltung rüberkommt. Ich arbeite mit einem 
Linux-Surfprogramm und habe mit der Draw-Funktion gezeichnet.

Die Wellenlänge bei 40 kHz beträgt ca. 8,5 cm und für einen 
Parabolspiegel oder eine Linse ist grob

                                  Wellenlänge
           Offnungswinkel = 60 ------------------
                               Spiegeldurchmesser

Ob da ein Spiegel lohnt, musst du selbst entscheiden.

Wir haben damals auf 25 kHz gearbeitet. Da ist die Absorption zwar 
geringer, aber die 10 m haben wir im Echoverfahren erhalten !

Die Schaltung ist schnell aufgebaut. Also probier mal, dann sehen wir 
weiter. Viel Spass !

[dieter (Gast)]

PS :
Ich sehe gerade, dass die Schaltung vielleicht doch nicht zu öffnen ist.
Sie ist mit LibreOffice-Draw gezeichnet. Probier mal ganz simpel mit MS 
Word. Für den Moment habe ich keine Lust mehr, was anderes zu machen.

[Alwin (Gast)]

Im Funkamateur 4/2000 S.399...402 ist ein Beitrag zur 
Windgeschwindigkeitsmessung mittels Ultraschall. Lässt sich auch prima 
zur Abstandsmessung anpassen. 10m waren bei entsprechendem Aufbau kein 
Problem.

[Knarf L. (si7)]

Hallo, ich habe die Datei mit Word geöffnet. Hat erst etwas Probleme 
bereitet. Dann aber hat Word die Datei geöffnet. Allerdings bin ich mir 
nicht sicher, ob sie so aussehen soll(siehe Anhang). Falls ja, dann 
verstehe ich sie nicht wirklich. Entschuldigung. Ist leider nicht mein 
Fachgebiet. Mit den Spiegeln und den Trichter finde ich, ist ein guter 
Tipp und werde ich auf jedenfall ausprobieren. Vielen Dank dafür. Bin 
wirklich froh, mich hier angemeldet zu haben. Super Hilfe hier. Danke

[dieter (Gast)]

Naja, die Schaltung sieht nicht gerade schön aus, ist aber doch leicht 
zu verstehen:

Die 3 parallel geschalteten Gatter treiben den Sender. Der Schwingstrom 
erzeugt an einem Widerstand eine Spannung, die auf den Eingang der 
Schaltung rückgekoppelt wird. Das erste Gatter wird durch einen 
hochohmigen Widerstand im mittleren (linearen) Bereich gehalten und 
dient als Inverter und Treiber für die Endstufen-Inverter.
Der Rückkoppelwiderstand muss klein sein gegenüber dem Serienwiderstand 
des Senders. Deshalb soll die dort anfallende Spannung unter 1V betragen 
bei 12V Betriebsspannung.
Auch CD4001 funktioniert. Die Schaltung ist sehr betriebssicher und 
erzeugt ein starkes Signal. Probiers mal, denn es ist einfacher als eine 
Spiegeloptik.

Ein fremdgesteuerter Sender taugt nichts, weil er höchstwahrscheinlich 
nicht auf der optimalen Serienfrequenz arbeitet und diese noch von 
Temperatur und Luftdruck beeinflusst wird.

Zum Empfänger:
Wenn die beiden Verstärkerstufen ein zu starkes Signel am Kollektor von 
T2 erzeugen, dann kann trotz verdecktem Sender über Streureflektionen 
ein Signal anstehen und eine zu geringe Empfindlichkeit vortäuschen. 
Deshalb die Funktion mit einem Oszilloskop prüfen.
Ich hoffe, du hast eines, denn sonst stocherst du im Dunkeln.

Zum Spiegel:
Mechanisch aufwendig, denn für vernünftige Bündelung muss er ca. 50cm 
Durchmesser haben. Die Genauigkeit braucht bei 8cm Wellenlänge nur etwa 
1cm betragen, das ist evtl. schon durch einen billigen Lampenschirm o.ä. 
zu erreichen.
Das wichtigste Gegenargument ist aber die Aufweitung des 
Ultraschall-strahls. Um das Sendesignal komplett abzudecken, braucht 
dein Ziel eine gewisse Fahrzeit. Mit Spiegel steigt der Messfehler 
wahrscheinlich bis zur Unbrauchbarkeit. Selbst wenn man genaue 
Ansprechschwellen vorsieht, werden diese durch Umgebungseinflüsse nicht 
konstant gehalten. Darum probier lieber erst ohne Spiegel.

Zur Aufgabe allgemein:
Eine Schallschranke ist für die Messung der Abdeckzeit durch ein 
bewegtes Zielobjekt eine ganz miserable Lösung. Schall wird sehr stark 
durch das Transportmedium Luft (Temperatur, Druck) und infolge der 
unvermeidlich relativ breiten Abstrahl- und Empfangswinkel durch 
Reflektionen der Umgebung beeinflusst. Das bedeutet, dass die 
Schaltpunkte nicht genau definiert oder konstant sind.

Eine Lichtschranke hat per se eine sehr kleine und hochkonstante 
Strahlbreite und damit einen sehr kleinen Messfehler.

Vielleicht traust du dich nicht, aber ich würde die Sache 
folgendermassen anpacken:
1) Die Anlage genau so bauen und auswerten, wie vorgegeben.
2) Begründen, warum das eine mise Lösung ist, evtl. durch Bestimmung des
   Messfehlers.
3) Aufzeigen, was man verbessern könnte.
4) Wenn möglich, eine verbesserte, genauere Anlage aufbauen.

Glaub mir, eine dicke EINS ware dir sicher.

[Knarf L. (si7)]

Ja danke dir. Ich weiß ja das Ultraschall nicht dafür geeignet ist. Aber 
so wie Du es sagst, hatte ich es auch vor. Erstmal versuchen, soweit wie 
ich komme. Und am Ende unabhängig davon, ob es funktioniert oder nicht, 
würde ich  die Probleme aufführen und Verbesserungsvorschläge auftragen. 
Aber wie gesagt, ich will erstmal alles versuchen um er zu realisieren. 
Ich werde deinen Rat annehmen und versuche das Signal zu verstärken. 
Danke. Ich werde die Woche weiter testen und dann mein Ergebnis 
mitteilen.