Ультразвуковой дальномер пособие. Лазерный дальномер – что это такое, как работает и какие виды существуют? Ультразвуковой дальномер HC-SR04

Измерение расстояния необходимо производить как в бытовых строительных и ремонтных работах, так и в более сложных геодезических задачах. Если нужна высокая точность и скорость измерений, то стоит вооружиться специальным прибором, который носит название лазерный дальномер.

Для точного и оперативного измерения относительно небольших расстояний используется бытовой лазерный дальномер, характеристики которого отличаются от приборов профессионального назначения. Устройство представляет собой пластиковый корпус, в который встроены излучатель светового сигнала и его приемник. На специальном дисплее моментально выводится информация о размерах нужного объекта или дальности расположения предметов друг от друга.

Более сложные модели снабжены микропроцессором, который способен проводить некоторые расчеты. Лазерный строительный дальномер может посчитать:

площадь;
объем;
угловые величины;
неизвестную сторону треугольника;
разделить расстояние на равное количество отрезков или метраж, подчиняющийся определенной пропорции;
все найденные параметры могут быть записаны на специальную карту памяти.

Как работает лазерный дальномер?

Изначально высокоточные устройства для измерения расстояния были разработаны для военной промышленности. Со временем эти компактные приборы перекочевали в гражданскую сферу. Принцип работы лазерного дальномера основан на сдвиге фазы отраженного лазерного луча. При включении прибора, встроенный излучатель генерирует световой пучок известной длины волны и частоты. Отраженный от измеряемой поверхности луч воспринимается фотоприемником.

Полученные показания фазы отраженного луча сравниваются с изначальными данными в специальном устройстве – микропроцессоре. После несложных вычислительных операций лазерный дальномер выдает показатель измеренного расстояния. Все эти расчеты производятся в кратчайшие сроки за доли секунды. Погрешность бытовых приборов составляет не более 3 мм, тогда как профессиональные девайсы рассчитывают расстояние с точностью до 1 мм.

Какой дальномер лучше – лазерный или ультразвуковой?

При проведении строительных или ремонтных работ бывает важно быстро и точно измерить расстояние в одиночку, без помощи других людей. Пользоваться стандартной рулеткой не всегда удобно, поэтому в специализированных магазинах представлено огромное множество электронных измерительных приборов. Самый популярный из них – цифровой лазерный дальномер, принцип работы которого был рассмотрен выше.

Встречаются и ультразвуковые модели. Работают они также, как и лазерные, только вместо светового луча посылают звуковую волну. Встроенный приемник засекает отраженный звук, рассчитывает прошедшее от точки начала измерения время и выдает искомое значение. Отличия таких устройств следующие:

Дальность измерений . У ультразвука она редко превышает 30 м, тогда как лазер можно применять до 200 м.
Точность . У ультразвуковых моделей она может доходить до 0,5-1% от измеряемой длины, что не всегда приемлемо. При неблагоприятных погодных условиях (снег, дождь) погрешность может увеличиваться.

В зависимости от принципа, который положен в работу устройства, световые измерители могут быть двух видов:

Фазовый телеметр (второе название дальномера), который еще называют бытовым. В его основе лежит принцип изменения световым лучом фазы модуляции.
Импульсный прибор , который является более дорогим и точным измерителем, применяющимся для проведения больших и сложных расчетов.

Фазовый лазерный дальномер

Самым распространенным и популярным в строительстве, ремонте и охоте, считается фазовый дальномер. Он фиксирует изменения модуляции (параметров колебания) посылаемого и отраженного световых лучей, делая на основе этого сравнения расчеты расстояний. Дальность действия самых мощных устройств такого типа не превышает 1 км, а более простые модели справляются с расстояниями всего в несколько десятков метров.

Для мастеров, которые работают с наклонными поверхностями, такими как крыши домов или лестничные перила, был разработан лазерный дальномер с угломером. Прибор вычисляет угол наклона нужной поверхности. Удобными функциями в девайсе считаются автоматический поворот изображения на дисплее и звуковой сигнал при переходе угла из положений в 0 и 90°.

Импульсный лазерный дальномер

Приборы, которые подают световой поток короткими импульсами, имеют значительно более точные показатели измерения, так как учитывают не изменение фаз лазерного луча, а скорость, с которой он возвращается. Для столь точных вычислений в устройство вмонтирован высокоточный измеритель времени, рассчитывающий даже несколько наносекунд. Такой дальномер применяют для измерения больших расстояний от 1 км. Используется он и в астрономии и космической навигации.

Измерять расстояния требуется в совершенно разных условиях, поэтому выбор конкретной модели лазерной линейки дальномера будет зависеть от ряда параметров:

Дальность измерения . У самых простых устройств она не превышает 40 м, полупрофессиональные модели могут измерить до 200 м.
Точность . Недорогая лазерная рулетка имеет погрешность не более 0,3 см, тогда как более продвинутые модели не более 0,1 см.
Прочность . Из-за того, что устройство может применяться в непогоду и при большом количестве пыли, оно должно быть выполнено из ударопрочного пластика, не бояться воды и пыли.
Наличие упора . Это может быть выдвижной или откидной штырь или скоба. Аксессуар нужен для измерения расстояния из неудобной точки, например, от угла.
Возможность проведения дополнительных расчетов и измерение уклонов.
Наличие пузырькового уровня на корпусе прибора, который помогает правильно располагать устройство по горизонтали и вертикали.
Крепления для установки на штатив бывают полезны для проведения земляных работ на открытой местности.
Работа от аккумулятора или батарей . Разряженный аккумулятор нужно ставить на зарядную станцию на определенное время, тогда как батарейки можно легко и быстро заменить.
Укомплектованность дополнительными аксессуарами , например, портом для подключения к компьютеру, слотом для карты памяти и защитным чехлом.

Лазерный дальномер – функции

Помимо основной функции измерения расстояния, лазерная линейка может иметь дополнительные возможности:

Измерение площади и объема даже сложных по форме объектов.
Вычисление сторон по теореме Пифагора и свойствам трапеции.
Настройку точки отсчета. По умолчанию она считается от излучателя светового луча, но можно учесть и длину самого прибора или выдвижного штифта.
Непрерывное измерение. В этом режиме работы прибор с определенной периодичностью измеряет расстояние и выводит показатели на дисплей.
Определение максимальных и минимальных расстояний. Эта опция удобна при вычислении сложных величин.

Чехол для лазерного дальномера

Очень часто строительный дальномер используется в различных погодных условиях, будь то жара, дождь или снег, и на определенной высоте, с которой он может упасть. Все это предусматривают ответственные производители и выпускают устройства с повышенной прочностью и в защитном чехле. Он может быть двух видов:

съемный , тогда прибор нужно каждый раз вынимать для проведения замеров;
постоянный , который защищает корпус девайса даже во время измерительных работ.

Рейтинг лазерных дальномеров

Выбирая в магазине нужную модель лазерного дальномера, можно ориентироваться не только на характеристики конкретного прибора, но и отзывы о нем. Самые востребованные модификации это:

Как пользоваться лазерным дальномером?

Каждый строительный лазерный дальномер в своей комплектации имеет подробную инструкцию по эксплуатации. Некоторые нюансы могут изменяться в зависимости от конкретной модели, однако основные этапы работы стандартны для всех устройств:

Включить прибор с помощью специального переключателя.
Выбрать нужную функцию из возможных.
Установить требуемую единицу измерения.
Непосредственно во время измерения лазерная рулетка дальномер устанавливается точно в точку, от которой нужно начинать отсчет и направляется в точку его окончания.
Нажать на кнопку измерения, которая в основном располагается по центру девайса.
Дождаться отображения информации на дисплее.

Поверка лазерного дальномера

Как и любой другой электронный измерительный прибор, лазерный автодальномер в обязательном порядке проходит первичную поверку. Цель этой процедуры – уточнение рабочих характеристик устройства и определение соответствия реальных показателей и данных, заявленных в паспорте прибора. По желанию можно заказывать периодическое тестирование имеющихся телеметров в специальных лабораториях проверки качества электронных устройств. Стоимость услуги варьируется в зависимости от сложности устройства.

Лазерный дальномер со временем вытесняет стандартные измерительные рулетки и метры в сфере строительства и ремонта. Точность таких девайсов сравнительно выше, их удобно использовать в одиночку для больших расстояний и при любых погодных условиях. К тому же, прибор способен самостоятельно производить некоторые расчеты, что очень облегчает труд дизайнеров и архитекторов.

Некоторые замечания:
Все детали, нужные для создания ультразвукового дальномера по этой схеме продаются в чипидипе, стоит около 500-900р за все(точно не помню - денег много было, не считал:-). (корпус, пищалки, разъемы прочее)
Некоторые коментарии по схеме ультразвукового дальномера:
1. Пищалки можно юзать любые, под разные задачки лучше разные ... для моей задачи - чем болше габариты тем лучше, угол 50.
2. Можно попробывать использовать только одну относительно дорогую AD822 а на место компаратора чего-нить по дешевле (у меня просто не было ничего другого под рукой вообще)
3. В меге для генерации 40 килогерц можно использовать таймер, для этого нужно подобрать другой резонатор. (у меня были только 16 и 12.. они не подходят)
4. Скорость звука в воздухе вообще-то зависит от температуры - если очень важна точность (мне она пофигу) то учитывай это
5. Заметь- что на картинке дальномера в корпусе - пищалки не касаются пластмассы - один чел говорил, что при мегаточной настройки (данная схема способна и на такое) звук от пищалки до микрофона будет передаваться по корпусу, по этому лучше перестраховаться
6. Пример простейшей прошивки меги на си(под эту схему) можно посмотреть
7. Программатор лучше использовать STK200/300 он же avreal - софт и схему можно дернуть
8. По уму в прошивке надо отслеживать и начало и конец "пачки", в примере только начало(точность вырастет конкретно).. может допишу - выложу.
9. Пищалка очень любит 40кгц - чуть в сторону уже совсем не то... наверное правду в мануале пишут, что резонансная:-)
10. НА схеме неспроста в излучателе понапиханы транзисторы - желающим дать больше вольт чем 12 - велком - один чел говорил, что будет пищать громче(считай дальше). Я этого делать не стал по трем причинам: во первых 24 вольта еще где-то найти надо, во вторых текущаа версия при соотв настройке ризистора итак видит стену за 4 метра, т.е. мне не где испытывать его, да и не нужно. Ну а третья причина этот же чел говорил, что пищалки имеют тенденцию дохнуть на этом вольтаже
11. Общий совет: можно найти все резисторы и конденсаторы в нерабочем блоке питания от компа ATX(они там все где-то 1/8 вата) - денег сэкономишь!
12. Ошибочное мнение, что ультразвук издаваемый пищалкой как-то могут услышать собики и прочие твари, он на них плохо влияет: у меня собака пришла как то ночью и уснула напротив пищалки включенной.
13. Еще - так просто к сведенью - меги и прочие 8битный контроллеры от атмела - гонятся отлично.. у меня в некоторых задачках вместо положенных 16 работают на 24 и нормально.
14. При устрановке R5 выше килоома (10, 50, 100) получится очень большое усиление, и скорее всего понадобятся рупора, зато дальность измерений сильно вырастет.
15. Вместо устрановки рупоров (при большом R5) см. выше, можно модернизировать прошивку, что б она не ждала в начальный момент времени полезный сигнал. Но тогда нельзя будет мерять расстояния около 10 см и меньше.

Коментраий к совету 8 - желтым обозначен момент срабатывания прерывания МК ультразвукового дальномера на приеме, собственно можно ограничится именно этим первым моментом, подождать чуть-чуть и делать следующее измерение, генерая следущюю пачку импульсов - а время полета звука считать временем от первого посланного импульса(или последнего не суть важно) до ПЕРВОГО принятого.
Второй вариант - обозначен красным - более точный - поскольку пачка импульсов как правило доходит отнюдь не в идеальном виде и не полностью (может не быть пары тройки первых или последних импульсов), собствено даже на картинке видно, что она "сплющилась" по краям, хотя отправлялся идеальный прямоугольник импульсов - так вот: суть в том, что середина пачки должна оставаться на месте несмотря на то, что края ее уже могут не почувствоваться компаратором. Так что точность в несколько.. (милиметров надо думать) зависит от того учитывалась в прошивке ультразвукового дальномера середина или только начало пачки при приеме ее обратно.

Дальномеры – один из самых востребованных инструментов на любой стройке, будь то домашний ремонт или масштабное строительство.

Существует два основных типа дальномеров: ультразвуковые и лазерные. А по своему функционалу они делятся на бытовые и профессиональные.

Ультразвуковые дальномеры

Принцип работы ультразвукового дальномера схож с эхолотом и основан на отражении звука от измеряемого объекта. Основным преимуществом таких дальномеров является низкая цена, что делает их идеальными для бытового использования и квартирного ремонта. На сегодняшний день средняя стоимость прибора варьируется от двух до трех тысяч рублей.

Достоинства

Измерение расстояний до объектов пропускающих свет, например, окон.
Встроенный термометр – зачастую полезная функция на стройплощадке. Например, если необходимо соблюдать температурный режим высыхания бетонной смеси.
Лазерный целеуказатель упрощает наведение на объект измерений. (присутствует не во всех моделях)

Недостатки

Диапазон работы прибора не превышает 20-25 метров из-за рассеивания звуковых волн.
Сравнительно невысокая точность измерений.
Объект измерений должен быть достаточно большим, а его поверхность не должна поглощать звук.

Ультразвуковой дальномер стоит выбирать если вам не нужна высокая точность. Такой прибор отлично подойдет для оценки расстояний и предварительных расчетов.

Лазерные дальномеры

Огромный ассортимент лазерных рулеток включает в себя как бытовые приборы, которые лишь немного дороже ультразвуковых, так и профессиональные за несколько десятков тысяч рублей. Таким образом можно подобрать дальномер на любой бюджет и задачи.

Достоинства

Измерительный диапазон от 30 до 250 метров (некоторые профессиональные модели).
Высокая точность измерений ± 1-5 мм на всем диапазоне.
Измерение расстояний даже до очень маленьких объектов, например шляпки гвоздя.
Обширный вычислительный функционал даже у самых простых моделей: площадь, объем, теорема Пифагора и т.д.

Недостатки

Некорректная работа при ярком освещении и в солнечную погоду. (проблема решается использованием специальных отражателей).
Невозможность измерить расстояние до окон и зеркал.

Несмотря на незначительные недостатки даже самый простой лазерный дальномер во многом выигрывает у ультразвукового. Вы получаете хорошую точность и универсальность использования. Если рассматривать более дорогие модели вы получаете целый ряд полезных функций:

Встроенная память позволяет производить серии измерений, не отвлекаясь на записи промежуточных результатов.
Аналитические функции: расчет угла, неизвестной высоты и прочего.
Запуск измерений по таймеру снизит погрешность измерений исключив смещение прибора при нажатии на клавиши.
Синхронизация со смартфоном для переноса всех результатов измерений на чертежи.

Выводы

С развитием технологий ультразвуковые дальномеры постепенно отходят на второй план, уступая место лазерным, благодаря их точности и универсальности. Разница в стоимости все больше сокращается и на сегодняшний день каждый может позволить себе лазерный дальномер.

Бесконтактные способы измерения расстояний, используя волны в ультразвуковом диапазоне широко применяются в нашей повседневной жизни. Мы сталкиваемся с ними, делая УЗИ в поликлинике, используя эхолот на рыбалке. Парктроник в автомобиле помогает нам избежать столкновения, сдавая задним ходом. И конечно же ультразвуковые датчики широко применяются в робототехнике, помогая нашему роботу лучше «осязать» мир. В живой природе принцип ультразвуковой локации используется, например, летучими мышами и дельфинами. Сегодня я расскажу как же все это работает.

Что такое ультразвук

Человек способен воспринимать звуковые волны, совершающие колебания в диапазоне от 20 до 20000 Гц (напомню, 1 Герц — это число колебаний в секунду). С возрастом диапазон воспринимаемых нами частот снижается, но в среднем, ребенок способен воспринимать звук именно в этом диапазоне. Если же колебания звуковых волн превысят этот диапазон, то человек перестает воспринимать их, но летучие мыши, собаки, дельфины, и мотыльки вполне могут их услышать. Такие колебания являются примерами ультразвука. Ультразвук — это упругие колебания и волны в диапазоне от 20 кГц до 1 ГГц. Термин упругие подчеркивает неэлектромагнитную природу этих колебаний и волн.

Длина волны находится в обратной зависимости от ее частоты, следовательно ультразвуковые волны, по сравнению с обычным звуком имеют меньшую длину волны. Вследствие этого, ультразвуковые волны отражаются от различных препятствий гораздо лучше, чем обычные звуковые волны, что делает их весьма полезными на практике.

Пьезоэффект и магнитострикция

Как же получить колебания в ультразвуковом диапазоне?

Кристаллы некоторых материалов (таких как кварц) способны совершать очень быстрые колебания, при прохождении через них электричества. Это, так называемый, обратный пьезоэффект . Во время вибрации, они толкают и тянут воздух вокруг себя, производя, тем самым, ультразвуковые волны. Устройства, которые производят ультразвуковые волны с помощью пьезоэлектричества известны как пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрические кристаллы также работать в обратном порядке: если ультразвуковые волны, распространяясь по воздуху, сталкиваются с пьезоэлектрическим кристаллом, слегка деформируют его поверхность, в результате чего в кристалле возникает электрическое поле. Итак, если подключить пьезоэлектрический кристалл к измерителю электрического напряжения, мы получим детектор ультразвука.

Ультразвуковые волны могут быть получены с использованием магнетизма вместо электричества. Так же, как пьезоэлектрические кристаллы производят ультразвуковые волны в ответ на электричество, существуют и другие кристаллы, которые излучают ультразвук в ответ на магнетизм. Это эффект магнистрикции . Такие кристаллы называются магнитострикционными кристаллами. Датчики, использующие их, называются магнитострикционными преобразователями.

В англоязычной литературе ультразвуковые датчики называются ultrasound sensor .

Ультразвуковой дальномер

Используя пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи мы можем создать устройство, измеряющее расстояние до объектов — ультразвуковой дальномер, который работает следующим образом.

В момент измерения мы создаем электрическое колебание при помощи генератора, которое преобразуясь (например, при помощи пьезокристалла) в ультразвуковую волну, излучается в окружающее пространcтво. Эта волна отражается от препятствия и возвращается как эхо в приемник (также можно использовать пьезокристалл). Измеряя время между посылкой и приемом нашего отраженного сигнала и, зная скорость звуковой волны , распространяемой в данной среде (для воздуха это величина около 340 м/с), мы можем вычислить расстояние до препятствия.

Измерения объектов из звукопоглощающих, изоляционных материалов или имеющих тканевую (шерстяную) поверхность могут привести к неправильным измерениям вследствии поглощения (ослабления) сигнала. Домашний кошара может стать этаким «стелсом» для ультразвукового дальномера.
Чем меньше объект, тем меньшую отражающую поверхность он имеет. Это приводит к более слабому отраженному сигналу.