Medindo Distâncias com Ultrasom (US)

[MOR_AL]

Este tópico visa a medição de distância, utilizando-se o ultrasom (US).
O ultrasom percorre o ar em determinada velocidade. Esta velocidade não é fixa, ela varia com a temperatura do ar ambiente. A expressão resultante não é linear. Ela foi inicialmente aproximada pela raiz de uma razão. Esta aproximação é aceitável dentro de limites. Estes limites se encontram fora das temperaturas ambientes normais. Ainda considerando-se essa não linearidade, a expressão anterior, com raiz de razão, foi aproximada por uma equação linear. Tal equação é mais apropriada para sua utilização em microcontroladores (uC).
O uso desta equação em microcontroladores (uC) exige que se utilize variáveis do tipo ponto flutuante (PF). Operações com PF exigem muito mais memória do que operações com variáveis inteiras. O trabalho a seguir contém um pouco de teoria, com o objetivo de se chegar à expressão da distância percorrida pela onda de US.
A expressão da distância (h) obtida é função da velocidade da onda de US, em m/s, da temperatura ambiente (Ta), em ºC e do período, em s, que a onda de US percorreu o trajeto (para ir e retornar).
Como o sensor mais comum utilizado possui limitação da energia aplicada à onda de US, o percurso prático utilizável é limitado. Então seria mais interessante se utilizar o centímetro (cm) como unidade de distância. Para esta limitação, ocorre que o período do percurso da onda fica bem reduzido, a ponto de ser mais interessante usar o submúltiplo de micro segundos (us) para a medida deste percurso. Procedendo-se assim, podem-se utilizar variáveis inteiras com 32 bits para o cálculo da distância (h), reduzindo tanto o tempo com a operação, como a quantidade de memória necessária.
Indo um pouco mais além, caso o resultado da expressão tenha a finalidade de ser apresentada a um mostrador, pode-se re-escalar a expressão, para que ela possa ser calculada com apenas variáveis e constantes inteiras com 16 bits.
A dedução, com maiores detalhes, se encontra no arquivo a seguir.

http://www.4shared.com/download/uAMlyQn ... ?lgfp=3000

Como esta dedução foi realizada em pouco tempo, ela ainda não foi verificada. Caso alguém a utilize, solicito que apresente seus comentários, no sentido de obter a confirmação do material apresentado.
MOR_AL

[andre_luis]

Só ficou uma dúvida: No começo o desenvolvimento da fórmula começou com a temperatura em Kelvin, mas depois passou pra Celsius. Acredito que terá de fazer a conversão, pois na física a temperatura possui relação com a energia e por isso se refere ao valor da temperatura absoluta.


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[edison]

Eu tenho uma trena por US mas uso apenas p/ medições aproximadas e de baixa responsabilidade.



Ela já se mostrou não confiavel mesmo em medições repetidas com essas variaveis no ambiente.
O interessante é um botão onde ela faz desconto na medição do tamanho do próprio corpo. (aprox. 200 mm)
Tem um feixe Laser mas só p/ facilitar a mira.

[MOR_AL]

Só ficou uma dúvida: No começo o desenvolvimento da fórmula começou com a temperatura em Kelvin, mas depois passou pra Celsius. Acredito que terá de fazer a conversão, pois na física a temperatura possui relação com a energia e por isso se refere ao valor da temperatura absoluta.


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É na realidade, o crédito pelo trabalho não é todo meu.
Pesquisei na net e encontrei a expressão (2) em função da unidade grau Kelvin e a (3) já em grau Célcius. Como abri muitas páginas, acabei perdendo a referência. Peço que o autor me desculpe.
Encontrei algo próximo, que explicaria a equação (2).
http://pt.wikipedia.org/wiki/Velocidade_do_som
Quanto às equações (2) e (3).
Pode-se plotar as duas em função da temperatura em graus Célcius e plotar, também, o valor absoluto e o valor relativo da diferença.
Aí poderíamos conhecer as aproximações realizadas.
Não é um trabalho demorado, mas é mais um para a lista de tantos outros.
Na referência acima, há uma tabela da velocidade do US em função da temperatura. Esta tabela poderia ser plotada juntamente com as outras e se conhecer o efeito dasaproximações.
MOR_AL

[andre_luis]

Eu tenho uma trena por US mas uso apenas p/ medições aproximadas e de baixa responsabilidade.

Ela já se mostrou não confiavel mesmo em medições repetidas com essas variaveis no ambiente.

A propria natureza da medição, feita por um aparelho portátil, cujo angulo de 'ataque' pode variar, refletindo contra uma superficie quase nem sempre plana, realmente deve ser tratado apenas como um recurso para se obter uma estimativa da distancia. A precisão nos digitos do display é meramente uma propaganda.


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[Red Neck Guy]

Certa vez estava pesquisando um medidor de nível dentro de uma caixa fechada, porém como tratava-se de um contêiner plastico alojado em uma máquina agrícola conforme ela se movimentava havia uma deformação no seu formato e por essa razão a medição mudava bastante, aí desisti.

[MOR_AL]

Pessoal!
Realmente o buraco é mais embaixo.
Estava querendo plotar os gráficos mencionados anteriormente e pesquisei na net para obter valores mais confiáveis.
Na pesquisa me deparei com uma informação, que tinha receio já ser esperada.
A velocidade do som no ar, não somente sofre influência da temperatura, como a pressão atmosférica e a umidade relativa do ar também são fatores de peso.
Enquanto consideramos apenas a temperatura, não havia problema, pois podemos medi-la facilmente. Já a umidade relativa e a pressão atmosférica são mais dois dados a se medir.
Por isso desisti de plotar os gráficos dos erros que as duas equações estimadas apresentam.
Acredito que estes erros sejam menores que quando não se considera a influência da umidade e da pressão.
MOR_AL

[andre_luis]

Como dizia um professor da faculdade, a engenharia é a ciencia dos dez-por-cento, ou seja, se algum desses fatores aí forem desprezíveis perto dos demais, ou até iferiores á precisão do sensor, então esquece...



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[edison]

Então qquer instrumento "decente" que se proponha a medir distancias com US teria que medir
tb temperatura ,pressão atmosférica e a umidade relativa do ar ,combinar tudo numa equação
prá gerar um resultado confiavel ??

E .....,sei que não trata disso o seu estudo mas....nas medições a Laser ,(trenas ,sensores etc. )será que haveria tb alguma variável
ambiental influenciando os resultados ?

[andre_luis]

A ideia foi fazer um estudo, que dependendo do resultado, pode ser realmente que sejam fatores desprezíveis para variações normais de temperatura, humidade e altitude. Acredito que ele tenha se baseado em algum modelo generico que pode até ser útil na aviação, mas para nosso caso, meu palpite é que não seja tão relevante.



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[MOR_AL]

Então qquer instrumento "decente" que se proponha a medir distancias com US teria que medir
tb temperatura ,pressão atmosférica e a umidade relativa do ar ,combinar tudo numa equação
prá gerar um resultado confiavel ??

E .....,sei que não trata disso o seu estudo mas....nas medições a Laser ,(trenas ,sensores etc. )será que haveria tb alguma variável
ambiental influenciando os resultados ?

Uma boa notícia!!!
Encontrei um sítio, que calcula a velocidade do som no ar, em função da temperatura, da pressão atmosférica e da umidade relativa do ar.
Não encontrei a referência sobre a fonte que gera o cálculo.

http://www.audioacustica.com.br/calcula ... e_som.html

Escolhi duas temperaturas (0ºC e 27ºC) e variei tanto a umidade relativa quanto a pressão atmosférica.
A boa notícia é que a influência dessas variações na velocidade ficou dentro de 0,3%.
Então basta usar apenas a temperatura nos cálculos.
MOR_AL