Jak mierzyć głębokość metalu w ziemi: impulsy elektromagnetyczne czy ultradźwięki?

Witam,

Chciałbym dorobić do mojego wykrywacza mierzenie odległości - głębokości na jakiej metal spoczywa w ziemi.

pytanie - mierzyć impulsami elektromagnetycznymi czy ultradzwiękami?

na chłopski rozum wychodzi że trzeba uzyć imp. elektromagnetycznego, ale czy:
jeśli procek nada impuls to czy zdąży się przestawić na odbieranie aby odebrać impuls odbity od metalu?

no i odwieczne pytanie - jedna sonda czy dwie?

zamierzam zbudowac układzik na 89S52

Pozdrawiam

Witam!
Zrób mały "rachunek sumienia".
Jeśli używasz fali elektromagnetycznej, to jej prędkość w powietrzu (a również w wielu innych ośrodkach) jest 300 000 km/sekundę.
Jeśli rozróżnialność Twojego urządzenia będzie na poziomie 1 mikrosekundy, to w tym czasie fala elektromagnetyczna przebiegnie 300 metrów. A więc, jeśli jeśli Twój wykrywacz mógłby cokolwiek wykryć w takiej odległości, to dokładność pomiaru wyniesie właśnie tyle: 150 metrów (droga: tam i z powrotem jest 300m).
Dla uzyskania dokładności pomiaru 15cm musiał byś dysponować urządzeniem o rozróżnialności 1 nanosekundy (czyli zegar musi być szybszy, niż 300MHz, bo nie "obrobisz" sygnału w czasie 1 taktu zegara), ale jak do tej pory łatwo dostępne procesory jednoukładowe nie pracują z takim zegarem.
Pomiar ultradźwiekami jest możliwy w ośrodku, w którym ultradźwięki się rozchodzą, a tu masz najpierw bardzo dobre odbicie od powierzchni gruntu (granica 2 ośrodków: gaz - ciało stałe), a potem bardzo silne tłumienie wewnątrz ziemi, więc ultradźwięki odbite od czegoś tam w głębi - jeśli wogóle dotrą do odbiornika, to będa miały tak znikomą moc, że "zginą w szumach". Ta metodą zmierzysz za to odległość od aparatu do powierzchni gruntu, ale nic głębiej.
Zanim będziesz budował jakiekolwiek urządzenie, to pomyśl o podstawach fizycznych zjawisk, które chcesz wykorzystać do pomiaru.

i tu jest wlasnie problem - pomyslałem o podstawach fizyki i przekalkulowałem że przy 20 MHz nie da się tego policzyć - dlatego właśnie piszę tutaj...

Zastanawiałem się czy nie dałoby się uzyc do tego celu jakiegoś dalmierza laserowego - one przecież pracują z dokładnością kilku mm - wystarczyłoby wówczas podminić układ wykonawczy i gotowe.

a tak poważnie - nie ma żadnych układów opóźniających? czegoś w rodzaju buforu?
drugą sprawą jest licznik impulsów - są jakieś wyspecjalizowane generatory i liczniki impulsów na częstotliwości rzędu GHz?

Nie chciałem od razu zadawać "poprawnych" pytań - nie chciałem nikogo ograniczać wyłącznie swoimi przemyśleniami na ten temat.

pozdrawiam

dołożę jeszcze to: - bo to mnie natchnęło
http://www.redcircuits.com/Page40.htm

Czytałeś opis? Przeanalizowałeś schemat?
Urzadzenie działa na zasadzie pomiaru INTENSYWNOŚCI światła (tu: podczerwieni) odbitego od przeszkody, dla Ciebie taką powierzchnią odbijającą będzie najpierw powierzchnia gruntu.

Sprawa liczników gigahercowych: tak, są, ale ty chcesz mierzyć odstęp czasu między wysłaniem impulsu, a jego powrotem, a więc w tym czasie musisz zliczyć ileś tam impulsów, tym wiecej, im dokładniejszy ma być pomiar. Na dodatek: wysyłasz impuls w powietrzu, impuls dociera do granicy powietrze - grunt, tu się wiekszość jego energii odbija i rozprasza, dalej w grunt wnika tylko mały % pierwotnej energii, która jest szybko pochłaniana przez ten dość stratny osrodek, wreszcie coś dociera do metalowego przedmiotu i tu ponownie się rozprasza, w sumie mała sznasa, że milionowa część energii wysłanego impulsu będzie mogła być odebrana. A więc nie tylko licznik, ale jeszcze wzmacniacz na gigaherce, który przed odebraniem właściwego impulsu dostanie "kopniaka" przez część energii odbitej od granicy gruntu.
Sam impuls - aby był "precyzyjny" - musi być odpowiednio krótki, czas trwania np. 1ns daje przecyzję 30cm, ale w tyn czasie musi być kilka - kilkanaście "sinusoid", czyli co: dajesz magnetron albo klistron?
Jesli to ma być urządzenie przenośne, to ja się teraz spytam: czy nosiłeś kiedykolwiek kuchenkę mikrofalową?

A sprawa dalmierzy laserowych i ultradźwiękowych: tak, są takie, ale taki dalmierz mierzy odległość tylko do pierwszej przeszkody, nie zmierzysz nim grubości muru za ścianą, a to jest to, co Ty chcesz zrobić.

Ja taki miernik odległości chciałbym zbudować w taki sposób:

1) generuję impuls o przebiegu prostokątnym trwający 0,003s (6kHz)
2) w momencie pojawienia się impulsu startuje generator np 1GHz (można się nawet pokusić o sterowanie generatora tym impulsem)
3)tym samym impulsem którym wyzwoliłem generator startuje licznik i zliczam impulsy do momentu kiedy na wejściu "stop" pojawi mi się logiczne 1, lub zatrzymuje generator - nie wiem co łatwiej zrealizować - może powrót impulsu powinien odcinać dochodzenie impulsów z generatora

w każdym razie zostałbym w najgorszym wypadku z ilością zliczonych impulsów od momentu kiedy impuls sondujący zaczął być wysyłany do momentu kiedy został odbity i zaczą docierać do odbiornika odcinając dalsze zliczanie/generowanie impulsów.

pomijam w tym momencie etap wzmocnienia sygnału nadawanego i powracającego bo trwa on chyba tyle samo czasu.

czy taka koncepcja ma rację bytu?

Komplikowanie zasady pomiaru nie zbliża Cię ani o krok do celu.
Dowiedz się, jak są zrobione działajace urządzenia do pomiaru odległości i jakie uzyskuje się dokładności pomiaru, zanim dokonasz wynalazku, który zmiecie z powierzchni ziemi wszystkie radary, jako przestarzałe i mało dokładne ...
A poza tym jeśli nie robiłeś dotąd ani generatora na 1GHz, ani licznika na 1GHz, to spróbuj zrobić którekolwiek z tych urządzeń.
Poćwicz też trochę anteny kierunkowe na to pasmo, zarówno nadawcze, jak i odbiorcze.
Ćwiczenie czyni mistrza (Uebung macht den Meister).

Nie wiem co skomplikowałem ani tym bardziej nie wiem skąd zgryźliwość kolegi w stosunku do mnie.

Przedstawiłem prosty moim zdaniem model jak takie urządzenie mogłoby działać i proszę o jakieś konstruktywne uwagi

być może jest jakieś lepsze i prostsze rozwiązanie a ja idę złym tropem

proszę o pomoc w znalezieniu najlepszego sposobu na zrobienie tego co potrzebuje

co do generatorów to robiłem, ze zliczaniem się nie bawiłem i zdaję sobie sprawę że nie jest to proste.

Pozdrawiam

1. Czas trwania impulsu 0,003 sekundy - dlaczego? Jeśli chcesz zacząć liczyć czas od momentu początku impulsu wysyłanego, do momentu powrotu fali odbitej, to w tym czasie (0,003 sekundy) wiązka ma długość 900 kilometrów. Jeśli chcesz wykryć obecność przedmiotu odbijajacego falę w odległości np, 10m, to fala odbita pojawi sie w momencie, kiedy jeszcze trwa nadawanie, więc nie ma mowy o wykorzystaniu tej samej anteny, a odbiór słabego sygnału przy pomocy osobnej anteny (odbiorczej) będzie mocno zakłócony obecnością silnego pola pochodzącego z listków promieniowania bocznego anteny nadawczej, która wtedy JESZCZE pracuje.

2. Jeśli chcesz liczyć czas od momentu ZAKOŃCZENIA nadawania impulsu, to musisz wykryć również zakończenie odbierania sygnału odbitego. Technicznie wykrycie braku sygnału może być znacznie trudniejsze, niż wykrycie obecności sygnału (to nie jest prosta negacja!), zwłaszcza, że mogą dochodzić jeszcze "echa" od dalszych obiektów - czy wiesz, jak je odróżnić?

3. Z powyższego wynika, że impuls nadawany musi być tak krótki, by się skończył, zanim fala odbita wróci. Jeśli zasięg minimalny ma być 0,5m, to czas trwania impulsu nie może być większy, niż 1,67ns (nanosekundy). Po tym czasie należy przełączyć antenę na odbiór (to przełączanie też nie może trwać dłużej niż 1,67ns, bo wtedy impuls odbity nie będzie odebrany). W tym czasie (1,67ns) powinno się zmieścić kilka sinusoid sygnału nadawanego, czyli częstotliwość generatora powinna być wielokrotnością 600MHz - np. 4-krotną, co daje możliwość wykorzystania (jako generatora) magnetronu z kuchenki mikrofalowej (2,5GHz). Problemem może być jego kluczowanie: powinien być załączany na czas najwyżej 1,67ns. Nie wiem, czym to zrobić.

4. Przenikalność gruntu dla fal radiowych jest niezbyt dobra, fale bardzo długie potrafią wnikać na głębokość nawet wielu metrów, ale taka fala jest silnie tłumiona i rozpraszana (traci kierunkowość!). Im fala krótsza, tym mniejsza głebokość wnikania, za to większe tłumienie i odbicie. Nie wyobrażam sobie wyłapywania fali odbitej od przedmiotu przykrytego warstwą np. 50cm ziemi, choć wykrycie takiego przedmiotu metodami indukcyjnymi jest łatwe. Jak do tej pory - mimo, że istnieją dalmierze laserowe, nie spotkałem takiego, który by mierzył grubość muru, zawsze jest pomiar DO PIERWSZEJ POWIERZCHNI ODBIJAJĄCEJ.

Jeśli dowiesz się, jak się uporać z powyższymi problemami, to daj znać, ja nie znam aż tak dobrze fizyki cudów ...

Choć rozważania kolegi @jaromisz są wzięte trochę z kosmosu to jednak dyskusja ta przypomniała mi o problemie, który musieli rozwiązać swego czasu konstruktorzy lotniczych radiowysokościomierzy.
Nawet przy znacznie większych odległościach- rzędu kilkunastu metrów- pomiar wysokości i jego dokładność był ogromnym problemem właśnie z uwagi na szybkość rozchodzenia sie fali elektromagnetycznej.
Problem rozwiązano ciekawą metodą: fala nośna radiowysokościomierza o częstotliwości kilku GHz jest modulowana częstotliwościowo przez podnośną (f kilkanaście- Kilkadziesiąt MHz), której amplituda jest z kolei modulowana sygnałem sinosoidalnym. Pomiar odległości dokonuje sie porównując przesunięcie fazy sygnału modulującego nadajnik z sygnałem otrzymanym z odbiornika. Cały układ pracuje w sposób ciągły a nie impulsowy a sam pomiar fazy jest łatwiejszy do zrealizowania niż zliczanie nanosekundowych impulsów. Metoda ta jest stosowana do dziś pozwalając osiągnąć rewelacyjną dokładność pomiaru: nawet 0,5 m.
Pozdrawiam

nono...
a więc tak:
Wysyłanie impulsów nanosekundowych nie wchodzi w grę - raz że to trudne a 2 bo niekonieczne.

znacznie lepszym rozwiązaniem jest mierzenie czasu od początku wysyłania do początku powrotu - oczywiscie osobną dobrze odizolowaną sondą. to jest chyba wykonalne - jednak dokładność raczej mała.

tak czy inaczej - pomysł mierzenia przesunięcia fazowego jest o niebo lepszy i stosowany powszechnie w wykrywaczach typu VLF - czyli takich jak mój. Tyle tylko że pomiar ten uzywany jest do czego innego...

tak czy inaczej - dziekuję za pokierowanie mnie - musze doczytac trochę i wkrótce się odezwę
pozdrawiam