Кабельний тестер, навіть бюджетний, цілком із цим впорається

Магазин Gtest(R) пропонує широку номенклатуру кабельних тестерів за посиланням наприкінці цього Розділу, а також рекомендовані прилади для тестування кабельних та мережевих інфраструктур. Також рекомендуються статті для подальшої самоосвіти

Вступне

Представлена ​​проста, економічна та успішна конструкція для визначення відстані та довжини кабелю. Система вимірювання заснована на безперервному повторенні імпульсу, який нескінченно проходить по відстані, що детектується. На обох кінцях вимірюваної відстані чи кабелю є повторювач імпульсів. Нескінченне повторення імпульсу генерує частоту, яка змінюється майже обернено пропорційно вимірюваній відстані. Роздільна здатність та діапазон відстаней або довжин кабелю можна регулювати, змінюючи затримку часу повторення, що вноситься на обох кінцях, та час вимірювання. Завдяки цій конструкції відстань може бути виміряна з роздільною здатністю в сантиметрах з використанням електронної системи з мікросекундною роздільною здатністю, що спрощує класичні конструкції часу польоту, для яких потрібна електроніка з пікосекундною роздільною здатністю.

1. Введення

Системи вимірювання відстаней та розташування мають безліч важливих застосувань. Локальне позиціонування або локалізація можуть бути досягнуті за допомогою двох або більше вимірів відстані. Мобільний пристрій за допомогою методів локального позиціонування може збирати інформацію про своє місцезнаходження, або може бути локалізовано з іншого місця. У цьому вся контексті значну увагу привертають системи локального позиціонування [1].

Вибір технології залежить від різних обставин, таких як використання на відкритому повітрі або в приміщенні, діапазон вимірюваних відстаней, вартість системи, точність і т. д. У більшості ситуацій на відкритому повітрі, коли пряма видимість супутників доступна, обраною технологією є GPS. Іншими доступними технологіями, що знаходяться в стадії активних досліджень (деякі для внутрішнього застосування), є: гідролокатори [2,3], часопролітні системи [4], радіомаяки [5], системи на основі лазерно-оптичних технологій [6,7], системи бачення [8,9].

Прототип, описаний у цій статті, є недорогою системою вимірювання відстані, засновану на повторенні імпульсів між парою приймачів. В цих умовах в результаті нескінченного поширення імпульсу генерується частота, ця частота обернено пропорційна часу польоту, тому можна отримати відстань між парою приймачів. Основною перевагою нашої системи є те, що за допомогою мікросекундної електроніки можна вимірювати відстань із сантиметровою роздільною здатністю. Традиційній часопролітній радіочастотній системі потрібний пікосекундний електронний дозвіл, щоб отримати аналогічний дозвіл на відстані.

Інші переваги нашої системи перед іншими доступними та еквівалентними системами полягають у тому, що нашій системі не потрібен прямий огляд від передавачів до приймачів, на відміну від гідроакустичних або лазерних систем. Нашу систему можна встановити усередині приміщення, а наша конструкція дуже дешева (Таблиця 1).

2. Опис системи

Як уже згадувалося, запропонована система вимірювання заснована на нескінченному і безперервному повторенні електричного імпульсу, що поширюється на відстані, що вимірюється (рис. 1). На обох кінцях вимірюваної відстані або кабелю є обладнання повторення імпульсів на основі моностабільної інтегральної схеми, яка генерує новий імпульс після постійної затримки Td щоразу при отриманні імпульсу, насправді Td буде включати всю підсистему. затримки, які є затримки, внесені також передавачем і приймачем. Припустимо, що необхідно виміряти нульову відстань, тоді період кожного циклу буде дорівнювати. T = 2Td, оскільки повторення імпульсів призводить до однакової затримки обох кінцях, Td. Якщо враховувати відстань, пройдену хвилею, новий період дорівнюватиме , де Tf - час польоту, тобто час, необхідний імпульсу для проходження від терміналу 1 до терміналу 2 або навпаки, з T - час, за який імпульс повинен здійснити повне коло від клеми 1 до клеми 2 і назад, див. Рисунок 1. Якщо d – відстань, яку необхідно виміряти, а v – швидкість поширення пульсової хвилі, де T – загальний час проходження кола. : яка, виражена як частота f, має на увазі:

1. Блок-схема прототипу системи.

Рівняння (1) показує, що виміряна частота f зменшується із збільшенням відстані d.

Вибір відповідної затримки повторення на обох терміналах, Td, зафіксує максимальну та мінімальну частоти, які захоплюються для певного діапазону відстаней. Чутливість значно знижується зі збільшенням відстані d, як видно з рівняння (2) та таблиці 1:

Рівняння (2) показує, як чутливість суттєво змінюється залежно від відстані d та затримки повторення імпульсу Td. Можна помітити, що чутливість значно знижується зі збільшенням обох величин. На малюнку 2 і таблиці 1 показано, як f і Δf нелінійно зменшуються з відстанню d, яку необхідно виміряти, відповідно до рівняння (1) і рівняння (2) відповідно. Вибір відповідного значення Td буде залежати від діапазону вимірюваних відстаней і необхідної точності, чутливості та роздільної здатності. Точність, чутливість і роздільна здатність збільшуються за рахунок зменшення Td, але таке зниження Td має недолік, що полягає у збільшенні смуги пропускання та складності електронної схеми.

Рисунок 2. Виявлена ​​частота залежно від виміряної відстані зліва, чутливість як у залежності від відстані праворуч.

Дозвіл на відстані залежить також від часу вимірювання. Розрахунок відстані визначається виміром частоти, тому точність розрахунку частоти пройденого імпульсу пов'язана з роздільною здатністю. На рис. 3 показано зміну помилок залежно від часу виміру. Коли час виміру велике, частота точна і помилка мала; якщо час виміру замало, помилка збільшується.

Рисунок 3. Залежність відстані від помилок залежно від часу вимірювання Tm за секунди.

У нашому проекті основною метою було виявлення автономного транспортного засобу на площі 1 км2 з точністю близько 10 см. Для досягнення цієї мети у прототипі використовується Td = 2,68 мкСм, це має на увазі і чутливість у діапазоні від 232 до 46 Гц (див. Таблицю 2 ). Час виміру було зафіксовано рівним 1 секунді (Tm = 1 с). При цих параметрах для вимірюваної частоти досягається роздільна здатність 1 Гц з теоретичною точністю d від 1 мм до 4 мм. Реальна точність буде нижчою через відмінності у параметрах системи та радіочастотних відображень. Як згадувалося, Td включає у собі моностабільні затримки повторення й інші затримки. Максимальна відстань, яку потрібно було виміряти, становить 1 км, а передавачі мають більший радіус дії.

Таблиця 2. Частоти та чутливість в залежності від відстаней: тимчасова затримка Td (мкСм) для повторення імпульсів, частота f0 та f1Km, виявлена ​​на відстані 0 або 1 км, чутливість на відстані 10 м та 1 км відповідно.

Реальні виміряні дані можна побачити на малюнку 4. Зверніть увагу, що реальні дані з високим ступенем точності відповідають прогнозованій поведінці, яка показана в рівнянні (1).

Рисунок 4. Виміряна частота залежно від відстані.

3. Опис прототипу

Наш прототип, зображений малюнку 1, і двох різних терміналів, розташованих обох кінцях вимірюваної відстані. Кожен термінал складається з трьох різних елементів: 1. Передавач радіочастотних імпульсів (T1 і T2 на малюнку 1), 2. Моностабільна інтегральна схема, необхідна для повторення та затримки імпульсу (повторювач імпульсів) та 3. Приймач радіочастотних імпульсів. (Р1 та Р2). Крім цих елементів, Термінал 1 включає простий мікроконтролер (рис. 5), завданнями якого є:

• Для генерації першого імпульсу, який буде надіслано з терміналу 1 на термінал 2.

• Для виявлення частоти, що генерується, за допомогою внутрішнього лічильника мікроконтролера.

• Перетворити захоплену частоту на відстань на основі рівняння (1).

Малюнок 5. Фотографія клеми 1: ВЧ-передавач зверху ліворуч, схема повторювача імпульсів зверху праворуч і плата мікроконтролера внизу.

Наша система використовує дві різні частоти, щоб уникнути перешкод: одну частоту f1 для відправлення імпульсів від терміналу 1 до терміналу 2 і другу частоту f2 для імпульсів від терміналу 2 до терміналу 1 (див. малюнок 1). Очевидно, що цю систему можна використовувати і для вимірювання довжини кабелю, для цього кожна клема повинна бути розташована на кожному кінці кабелю, радіомодуль не потрібен, оскільки електричний імпульс проходить по кабелю.

Вартість матеріалу нашого прототипу, в основному вартість інтегральної схеми, становить менше ніж 5 євро при використанні для вимірювання довжини кабелю і близько 100 євро при використанні для вимірювання відстаней, але в останньому випадку близько 90% цієї вартості припадає на радіодані. модулі.

3.Декартова позиція мобільної системи.

Описану тут систему можна використовувати як систему локалізації. Для цього додатка необхідно виміряти дві відстані від двох різних фіксованих точок (див. рисунок 6). Розрахунок положення автомобіля визначається з використанням цих відстаней. Трилатерація застосовується для вирішення проблеми розташування. Схему локалізації можна побачити на малюнку 6. Відстань між двома фіксованими точками (d), а також між кожною з цих фіксованих точок і транспортним засобом (d1, d2) відомі, тому можна розрахувати радіус кіл, див. рис. x,y) визначається рівняннями (3) та (4)

. 

Малюнок 6. Схема локалізації, відстань між двома фіксованими точками відомо, координати прототипу можна розрахувати за допомогою відстаней d1 та d2.

При використанні цієї схеми лише з двома вимірами (d1 та d2) з'являється альтернативна точка локалізації. Він відкидається, оскільки перебуває поза робочої області. Система працює тільки всередині певної робочої зони. Радіус кожного кола – це відстань від кожної фіксованої точки до прототипу. Таким чином, рівняння (3) застосовується для розрахунку локалізації транспортного засобу (x, y):

Малюнок 7. Помилка локалізації як декартових позицій.

Орієнтацію прототипу можна отримати, якщо на мобільному пристрої встановлено дві системи локалізації. Ці системи необхідно розділити, щоб отримати декартові координати кожної системи (x1, y1) (x2, y2). Орієнтацію прототипу можна розрахувати за допомогою цих координат, використовуючи рівняння (6), де xdif – це різниця між координатами x1 та x2 та ydif між координатами y1 та y2. Помилка орієнтації пропорційна відстані систем, встановлених у прототипі, та точності розрахунку (x, y): (6)

На рис. 8 показана залежність помилки орієнтації від відстані між датчиками та кута орієнтації. На цьому графіку декартове положення транспортного засобу зафіксовано як x = 500 м, y = 500 м. Якщо уявити помилку в декартовому положенні, вийде малюнок 9, де відстань між двома датчиками в прототипі зафіксовано на рівні 1 м. Помилка як функція орієнтації відображається різними кольорами .

Рисунок 8. Кут помилки орієнтації в залежності від відстані між датчиками та кута орієнтації для фіксованого декартового положення.

Малюнок 9. Кут помилки орієнтації в залежності від декартової позиції для відстані між датчиками 1 м, кожен графік представляє різну орієнтацію.

4.Нестатичні виміри

Якщо прототип рухається, частота вимірювання змінюється в залежності від швидкості транспортного засобу V і часу вимірювання Tm. Рівняння (7). Помилка збільшується зі збільшенням швидкості прототипу та часу виміру. Мал. 10. Для мобільної системи вища точність досягається при використанні невеликого часу вимірювання. Помилка буде пропорційна Vν і Tm, тому основне джерело помилки пропорційне швидкості руху прототипу. На малюнку 10 показано зміну помилки в залежності від швидкості та відстані для різного часу виміру. Основним джерелом помилок є швидкість, для більш точної оцінки відстані необхідно скоротити час виміру. Деталі представлені малюнку 10, де можна оцінити нелінійну помилку як функцію відстані:

Малюнок 10. Помилка розрахунку відстані залежно від швидкості руху прототипу за різного часу виміру.

Інший спосіб побачити помилку – це затримка вимірювання. Позицію отримано не в реальному часі, позицію отримано на секунди тому, коли прототип знаходився на попередньому місці. Коли система зупиниться, положення буде розраховане знову з гарною роздільною здатністю.

6. Висновки

Дуже простий прототип для виміру відстаней та довжини кабелю побудований на основі простого алгоритму. Основою нашого пристрою є безперервні повторення електричного імпульсу, який нескінченно переміщається вперед і назад по відстані або кабелю, що вимірюється. Нескінченне переміщення імпульсу генерує частоту, яка змінюється майже обернено пропорційно вимірюваній відстані. Діапазон частот і роздільна здатність вимірюваної відстані будуть залежати від діапазону вимірюваних відстаней і тимчасової затримки, необхідної для повторення імпульсу на кожному кінці. У пропонованій системі використовується простий та недорогий електронний пристрій на базі базового мікроконтролера, що виконує основні завдання. Система успішно пройшла випробування на відстанях від 0 до 500 м з точністю до 10 см. Цю систему можна використовувати як локальну систему позиціонування для визначення розташування та орієнтації мобільних систем.

Магазин Gtest® - авторизований постачальник кабельних тестерів в Україну: https://gtest.com.ua/izmeritelnye-pribory/iskateli-skrytoi-provodki