WS2024 - Sensortechnik - Ultraschall

Vorbereitung

Dieses Modul nutzt als Werkzeug die Rapid Control Prototyping-Software Matlab/Simulink. Grundkenntnisse sind hilfreich und können u. a. im für Studierende kostenlosen Kursen

• MATLAB Online-Kurs
• Einführung in Simulink
• Arduino mit Simulink programmieren

erworben werden.

Aufgaben

Bearbeiten Sie alle Aufgaben und sichern Sie Ihre Ergebnisse in SVN.

Aufgabe 1: Ultraschall Entfernungsmessung

Mit den Ultraschallsensor HC-SR04, einem Arduino Mikrocontroller und Simulink soll eine Entfernung in cm gemessen werden.

1. Messen Sie die Entfernung auf ein statisches Ziel in den Entfernungen 5 cm, 10 cm, 15 cm, 20 cm und 25 cm.
2. Speichern Sie das Ergebnis in der Datei Messung.mat.

Arbeitsergebnis in SVN: Messung.slx, Messung.mat

Aufgabe 2: Charakterisieren Sie die Ultraschall Messwerte

1. Analysieren Sie die Funktion Ihres Ultraschallsensors anhand Ihrer Messwerte in Messung.mat mit MATLAB^®. Verwenden Sie die Kriterien in Tabelle 1.
2. Beantworten Sie die Fragen fachlich fundiert anhand Ihrer Messdaten als Kommentar im Quelltext:
   1. Welchen Messbereich hat der Sensor?
   2. Welche Werteauflösung hat der Sensor?
   3. Welche max. Abtastrate hat der Sensor?
   4. In welchem Bereich ist der Sensor am empfindlichsten?
   5. Mit welcher Unsicherheit (1 σ) lässt sich eine glatte Fläche bestimmen?

Tabelle 1: Ultraschall Sensorcharakterisierung

Messgröße	Formelzeichen	Ergebnis
Messbereich	MB	Darstellung im MATLAB®-Command Window
Zeitauflösung	$a_t$	Darstellung als MATLAB®-Plot
Werteauflösung	$a_s$	Darstellung als MATLAB®-Plot
Empfindlichkeit	E	Darstellung als MATLAB®-Plot
Unsicherheit	σ	Darstellung als MATLAB®-Plot

Arbeitsergebnis in SVN: charakterisiereSensor.m

Aufgabe 3: Filterung in MATLAB^®

1. Welches Fehlerbild weist der Ultraschallsensor auf?
2. Implementieren und parametrieren Sie ein Filter für das Fehlerbild.
3. Stellen Sie die gefilterten und ungefilterten Messwerte in einem Plot einander gegenüber.
4. Bewerten Sie Ihr Ergebnis qualitativ und quantitativ für statische Messungen.

Arbeitsergebnis in SVN: filtereSensor.m

Aufgabe 4: Dynamische Messunsicherheit in MATLAB^®

• Zeigen Sie die gefilterten und ungefilterten Messwerte Signal in MATLAB^® an. Messen Sie auf ein Ziel im gesamten Messbereich (1 cm - 30 cm - 1 cm). 
• Wurde der Sensorfehler behoben?

Arbeitsergebnis in SVN: DynamischeMessunsicherheit.m

Tutorial

Ultraschallsensors HC-SR04

Bewertung

Tabelle 2: Bewertungskriterien für die Prüfung

#	Aufgabe	Punkte
1	Entfernungsmessung mit Simulink® Messung.slx, Messung.mat
	Header (Autoren, Datum, Funktion,...)	0,5
	Signalbeschriftung	0,5
	Pinbelegung	0,5
	Vollständigkeit von IRMessung.slx	0,5
	Sicherung der Messung in IRMessung.mat	0,5
2	Charakterisierung der Messwerte in MATLAB® charakterisiereSensor.m
	Header (Autoren, Datum, Funktion,...)	0,5
	Erläuternde Kommentare	0,5
	Laden und Darstellung der Messwerte in Messung.mat	0,5
	Ausgabe des Messbereichs im Command Window	0,5
	Darstellung der Abtastrate	0,5
	Darstellung der Werteauflösung über dem Messbereich	1
	Darstellung der Empfindlichkeit über dem Messbereich	1
	Darstellung der Messunsicherheit über dem Messbereich	1
3	Filterung in MATLAB® filtereSensor.m
	Beschreibung des Fehlerbildes	1
	Implementierung des Filters	0,5
	Parametrierung des Filters mit Begründung im Quelltext	0,5
	Vergleichende Darstellung ungefilterte/gefilterte Messwerte (mit Achsenbeschriftung und Legende)	1
	Diskussion der Ergebnisse	1
4	Dynamische Messunsicherheit in MATLAB® DynamischeMessunsicherheit.m
	Vergleichende Darstellung ungefilterte/gefilterte Messwerte (mit Achsenbeschriftung und Legende)	1
	Diskussion der Ergebnisse	1
	Summe:	14

---

→ zurück zum Hauptartikel: WS2024_-_MTR_Sensortechnik