Ультразвукова автоматизована система контролю орієнтації кромок деталей при зварюванні лазером

Сорока, Максим Анатолійович
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8370
Full metadata record
DC Field	Value	Language
dc.contributor.advisor	Базіло, Костянтин Вікторович	-
dc.contributor.author	Сорока, Максим Анатолійович	-
dc.date.accessioned	2026-03-14T14:35:37Z	-
dc.date.available	2026-03-14T14:35:37Z	-
dc.date.issued	2025-12-15	-
dc.identifier.uri	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/8370	-
dc.description.abstract	Кваліфікаційна робота магістра присвячена створенню та дослідженню фізико-математичного, схемотехнічного й програмного забезпечення автоматизованої акустичної системи контролю орієнтації кромок зварюваних деталей у лазерній зварній установці з метою підвищення точності та надійності позиціонування зварювальної головки.	uk_UA
dc.description.abstract	The master' s qualification work is devoted to the creation and research of physical, mathematical, circuit and software of an automated acoustic system for controlling the orientation of the edges of welded parts in a laser welding machine in order to improve the accuracy and reliability of the positioning of the welding head.	uk_UA
dc.language.iso	uk	uk_UA
dc.subject	дистанційне відслідковування	uk_UA
dc.subject	п’єзокерамічний перетворювач	uk_UA
dc.subject	акустична далекометрія	uk_UA
dc.subject	мікроконтролерні пристрої,	uk_UA
dc.subject	оптимізація акустичного випромінювання	uk_UA
dc.subject	високоточні відслідковувачі	uk_UA
dc.title	Ультразвукова автоматизована система контролю орієнтації кромок деталей при зварюванні лазером	uk_UA
dc.type	Master Thesis	uk_UA
Appears in Collections:	174 Автоматизація, комп'ютерно-інтегровані технології та робототехніка (Робототехнічні системи та автоматизація)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Диплом-магистр_Сорока М.pdf Restricted Access	КРМ Сорока М.	4.34 MB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show simple item record
Extracted text
yEPKACbKHÄ .EPKABHMÄ TEXHOJIOrrYHMMY HIBEPCTET 
OAKYJILTET EJIEKTPOHHMX TEXHOJIOrI 
ABTOTPAHCIOPTY TAM AIHHOBYIVBAHHA 
KADEIPA IIPHJIAIOByIYBAHHA, MEXATPOHIKH TA 
KOMII'KOTEPH30BAHMX TEXHOJIOTIM 
AornyuieHO 10 3aXHCTy 
3aBinyBa4 Kaoenpu IIMKT 
MakcHM BOHIAPEHKO 
2025 p. 
IIOACHIOBAJIbHA 3AIIHCKA 
no KBanihikaniqnoï po6oTH 
MaricTpa 
Ha TeMy «YI5TpazByKOBa aBTOMaTH30BaHa CHCTeMa KOHTPOJIKO OpieHTALIiÍ KpOMOK 
AeTaIem ipH 3BaproBaHHI JJa3epOM) 
KBanihikaiaHa po60Ta Marictpa MicTHTb pesyIbTaTH BJIaCHHX 10cIiNKEHL. 
BuKopucraHHA ineH, pesynbTariB i TeKCT0B 0HIIHx aBTOp0B MaroTb noCHMaHHA Ha 
B0JnOB0NHe 1KepeNo MaKcHM COPOKA 
BHKOHaB 3106YBay BHLOï ocB0TH oCB0THbOro 
CTYIeHA MaricTp»2 Kypcy, py MPCA-47 
3a cneiaJbH0CTo 174 «ABTOMaTH3ania, 
KOMII'IOTepHO-0HTerpoBaHi TexHONOriï Ta 
poQoToTeXH0Ka), 3a ocB0THbOKO Nporpamolo 
«PoooTOTeXH0YHÈ CHCTeMH Ta aBTOMaTH3aliD> 
MakcHM COPOKA 
KepiBHHK KocTAHTHH BA3IJIO 
PeueH3eHT CepriH BICJIOVX 
HepkacH -2025 poxy 
YEPKACLKMH IEPKABHHÄ TEXHOJIOTIYHHÝ YHIBEPCHTET 
(noBcH alimeiry BaHA BHLuoro HaB4anbHoro 3aknay) 
PakynbTeT eneKmpoHnux mexXION02im, aomompancnopmy ma MauunobyòyGaHIA 
Kapeapa npunado6y)yeauuA, Mexamponiku ma KOMn' 1omepu30GAHux mexHonozio 
OcBiTHii pibeub Maeicmp 
CneuianbHicTL 174 «AamoMamu3ayia, KOMn' omepuo-iumeepogani mexnonozil ma po6omomexuika» 
OcBiTHA nporpama «Po6omomexuivni cucmemu ma aamoMamusauia» 
(uupp t uasoa) 
3ATBEPDKYIO 
3aBiuyBag kaexpu IIMKT 
MakcHM BOHJAPEHKO 
2025 poKy 
3 A BI AH  HA 
HA KBAJIIOIKALI}HY POEOTY MArICTPA 
Copoku MakcuMa AHamoniçosuHa 
(npiseHue, iM'a, no 6aTbKOB0) 
I. TeMa poôoTH: YIBTpa3EyKOBa aBTOMaTH3OBAHa cHCTeMa KOHTPOJTO opienrauiïi KpoMOK neraneH Ipu 
3BaproBaHHÍ JHa3epOM 
HayKOBHÄ KepiBAMK poQoTH BaiTO KocraHTHH BikTODOBHY, I-P TexH, HaYK, IID0decop kadhexpu IIMKT 
(npisBHume, iM'a, no 6aTbKOBi, HaykoBHÄ CTyniHb, B4CHe 3BaHHA) 
3aTBepnKEH0 HakasoM BHIIoro HaB4aTbHOTO 3aKnay Bin 15° BepecHa 2025 poky N 261/03-03 
2. CTpOK NOJaHH 3BO pooTH 15 rpyIHA 2025 pOKy 
3. Mera 1ocIiMKEHHS: T0BHUeHHA TOHHOCTi ÄH ani}HOCT0 KOHTPOTO OpieHTauiï KpoMOK 3BapiOBAHHX 
JETATeÄ y nasepri 3BapHiG ycraHOBTi MIXOM p03po6neHHA KOMJIeKcy hisaKo-MareMaTHYHHX 
MOMENeÝ nponecy axycTHTHOÏ AaneKOMETPi, MikpoKOHTPOIEPHOï CHCTeMH BiJcH0JKOBYBaHHA KPaiB Ta 
BIOCKOHaneHHA TeXHOIOT0HOr0 npouecy BHroTOBJICHHA T'E3OKepamiyHoro BiNCI0IKOBYBaHa, uÊo 
3aQesnegHTE 3MEHIueHHA nOXHÐOK no3HIiOHYBAHHA 3BapIOBAlBAOd TOJOBKH, CKOpoyeHHA yacy 
Hana1TyBaHHA Ta riABALEHHA TEXH0KO-eKenIyarauiÄHHX XapaKTepHCTHK Ja3CDHOro 3BapioBaTbHOrO 
KOMIIJIeKCy. 
06 'exm docaidwcenNA  IpoeCH AHCTAHIi}HOro B0FCn0JKOBYBaHHA TOIOKEHHA Äo pieHTauii KpaiB 
AETaNeÝy nasepriÄ 3BapkiÄA ycraHoBIi Ta BINIOB0JHa di3uKO-MaTeMaTHYHa MONeNb i TexH0YH0 
xapaKTepucTHKH CHCTeMH YIBTDa3BYKOBOro B0ICI0IKOBYBaHHA. 
IpeðMem docnidcenHS: 3aKOHOMipHOCT0 QOopMy BAHHA Ta nouHpeHHA aKycTHSHHX XBHJIb npu 
BHM0pIOBaHH0 B0nCTaHi 10 KpaiB 1eTaneH, MeTONH  airopHTMH KepyBaHHA IIpOueCOM 
B0JCTiNKOBYB aHHA (30KpeMa3 BHKOPHCTAHHAM HeyiTKOÏ JIOriKH), a Takox cTpYKTYPHO- cxeMH0 Ta 
IporpaMHi 3aco6u MiKpoKOHTpONepHÌi asTOMaTH30BAHOÍ CHCTeMH KOHIPo10 opieHTaui kpOMOK. 
Memodu docaiðcenb. Yp oóori BHKOpHCTAHO aHaniTHYHHÄ orIsA B0TYH3HSHHX Ta 3apyQixHHX JOKEPeI 
IION0 akKyCTHYHHX MeTON0B BHM0pIOBAHHA B0JCTaHi G yIbTpaSByKOBHX B0ncninKOByBayiB: hi3HKO 
MaleMaTHHe M01eTIOBAHHA IpoueciB doDMVBaHHS dpOHTy aKycTHYHOÏ XBHII, 3aracaHHA H BIIbHTTA 
YJIbTpa3BYKY 3 ypaxyBaHHAM B'E3KHX RIacTHROCTe cepenOBHILa; MOICTKOBAHHA CHCTeM KepyBaHHA 
HpouecOM BHMIprOBaHHA BiICTaHi 10 KpaiB netaneH i3 3acTOCYBaHHAM aniapaTy HeYiTKOl 1or1KH B 
cepenoBHIII MATLAB; cTpyKTYDHO-CXxeMHH Ta cxeMOTeXH0HH CHHTe3 MIKpOKOHTponepHoro 
BIACiIIKOBYBaya Ha 6a3i n'e30KepamiyHHX nepeTBOPOBaY0B MYI-3/MYI[-4; TexHONOr0YHHö aHaI03 0 
10cIIIKEHHA 3 
OnTHM13aIilo Ipouecy CKJIanaHHA VJbTDa3ByKOBOrO By3J1a; a TaKoK eKCInepHMeHTaIBHI 
BHKOPHCTaHHAM MeTOIIB IJIaHYBaHHA eKcnepHMEHTY JIA BH3HaYeHHA ONTHMaIBHHX peKHMIB poboTH 
Ta 1op1BHAHHA pe3yIbTaT0B MoneIOBaHHA 3 HaTYPHHMH BHMipkOBaHHAMH. 
4. CTpyKTypa H o6car po60TH. KBaiihikaiäHa pooTa MaricTpa cKIanaeTbCA 3i BCTYIy, n'aTH 
po3niniB, BHCHOBK0B, CIHCKY BHKOPHCTaHHX IKepel, IO1aTKIB. 
5. IIpeseHTAuiï Ha 16 craanax. 
6. KoncyaBTaHTHP O3AiniB KBANiikaniakoi po6oTH Maricrpa 
Ilinnuc, naTa 
IIpi3Bume, iHiniaiH Ta nocana 
Po31iI 3aB1aHHA 3aBIaHHA 
KOHCYJIBTaHTa BHIB IpHÄHAB 
TeopeTuHHÄ 
Basino K.B., A-p TeXH. HayK, 
TexHoJIoriyHuH 
npoecop kadexpu IIMKT 
AocninHHIBKHÄ 
THYKOB B.B., K-T TeXH. HayK, 10l., 
HopmoKOHTPOIb AOI. Kaexpu IIMKT 
7. Mara BHIayi 3aBnaHHA 15 BepecHA 2025 poky 
KAJIEHIAPHHM IIJIAH 
Ng CpoK BHKOHAHHA eTaniB 
Hasea erarniB KBaIihikayiqnoi poboTH Marictpa Tlpuvi1a 
3/n poQoTH 
1 TeopeTHHHÄ PO3nin 15.09,25 05.10.25 BHK 
2 TexHoJoriYAH po3in 06.10.25 -26.10.25 BHK 
3 MocniFHHIBKHÄ PO3nin 27.10.25 - 23.11.25 BHK 
O¢opMIIeHHA I0ACHIOBaIbHOÏ3 anHCKH 24.11.25-07.12.25 BHK 
OhopMneHHA CYnpoB0JHOÏ 1OKyMeHTaLii 01.12.25- 15.12.25 BHK 
6 OhopmneHHA npeseHTaniï 08.12.25-15.12.25 BHK 
7 Po6ota Han JONOB0JIO 08.12.25 - 15.12.25 BHK 
MarictpaHT MakcuM COPOKA 
(npisBuIe Ta iniuian) 
KepisunK pofotu KocTAHTHH GA3IJIO 
(n ianmc (npisBuIe Ta iMiLim) 
РЕФЕРАТ 
Сорока М.А. Ультразвукова автоматизована система контролю орієнтації 
кромок деталей при зварюванні лазером. – Кваліфікаційна робота магістра. 
Кваліфікована робота магістра на здобуття освітнього ступеня магістра за 
спеціальністю 174 «Автоматизація, комп’ютерно-інтегровані технології та 
робототехніка» за освітньою програмою «Робототехнічні системи та 
автоматизація» – Черкаський державний технологічний університет, Черкаси, 
2025. 
Кваліфікаційна робота магістра присвячена створенню та дослідженню 
фізико-математичного, схемотехнічного й програмного забезпечення 
автоматизованої акустичної системи контролю орієнтації кромок зварюваних 
деталей у лазерній зварній установці з метою підвищення точності та надійності 
позиціонування зварювальної головки. 
Мета і завдання дослідження. Метою магістерського дослідження є 
підвищення точності й надійності контролю орієнтації кромок зварюваних деталей 
у лазерній зварній установці шляхом розроблення комплексу фізико-математичних 
моделей процесу акустичної далекометрії, мікроконтролерної системи 
відслідковування країв та вдосконалення технологічного процесу виготовлення 
п’єзокерамічного відслідковувача, що забезпечить зменшення похибок 
позиціонування зварювальної головки, скорочення часу налаштування та 
підвищення техніко-експлуатаційних характеристик лазерного зварювального 
комплексу. 
Для вирішення поставленої мети необхідно розв’язати такі задачі: 
1. Виконати аналіз акустичних методів та засобів вимірювання відстані й контролю 
країв об’єктів, оцінити переваги та недоліки відомих ультразвукових 
відслідковувачів і сформулювати вимоги до системи контролю орієнтації кромок 
при лазерному зварюванні.  
2. Розробити комплекс фізико-математичних моделей процесу ультразвукового 
відслідковування країв зварюваних деталей, включно з моделлю формування 
 
фронту хвилі, моделлю безконтактного вимірювання відстані з урахуванням 
в’язких втрат у середовищі та моделлю керування процесом вимірювання. 
3. Синтезувати структурну та електричну принципову схему мікроконтролерного 
відслідковувача країв деталей, вибрати п’єзоелектричні перетворювачі й 
елементну базу та розробити програму керування пристроєм. 
4. Розробити та вдосконалити технологічний процес виготовлення ультразвукового 
відслідковувача, у тому числі операції діагностування робочої частоти та 
налаштування параметрів живлення п’єзовипромінювача. 
5. Провести експериментальні дослідження автоматизованої системи в реальних 
умовах роботи лазерної зварної установки, визначити залежності метрологічних 
характеристик від зовнішніх факторів, оптимізувати режими відслідковування та 
порівняти експериментальні результати з даними фізико-математичного 
моделювання. 
Об'єкт дослідження – процеси дистанційного відслідковування положення й 
орієнтації країв деталей у лазерній зварній установці та відповідна фізико-
математична модель і технічні характеристики системи ультразвукового 
відслідковування. 
Предмет дослідження – закономірності формування та поширення 
акустичних хвиль при вимірюванні відстані до країв деталей, методи й алгоритми 
керування процесом відслідковування (зокрема з використанням нечіткої логіки), 
а також структурно-схемні та програмні засоби мікроконтролерної 
автоматизованої системи контролю орієнтації кромок. 
Наукова новизна отриманих результатів полягає в такому: 
– Уперше запропоновано математичну модель безконтактного вимірювання 
відстані до країв деталей на основі контролю коефіцієнта загасання акустичних 
коливань з урахуванням в’язких властивостей середовища поширення, що 
дозволило одержати аналітичні залежності, які лежать в основі високоточного 
методу акустичної далекометрії для задач орієнтації кромок.  
– Розроблено модель керування технологічним процесом акустичного 
відслідковування країв із використанням апарату нечіткої логіки, завдяки чому 
 
формалізовано причинно-наслідкові зв’язки між якістю відслідковування, 
властивостями поверхні та робочими параметрами випромінювання, що забезпе-
чило підвищення точності та адаптивності системи до змін зовнішніх умов.  
– Удосконалено технологічний процес складання та настроювання вузла 
акустичного відслідковувача шляхом уведення операцій діагностування робочої 
частоти й визначення оптимальних параметрів живлення п’єзовипромінювача, 
що привело до покращення відтворюваності характеристик випромінювача та 
зменшення похибок контролю положення й орієнтації кромок. 
Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що 
розроблені фізико-математичні моделі дають можливість обґрунтовано вибирати 
параметри ультразвукового відслідковувача, які забезпечують задані 
характеристики фронту акустичної хвилі та необхідну роздільну здатність у зоні 
контролю кромок деталей. Це дозволяє ще на етапі проєктування оцінювати вплив 
середа та режимів випромінювання на точність вимірювання відстані й орієнтації.  
Технічним результатом роботи є спроєктований та реалізований макетний 
зразок ультразвукового відслідковувача з мікроконтролерним керуванням і 
програмним забезпеченням, придатний для інтеграції в автоматизовані системи 
різного ступеня складності як підсистема контролю положення та орієнтації 
кромок у лазерних зварних установках. Використання розробленого пристрою 
забезпечує підвищення точності наведення зварювальної головки, скорочення часу 
переналагодження обладнання та поліпшення якості формування зварного шва. 
В першому розділі виконано огляд акустичних методів і засобів вимірювання 
відстані, розглянуто фізичні основи поширення ультразвукових коливань, 
принципи дії та показники якості типових відслідковувачів, проаналізовано 
існуючі математичні моделі й програмні засоби моделювання характеристик 
п’єзоелектричних перетворювачів; на основі цього обґрунтовано вибір 
ультразвукової далекометрії як базового методу контролю країв деталей у лазерній 
зварній установці.  
В другому розділі розроблено й досліджено комплекс фізико-математичних 
моделей процесу ультразвукового відслідковування країв об’єктів: модель 
 
формування фронту хвилі, модель безконтактного вимірювання відстані з 
урахуванням загасання в в’язкому середовищі та модель керування процесом 
вимірювання на основі нечіткої логіки; отримані залежності використовуються для 
вибору параметрів випромінювача й налаштування системи. 
В третьому розділі розроблено структурну схему ультразвукового 
відслідковувача, створено електричну принципову схему з виділенням основних 
функціональних блоків та описано їх роботу, а також розроблено програму 
керування мікроконтролерним вузлом (на основі однокристального контролера 
PIC-серії), що забезпечує генерацію, приймання, обробку сигналів і формування 
інформації про відстань до краю деталі.  
В четвертому розділі проаналізовано типові конструкції та технологічні 
процеси складання ультразвукових відслідковувачів, побудовано технологічну 
схему виготовлення розробленого пристрою, запропоновано удосконалення 
процесу (зокрема діагностування робочої частоти й корекція режимів живлення 
п’єзовипромінювача), які підвищують стабільність та відтворюваність його 
характеристик. 
В п’ятому розділі наведено результати експериментальних досліджень 
запропонованої системи в реальних умовах, описано підготовку та методику 
проведення випробувань, виконано оптимізацію режимів відслідковування 
методом планування експерименту, визначено оптимальні параметри (наприклад, 
потужність генератора, час вимірювання, частоту випромінювання) та проведено 
порівняльний аналіз експериментальних даних із результатами моделювання. 
Ключові слова: дистанційне відслідковування, п’єзокерамічний 
перетворювач, акустична далекометрія, мікроконтролерні пристрої, оптимізація 
акустичного випромінювання, високоточні відслідковувачі 
Список основних публікацій магістранта 
1. Soroka, M. & Bazilo, C. (2025). Ultrasonic Automated System for Controlling 
the Orientation of Detail Edges During Laser Welding. In: The Ukrainian Scientific and 
Practical Conference "Scientific Research Methodology – 2025", ChSTU: Cherkasy, 
Ukraine, 82-84.   
 
ABSTRACT 
Soroka M.A. Ultrasonic automated system for controlling the orientation of the 
edges of parts during laser welding. – Master's qualification work. 
Qualified master's thesis for a master's degree in the specialty 174 "Automation, 
Computer-Integrated Technologies and Robotics" under the educational program 
"Robotic Systems and Automation" – Cherkasy State Technological University, 
Cherkasy, 2025. 
The master'  s qualification work is devoted to the creation and research of physical, 
mathematical, circuit and software of an automated acoustic system for controlling the 
orientation of the edges of welded parts in a laser welding machine in order to improve 
the accuracy and reliability of the positioning of the welding head. 
Purpose and objectives of the study. The purpose of the master's research is to 
increase the accuracy and reliability of control of the orientation of the edges of welded 
parts in a laser welding machine by developing a set of physical and mathematical models 
of the acoustic rangemetry process, a microcontroller edge tracking system and improving 
the technological process of manufacturing a piezoceramic tracker, which will reduce the 
positioning errors of the welding head, reduce the adjustment time and increase the 
technical and operational characteristics of the laser welding complex. 
To solve this goal, it is necessary to solve the following tasks: 
6. To analyze acoustic methods and means of measuring distance and controlling the 
edges of objects, to evaluate the advantages and disadvantages of well-known 
ultrasonic trackers and to formulate requirements for the edge orientation control 
system in laser welding.  
7. To develop a set of physical and mathematical models of the process of ultrasonic 
tracking of the edges of welded parts, including a model of wavefront formation, a 
model of non-contact distance measurement taking into account viscous losses in the 
medium and a model for controlling the measurement process. 
8. Synthesize the structural and electrical schematic diagram of the microcontroller part 
edge tracker, select piezoelectric transducers and element base, and develop a device 
control program. 
 
9. To develop and improve the technological process of manufacturing an ultrasonic 
tracker, including operations for diagnosing the operating frequency and adjusting the 
power parameters of the piezo emitter. 
10. To conduct experimental studies of the automated system in real conditions of 
operation of the laser welding unit, to determine the dependencies of metrological 
characteristics on external factors, to optimize tracking modes and to compare 
experimental results with the data of physical and mathematical modeling. 
The object of the study is the processes of remote tracking of the position and 
orientation of the edges of parts in a laser welded installation and the corresponding 
physical and mathematical model and technical characteristics of the ultrasonic tracking 
system. 
The subject of the study is  the regularities of formation and propagation of acoustic 
waves when measuring the distance to the edges of parts, methods and algorithms for 
controlling the tracking process (in particular, using fuzzy logic), as well as structural-
schematic and software tools of the microcontroller automated system for controlling the 
orientation of edges. 
The scientific novelty of the results obtained is as follows: 
– For the first time, a mathematical model of non-contact measurement of the distance 
to the edges of parts was proposed on the basis of control of the attenuation coefficient 
of acoustic oscillations, taking into account the viscous properties of the propagation 
medium, which made it possible to obtain analytical dependencies that underlie the 
high-precision method of acoustic rangemetry for edge orientation problems.  
– A model of control of the technological process of acoustic edge tracking using the 
apparatus of fuzzy logic has been developed, due to which the causal relationships 
between the quality of tracking, surface properties and operating parameters of 
radiation have been formalized, which provided an increase in the accuracy and 
adaptability of the system to changes in external conditions.  
– The technological process of assembling and adjusting the acoustic tracker assembly 
has been improved by introducing operations for diagnosing the operating frequency 
and determining the optimal power parameters of the piezo emitter, which led to 
 
improved reproducibility of the emitter characteristics and reducing errors in 
controlling the position and orientation of the edges. 
The practical significance of the obtained results lies in the fact that the 
developed physical and mathematical models make it possible to reasonably select the 
parameters of the ultrasonic tracker, which provide the specified characteristics of the 
acoustic wave front and the required resolution in the area of control of the edges of the 
parts. This makes it possible to assess the influence of the medium and radiation modes 
on the accuracy of distance measurement and orientation even at the design stage. 
The technical result of the work is a designed and implemented mock-up sample 
of an ultrasonic tracker with microcontroller control and software, suitable for integration 
into automated systems of varying degrees of complexity as a subsystem for monitoring 
the position and orientation of edges in laser welded installations. The use of the 
developed device provides an increase in the accuracy of welding head guidance, a 
reduction in the time of equipment readjustment and an improvement in the quality of 
weld formation. 
In the first section , an overview of acoustic methods and distance measurement 
tools is performed, the physical foundations of ultrasonic oscillation propagation, the 
principles of operation and quality indicators of typical trackers are considered, the 
existing mathematical models and software tools for modeling the characteristics of 
piezoelectric transducers are analyzed; on the basis of this, the choice of ultrasonic 
rangefinders as the basic method of controlling the edges of parts in a laser welded 
installation is substantiated.  
In the second section , a set of physical and mathematical models of the process of 
ultrasonic tracking of the edges of objects is developed and studied: a model of wave front 
formation, a model of non-contact distance measurement taking into account attenuation 
in a viscous medium, and a model of control of the measurement process based on fuzzy 
logic; the resulting dependencies are used to select emitter parameters and configure the 
system. 
In the third section , a structural diagram of an ultrasonic tracker has been 
developed, an electrical schematic diagram has been created with the allocation of the 
 
main functional blocks and their operation has been described, as well as a control 
program for a microcontroller unit (based on a single-chip PIC series controller) has been 
developed, which provides generation, reception, processing of signals and formation of 
information about the distance to the edge of the part.  
In the fourth section , typical designs and technological processes of assembling 
ultrasonic trackers are analyzed, a technological scheme for the manufacture of the 
developed device is built, and process improvements are proposed (in particular, 
diagnostics of the operating frequency and correction of piezo emitter power supply 
modes), which increase the stability and reproducibility of its characteristics. 
The fifth section presents the results of experimental studies of the proposed system 
in real conditions, describes the preparation and methods of testing, optimizes the tracking 
modes by the experiment planning method, determines the optimal parameters (for 
example, generator power, measurement time, radiation frequency) and conducts a 
comparative analysis of experimental data with the results of simulation. 
Tags: remote tracking, piezoceramic transducer, acoustic rangefinder, 
microcontroller devices, acoustic radiation optimization, high-precision trackers 
List of major publications of a master's student 
1. Soroka, M. & Bazilo, C. (2025). Ultrasonic Automated System for Controlling 
the Orientation of Detail Edges During Laser Welding. In: The Ukrainian Scientific and 
Practical Conference "Scientific Research Methodology – 2025", ChSTU: Cherkasy, 
Ukraine, 82-84.   
 
 
ЗМІСТ 
 
 Список скорочень ………………………………………………….. 4 
 Вступ …………………………………………………….…………. 5 
Розділ 1. Аналіз обладнання для ультразвукового контролю   
орієнтації кромок деталей ………………………………………9  
1.1. Ультразвукові коливання та їх основні властивості ………… 9 
1.2. Методи та засоби ультразвукового вимірювання відстані …. 11 
1.3. Принцип дії та показники якості ультразвукових  
відстеживувачів ……………………………………………….. 16 
1.4. Огляд математичних моделей і програмних засобів для  
моделювання характеристик ультразвукових   
перетворювачів …………………………………………………. 19 
 Висновки до розділу 1 ………………………………………… 22 
Розділ 2. Математичне моделювання ультразвукового виявлення   
меж об’єктів ……………………………………………………. 23 
2.1. Моделювання процесу утворення фронту ультразвукової  
хвилі …………………………………………………………….. 23 
2.2. Створення математичної моделі ультразвукового способу  
відстеження контурів об’єкта ….…………………..…………. 29 
2.3. Модель керування процесом ультразвукового стеження   
за краями об’єктів ……………………………………………… 34 
 Висновки до розділу 2 ………………………………………… 41 
Розділ 3. Проєктування схеми керування та розроблення   
програмного забезпечення ультразвукового відстежувача … 43 
3.1. Структурна схема ультразвукового відстежувача …………… 43 
3.2. Проєктування структурної схеми відстежувача з детальним  
описом роботи його окремих функціональних вузлів ……….. 45 
 2 
 
3.3. Розроблення та принцип дії програмного забезпечення   
для керування ультразвуковим трекером ……………………. 53 
 Висновки до розділу 3 ………………………………………… 64 
Розділ 4. Технологічний процес виготовлення ультразвукового 65 
відстеживувача …………………………………………………. 
4.1. Типові конструкції ультразвукових відстеживувачів ……… 66 
4.2. Аналіз типових технологічних процесів складання ..……..…. 67 
4.2.1. Технологічний процес складання ультразвукового  
відстеживувача ………………………………………… 67 
4.2.2. Схема структурного складу ……………………………. 68 
4.2.3. Технологічна схема складання ………………………… 68 
4.3. Удосконалення технологічного процесу …………………….. 69 
 Висновки до розділу 4 ………………………………………… 72 
Розділ 5. Експериментальні дослідження ультразвукового  
відстеживувача в умовах реального середовища …………… 74 
5.1. Підготовка до експерименту та умови його проведення ……. 74 
5.2. Удосконалення режимів відстеження країв об’єктів   
шляхом застосування планування експерименту …………… 79 
5.3. Контрольно-дослідні вимірювання …………………………….8 4 
5.4. Загальний аналіз отриманих експериментальних даних …..… 87 
 Висновки до розділу 5 …………………………………………….. 87 
 Загальні висновки …………………………………………………. 89 
 Список використаних джерел …………………………………….. 91 
 Додатки ……………………………………………………………… 93 
 3 
СПИСОК СКОРОЧЕНЬ 
 
ККД – коефіцієнт корисної дії; 
УЗ – ультразвук; 
DDAM – метод динамічного проектування; 
PSD – метод спектральної щільності потужності. 
 
 
 4 
ВСТУП 
 
Актуальність теми дослідження. У сучасному машинобудуванні та 
приладобудуванні лазерне зварювання посідає провідне місце завдяки високій 
концентрації енергії, мінімальній зоні термічного впливу та можливості 
автоматизації процесу. Однак до геометричної точності підготовки й взаємного 
розташування кромок деталей у цьому випадку висуваються особливо жорсткі 
вимоги: навіть незначні відхилення орієнтації шва можуть призвести до появи 
дефектів, зниження міцності з’єднань та погіршення ресурсу вузлів. Це зумовлює 
потребу в надійному, швидкодіючому та безконтактному контролі орієнтації 
кромок зварюваних деталей безпосередньо в зоні формування шва. 
Одним із перспективних підходів до розв’язання цієї задачі є використання 
ультразвукових засобів вимірювання й відстеження положення елементів 
конструкції. Ультразвукові датчики та відстеживувачі дають змогу реалізувати 
лінійні й кутові вимірювання в режимі реального часу, інтегрувати інформацію 
про відстань до кромок, їх взаємне положення та орієнтацію в єдину 
автоматизовану систему керування зварювальним процесом. Водночас 
підвищення вимог до точності, швидкодії та завадостійкості таких засобів ставить 
на порядок денний завдання розроблення нових методів вимірювань, 
калібрування й алгоритмів обробки сигналів саме для умов лазерного зварювання. 
Особливої уваги потребує метрологічне забезпечення контролю орієнтації 
кромок: у зоні зварювання присутні інтенсивні оптичні, теплові та вібраційні 
завади, що впливають на стабільність показань датчиків. Це вимагає створення 
спеціалізованих алгоритмів фільтрації, компенсації похибок і адаптивного 
налаштування ультразвукових вимірювальних каналів, а також побудови 
апаратно-програмних комплексів, здатних автоматично відстеживувати й 
коригувати положення кромок у замкненому контурі з системою керування 
лазерною зварювальною установкою. Поєднання задачі високоточного 
вимірювання, автоматизації процесу та підвищення надійності контролю 
орієнтації кромок формує окремий науково-технічний напрям. 
Таким чином, розроблення ультразвукової автоматизованої системи 
контролю орієнтації кромок деталей при зварюванні лазером, яка забезпечить 
 5 
підвищення точності позиціонування, скорочення часу налаштування та стабільну 
якість лазерних зварних з’єднань у реальних виробничих умовах, є завданням 
актуальним та перспективним. 
Мета й завдання дослідження. Підвищення точності й надійності контролю 
орієнтації кромок зварюваних деталей у лазерній зварній установці шляхом 
розроблення комплексу фізико-математичних моделей процесу акустичної 
далекометрії, мікроконтролерної системи відстеживування країв та вдосконалення 
технологічного процесу виготовлення п’єзокерамічного відстеживувача, що 
забезпечить зменшення похибок позиціонування зварювальної головки, 
скорочення часу налаштування та підвищення техніко-експлуатаційних 
характеристик лазерного зварювального комплексу. 
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі: 
Виконати аналіз акустичних методів та засобів вимірювання відстані й 
контролю країв об’єктів, оцінити переваги та недоліки відомих ультразвукових 
відстеживувачів і сформулювати вимоги до системи контролю орієнтації кромок 
при лазерному зварюванні.  
Розробити комплекс фізико-математичних моделей процесу 
ультразвукового відстеживування країв зварюваних деталей, включно з моделлю 
формування фронту хвилі, моделлю безконтактного вимірювання відстані з 
урахуванням в’язких втрат у середовищі та моделлю керування процесом 
вимірювання. 
Синтезувати структурну та електричну принципову схему 
мікроконтролерного відстеживувача країв деталей, вибрати п’єзоелектричні 
перетворювачі й елементну базу та розробити програму керування пристроєм. 
Розробити та вдосконалити технологічний процес виготовлення 
ультразвукового відстеживувача, у тому числі операції діагностування робочої 
частоти та налаштування параметрів живлення п’єзовипромінювача. 
Провести експериментальні дослідження автоматизованої системи в 
реальних умовах роботи лазерної зварної установки, визначити залежності 
метрологічних характеристик від зовнішніх факторів, оптимізувати режими 
 6 
відстеживування та порівняти експериментальні результати з даними фізико-
математичного моделювання. 
Об’єкт дослідження – процеси дистанційного відстеживування положення 
й орієнтації країв деталей у лазерній зварній установці та відповідна фізико-
математична модель і технічні характеристики системи ультразвукового 
відстеживування.   
Предмет дослідження: закономірності формування та поширення 
акустичних хвиль при вимірюванні відстані до країв деталей, методи й алгоритми 
керування процесом відстеживування (зокрема з використанням нечіткої логіки), 
а також структурно-схемні та програмні засоби мікроконтролерної 
автоматизованої системи контролю орієнтації кромок.   
Методи досліджень. У роботі використано аналітичний огляд вітчизняних 
та зарубіжних джерел щодо акустичних методів вимірювання відстані й 
ультразвукових відстеживувачів; фізико-математичне моделювання процесів 
формування фронту акустичної хвилі, загасання й відбиття ультразвуку з 
урахуванням в’язких властивостей середовища; моделювання систем керування 
процесом вимірювання відстані до країв деталей із застосуванням апарату 
нечіткої логіки в середовищі MATLAB; структурно-схемний та схемотехнічний 
синтез мікроконтролерного відстеживувача на базі п’єзокерамічних 
перетворювачів МУП-3/МУП-4; технологічний аналіз і оптимізацію процесу 
складання ультразвукового вузла; а також експериментальні дослідження з 
використанням методів планування експерименту для визначення оптимальних 
режимів роботи та порівняння результатів моделювання з натурними 
вимірюваннями. 
Наукова новизна одержаних результатів.  
– Уперше запропоновано математичну модель безконтактного вимірювання 
відстані до країв деталей на основі контролю коефіцієнта загасання акустичних 
коливань з урахуванням в’язких властивостей середовища поширення, що 
дозволило одержати аналітичні залежності, які лежать в основі високоточного 
методу акустичної далекометрії для задач орієнтації кромок.  
 7 
– Розроблено модель керування технологічним процесом акустичного 
відстеживування країв із використанням апарату нечіткої логіки, завдяки чому 
формалізовано причинно-наслідкові зв’язки між якістю відстеживування, 
властивостями поверхні та робочими параметрами випромінювання, що забезпе-
чило підвищення точності та адаптивності системи до змін зовнішніх умов.  
– Удосконалено технологічний процес складання та настроювання вузла 
акустичного відстеживувача шляхом уведення операцій діагностування робочої 
частоти й визначення оптимальних параметрів живлення п’єзовипромінювача, що 
привело до покращення відтворюваності характеристик випромінювача та 
зменшення похибок контролю положення й орієнтації кромок. 
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що розроблені 
фізико-математичні моделі дають можливість обґрунтовано вибирати параметри 
ультразвукового відстеживувача, які забезпечують задані характеристики фронту 
акустичної хвилі та необхідну роздільну здатність у зоні контролю кромок 
деталей. Це дозволяє ще на етапі проєктування оцінювати вплив середа та 
режимів випромінювання на точність вимірювання відстані й орієнтації. 
Технічним результатом роботи є спроєктований та реалізований макетний 
зразок ультразвукового відстеживувача з мікроконтролерним керуванням і 
програмним забезпеченням, придатний для інтеграції в автоматизовані системи 
різного ступеня складності як підсистема контролю положення та орієнтації 
кромок у лазерних зварних установках. Використання розробленого пристрою 
забезпечує підвищення точності наведення зварювальної головки, скорочення 
часу переналагодження обладнання та поліпшення якості формування зварного 
шва 
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень були 
представлені на ІІ-й Всеукраїнській науково-практичній конференції «Датчики, 
прилади та системи» (Черкаси: ЧДТУ, 2025). 
Публікації. По темі дисертації опублікована 1 теза доповідей. 
 8 
РОЗДІЛ 1 
АНАЛІЗ ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОНТРОЛЮ  
ОРІЄНТАЦІЇ КРОМОК ДЕТАЛЕЙ 
 
1.1. Ультразвукові коливання та їх основні властивості 
Поширення ультразвукових хвиль у газах, рідинах і твердих тілах є основою 
роботи більшості систем контролю положення та орієнтації кромок деталей [2, 3]. 
Якщо частинки середовища відхиляються від положення рівноваги, сили 
пружності намагаються повернути їх назад, що призводить до коливального руху; 
просторове розповсюдження таких коливань формує хвилю. 
За частотою пружні коливання поділяють на: інфразвукові – від одиниць Гц 
до 20 Гц; звукові (чутні) – від 20 Гц до (16…20) кГц; ультразвукові – приблизно 
від 20 кГц до 108 Гц; гіперзвукові – з частотами вище 108 Гц [2]. 
Для задач машинобудівного неруйнівного контролю, включаючи контроль 
кромок, найчастіше застосовують діапазон від десятків кілогерц до десятків 
мегагерц, що забезпечує компроміс між глибиною проникнення та просторовою 
роздільною здатністю [2, 5]. 
На рис. 1.1 подано логарифмічну шкалу частот, сформовану за залежністю 
lg2�� = 1, 2, 3, …, ��, де n – номер октави. 
 
Рисунок 1.1 – Діапазони пружних коливань, що використовуються в 
системах ультразвукового контролю кромок деталей 
 
Форма хвилі визначається геометрією випромінювача та умовами 
поширення. Плоский вібруючий елемент формує близько-плоску хвилю, 
 9 
циліндричний перетворювач – циліндричну, а малий за розмірами джерело – 
сферичну. Залежно від напрямку коливань частинок відносно напряму поширення 
хвилі розрізняють подовжні, поперечні, вигинні та крутильні хвилі. У газах і 
рідинах поширюються переважно подовжні хвилі, тоді як у твердих тілах можливі 
всі згадані типи [2,3]. 
Будь-який гармонічний хвильовий процес характеризується частотою f, 
довжиною хвилі λ та амплітудою (рис. 1.2). Між цими величинами виконується 
залежність: λ = c/f, де с – швидкість поширення хвилі у відповідному середовищі. 
 
Рисунок 1.2 – Основні параметри гармонічного коливального процесу 
 
Для ультразвукового діапазону характерні такі особливості, важливі з 
погляду контролю кромок. 
Малі довжини хвиль. За однакової швидкості поширення збільшення 
частоти призводить до суттєвого зменшення λ. При λ у межах 1…10 мм хвилі 
поводяться подібно до вузького променя, що дозволяє локалізовано 
«підсвічувати» кромку та оцінювати її положення з високою точністю [2,8]. 
Можливість роботи в різних середовищах. Ультразвук придатний для 
контролю кромок в повітрі, рідинах (ванни, резервуари), а також у твердих тілах – 
наприклад, при контролі орієнтації крайок багатошарових покриттів, зварних 
швів і композитних конструкцій [3,5]. 
Висока енергетична насиченість. Інтенсивність ультразвукової дії може 
досягати 1…1000 Вт/см², що забезпечує високий рівень відбитого сигналу навіть 
 10 
від тонких крайок, але вимагає обережності при технологічній взаємодії з 
матеріалами [3]. 
Таким чином, правильно вибраний діапазон частот і тип хвиль дозволяють 
будувати компактні, спрямовані перетворювачі та масиви датчиків, придатні для 
задач відстеживування й орієнтації кромок деталей у широкому спектрі 
технологічних процесів [2, 3, 5, 8]. 
 
1.2. Методи та засоби ультразвукового вимірювання відстані 
Для задач ультразвукового контролю орієнтації кромок листових та 
профільних деталей, зокрема в процесах зварювання, механічної обробки й 
автоматизованого складання, переважно застосовують акустичні методи, що 
ґрунтуються на випромінюванні та прийманні пружних хвиль, а також на 
реєстрації власних акустичних сигналів об’єкта [2, 3, 5]. Умовно такі методи 
поділяють на дві великі групи: 
 методи активного зондування – з використанням біжучих, стоячих або 
резонансних хвиль у контрольованому середовищі; 
 методи пасивної реєстрації – на основі аналізу акустичної емісії та 
віброакустичних параметрів працюючого вузла [2,3]. 
До першої групи належать такі варіанти (рис. 1.3). 
Генератор Генератор Індикатор Модулятор Реєстратор Генератор
розгортки Генератор частоти резонанса
Імпульсний Приймач
генератор Електро-
1 Індикатор
Генератор аналізатор
1 2 4
1 2
Індикатор
2 3 2
Приймач
 
а.   б.  в.   г.  д. 
Рисунок 1.3 – Схеми акустичних методів ультразвукового контролю 
положення та орієнтації кромок деталей 
 
Тіньовий (прохідний) метод – метод наскрізного прозвучування (рис. 1.3, а). 
Випромінювач 1 і приймач 3 розташовують по різні боки деталі 2. При зміні 
 11 
положення кромки відносно акустичної осі відбувається характерне послаблення 
зареєстрованого сигналу або зміна часу його проходження. Для систем контролю 
орієнтації це використовується для визначення положення крайки листа, торця 
заготовки або bevel’а шва. 
Луна-метод (пульс-ехо) (рис. 1.3,б). Один або кілька перетворювачів 1 
випромінюють короткі ультразвукові імпульси в напрямку контрольованої 
кромки 2. Відбиті імпульси приймаються тим самим або іншим перетворювачем; 
відстань до конкретного елемента кромки обчислюють за часом запізнювання 
відбитого сигналу. Послідовне сканування дозволяє реконструювати орієнтацію 
кромки в просторі [2, 5]. 
Дзеркально-тіньовий метод – різновид прохідного методу, в якому 
використовується комбінація прямого та відбитого сигналів. При розташуванні 
відбиваючої поверхні за кромкою деталі порівнюють амплітуди сигналів, 
зареєстрованих у присутності та за відсутності об’єкта. Локальне послаблення 
служить інформативною ознакою положення краю. 
Метод акустичного імпедансу (рис. 1.3, в). До поверхні деталі 2 
підводиться стрижневий випромінювач 4, який збуджує локальні коливання. При 
появі й зміщенні кромки змінюються ефективна жорсткість контактної ділянки та 
акустичний імпеданс, що проявляється в зміні амплітуди, фази та резонансної 
частоти коливань стрижня. Вимірюючи одну з цих величин, можна оцінити 
положення кромки відносно датчика. 
Резонансний метод (рис. 1.3, г). Після визначення швидкості поширення 
звуку в матеріалі частоту генератора плавно змінюють, фіксуючи резонансні 
стани, які відповідають утворенню стоячої хвилі в деталі 2. Зміна локальної 
товщини або поява вирізу / кромки призводить до зсуву резонансної частоти 
та/або послаблення резонансу під шукачем 1, що дозволяє виявляти й 
відстежувати крайки покриттів, наплавлень та зварних швів [2, 5, 8]. 
Метод вільних коливань (рис. 1.3, д). Після короткочасного ударного впливу 
на деталь аналізують спектр власних коливань. Поява кромкових дефектів, змін 
 12 
геометрії та орієнтації крайок змінює частотний спектр – це може 
використовуватись як додатковий індикатор стану та положення країв. 
До другої групи відносять. 
Метод акустичної емісії. Реєструються пружні хвилі, що виникають у 
матеріалі під дією навантаження, теплових або технологічних впливів. Для задач 
контролю орієнтації кромок цей підхід може застосовуватись при спостереженні 
за формуванням шва, коли зміна геометрії крайки супроводжується характерними 
емісійними подіями [3]. 
Шумо-вібраційний (віброакустичний) метод. Аналізується спектр коливань 
працюючого механізму (наприклад, лінії подачі листа або зварювального 
порталу). Зміна орієнтації та положення кромки відносно інструмента часто 
призводить до появи характерних змін у спектрі, які можна відстеживувати 
мікрофонами чи контактними датчиками. 
Серед усіх підходів у системах контролю орієнтації кромок найчастіше 
застосовують імпульсний луна-метод, оскільки він забезпечує високу просторову 
роздільну здатність і добре піддається автоматизації [2, 3, 5]. 
Приклади конструкцій ультразвукових далекомірів, придатних для 
контролю кромок. 
У межах даної роботи було виконано патентно-інформаційний аналіз 
конструкцій акустичних вимірювачів відстані, які можуть бути адаптовані для 
контролю положення і орієнтації кромок деталей. Серед найбільш близьких 
аналогів виділено такі рішення. 
.Акустичний вимірювач відстані з автоматичним калібруванням. 
Запропонований у вигляді багатоканального пристрою, що містить 
синхронізатор 1, формувач імпульсу стробу 2, генератор зондуючих сигналів 4, 
мультиплексор 5, акустичні системи 6 і 8, відбивач 9, приймальний тракт 12, 
схеми «ТА» 10, 11, 14, мультивібратори, що чекають, 13 і 22, генератор тактових 
імпульсів 15, лічильник 16, регістри 17 і 19, цифровий індикатор 18, блок 
порівняння цифрових кодів 20, блок керування 21 та блок установки коду 23 (рис. 
1.4). 
 13 
Таке компонування забезпечує: 
 автоматичне калібрування при зміні параметрів середовища (температура, 
вологість, склад газу); 
 можливість безперервного вимірювання відстані до контрольної площини 
(або реперного відбивача 9); 
 гнучку перебудову діапазонів вимірювання шляхом зміни уставок блоку 
установки коду. 
Перенесення цієї ідеології на задачу ультразвукового контролю орієнтації 
кромок дозволяє організувати автоматичне підлаштування системи під зміну умов 
у зоні кромки (шорсткість, температура, запиленість), що особливо актуально для 
виробничих ліній безперервної дії. 
 
 Рисунок 1.4 – Типова структурна схема автоматизованого акустичного 
далекоміра для контролю положення та орієнтації кромок (опис блоків у тексті) 
 
 14 
Гідроакустичний спосіб вимірювання відстані з використанням векторного 
приймача. У цьому способі періодичний імпульсний сигнал випромінюється 
вертикально орієнтованою багатомодульною антеною, а на контрольованому 
об’єкті встановлюють два приймачі: векторний (для вимірювання вертикальної та 
горизонтальної складових коливальної швидкості) і скалярний – для тиску P(t). За 
результатами вимірювання визначають груповий час затримки та, з урахуванням 
відомої швидкості звуку й параметрів середовища, обчислюють відстань до 
об’єкта. 
Для задач контролю орієнтації кромок аналогічний підхід може 
застосовуватись у рідинних ваннах (наприклад, при контролі крайок стрічкового 
прокату в травильних або гальванічних лініях), де важливими є стійкість до 
дисперсійних спотворень і зниження похибки вимірювань [3,8]. 
Акустичний блок ультразвукового вимірювального пристрою зі вкороченим 
звуководом. 
Ще один варіант конструкції передбачає використання труби-звуковода 1 із 
закріпленим на її верхньому кінці електроакустичним перетворювачем 2 (рис. 
1.5). У нижній частині звуковода встановлюються утримувачі 4 з реперним 
відбивачем 5; звуковод жорстко з’єднаний із резервуаром 3 за допомогою 
сполучного вузла 6. 
 
Рисунок 1.5 – Акустичний блок ультразвукового вимірювального пристрою для 
контролю положення реперної кромки: 1 – звуковод; 2 – електроакустичний 
перетворювач; 3 – резервуар (або корпус); 4 – утримувачі; 5 – реперний відбивач; 
6 – сполучний вузол. 
 15 
Скорочення довжини звуковода до мінімально необхідної для формування 
потрібної діаграми спрямованості дає змогу: 
 зменшити масогабаритні показники; 
 підвищити стабільність вимірювань; 
 зменшити вплив побічних відбиттів від стінок резервуара. 
При адаптації такого акустичного блоку до контролю кромок орієнтовною 
реперною поверхнею може виступати калібрувальна пластина або еталонна 
кромка, що дозволяє оперативно переналаштовувати систему під різні 
типорозміри деталей. 
 
1.3. Принцип дії та показники якості ультразвукових відстеживувачів  
Функціонування ультразвукових відстежувачів (датчиків) орієнтації кромок 
ґрунтується на вимірюванні часу поширення хвилі між випромінювачем і 
відбиваючою зоною кромки або на оцінюванні фазово-амплітудних 
характеристик відбитого сигналу [2, 3, 5]. 
Найпростішу схему роботи можна інтерпретувати за аналогією з 
біоехолокацією: ультразвуковий вузол випромінює спрямований пучок коливань 
у напрямку очікуваного розташування кромки, а потім реєструє відбитий імпульс. 
Оскільки швидкість звуку в повітрі (або іншому середовищі) відома з достатньою 
точністю, часову затримку t можна безпосередньо пов’язати з відстанню до 
кромки: 
 
Рисунок 1.6 – Схема луна-локації. 
 16 
L = ct/2 
де L – відстань від перетворювача до кромки, с – швидкість звуку,  
t – час проходження імпульсу до кромки й назад. 
Потенційна точність такого вимірювання визначається головним чином 
точністю вимірювання t і стабільністю c. Для задач орієнтації важливими є: 
 похибка вимірювання відстані (лінійна роздільна здатність); 
 кутова роздільна здатність (можливість розрізняти зміну кута нахилу кромки 
при скануванні); 
 мертва зона (мінімально можлива відстань до об’єкта); 
 стійкість до завад (сторонні відбиття, шумові імпульси, віддзеркалення від 
обладнання) [2,3]. 
Залежно від характеру модуляції сигналу розрізняють три основні методи 
далекометрії, які можуть використовуватись у системах контролю орієнтації 
кромок. 
Імпульсний метод. Зондуючий ультразвуковий імпульс запускає внутрішній 
часовий лічильник; прихід відбитого імпульсу від кромки зупиняє його. За 
виміряним інтервалом часу t обчислюють L за формулою (1.2). Механічне або 
електронне сканування променя дає профіль положення кромки. 
Фазовий метод. Неперервне або квазінеперервне акустичне 
випромінювання модулюється синусоїдальним сигналом (зазвичай у діапазоні 
десятків МГц). Відбите випромінювання приймається, виділяється модулюючий 
сигнал, а відстань до кромки визначається за різницею фаз між сигналами на 
модуляторі й приймачі. Такий підхід особливо ефективний у фазованих антенних 
решітках, що використовуються для високоточних систем неруйнівного контролю 
[2, 9]. 
Фазо-імпульсний (комбінований) метод. Поєднує імпульсне зондування з 
фазовим аналізом, що дозволяє одночасно підвищувати просторову роздільну 
здатність і стійкість до завад. 
Сучасні ультразвукові системи контролю кромок активно використовують 
переваги мікроелектроніки, цифрових обчислювачів і алгоритмів обробки 
 17 
сигналів, включаючи методи машинного навчання та фазовані решітки [2, 3, 5, 9]. 
Це дозволяє суттєво зменшити габарити відстежувачів, інтегрувати їх у 
роботизовані комплекси, системи трубопровідного контролю, лінії формування 
швів тощо [5, 8, 13–16]. 
Розвиток ультразвукової далекометрії та неруйнівного контролю в цілому 
нині визначається двома ключовими трендами [3, 5, 8, 15]: 
 удосконаленням методів вимірювання та обробки сигналів (включно з 
оптимальним плануванням експерименту, адаптивною фільтрацією, машинним 
навчанням та нечітким керуванням); 
 розширенням сфер застосування в умовах зростаючих вимог до точності 
позиціонування й контролю геометрії елементів конструкцій, зокрема кромок. 
Автоматизація та адаптивне керування процесом вимірювання. Сучасні 
системи дозволяють не лише повторювати заданий режим ультразвукового 
зондування, а й змінювати його «на льоту» – за результатами аналізу акустичних 
сигналів кожного циклу. Використання ідей оптимального планування 
експерименту [1, 4, 6] дає змогу мінімізувати кількість вимірів і час сканування, 
зберігаючи потрібну точність визначення орієнтації кромок. 
Підвищення надійності й спрощення конструкції обладнання. Перехід до 
конструкцій з меншою кількістю механічно рухомих вузлів, застосування 
вбудованих калібрувальних поверхонь і реперних кромок, використання 
композитних матеріалів і спеціальних покриттів перетворювачів сприяє 
підвищенню надійності систем в умовах вібрацій, агресивних середовищ і 
температурних впливів [5, 8, 15, 16]. 
Інтеграція з багатоканальними й фазованими решітками та ІТ-
інфраструктурою. 
Фазовані решітки та багатоканальні перетворювачі забезпечують 
можливість формування електронно керованих променів і одночасне 
відстежування кількох кромок або складної просторової геометрії окремих 
ділянок деталей [2, 5, 8, 9]. Поєднання таких систем із хмарними сервісами, 
цифровими двійниками та системами моніторингу стану конструкцій відкриває 
 18 
можливості для комплексного контролю складних об’єктів, наприклад 
трубопроводів і зварних з’єднань, де правильна орієнтація та якість кромок є 
критичною [8, 13–16]. 
Використання методів машинного навчання та нечіткого моделювання. 
Завдяки накопиченню великих масивів даних ультразвукового контролю стало 
можливим застосовувати машинне навчання для класифікації типів орієнтацій 
кромок, виявлення відхилень і прогнозування дефектів [9]. Нечіткі моделі та 
методи нечіткого керування дозволяють формувати рішення за умов 
невизначеності параметрів середовища та об’єкта [7, 10–12]. 
Очікується, що подальший розвиток технічних засобів ультразвукового 
контролю орієнтації кромок буде пов’язаний із розробленням компактних, 
енергоефективних і інтелектуальних датчиків, здатних працювати в складі 
кіберфізичних виробничих систем та систем структурного моніторингу [2, 3, 8–
10, 13–16]. 
 
1.4. Огляд математичних моделей і програмних засобів для 
моделювання характеристик ультразвукових перетворювачів 
Проєктування обладнання для ультразвукового контролю орієнтації кромок 
неможливе без докладного моделювання поведінки перетворювачів та хвильових 
полів у зоні кромки. Для цього використовують кілька підходів [2,3]: 
- еквівалентні електричні схеми різної складності, що дозволяють підбирати 
розміри елементів перетворювача та оцінювати його частотну характеристику; 
- моделі типу «плоский поршень», які дають змогу описати розподіл тиску в 
середовищі та оцінити чутливість до зміщення кромки відносно акустичної осі; 
- комп’ютерне моделювання на основі методу скінченних елементів (МСЕ), яке 
забезпечує найповніший опис електромеханічних і акустичних процесів у 
перетворювачі й контрольованому об’єкті [2]. 
Для задач оцінювання розподілу тиску в безпосередній близькості від 
кромки та порівняння з експериментом найбільш ефективними виявляються саме 
 19 
дві останні групи моделей. Прості моделі плоского поршня добре відтворюють 
загальний характер поля, але погано враховують: 
 поширення поверхневих та радіальних хвиль у п’єзокераміці; 
 взаємодію хвиль із корпусом, демпфувальним шаром, елементами кріплення; 
 складне відбиття й заломлення в зоні кромок та геометричних неоднорідностей. 
У моделях МСЕ (наприклад, реалізованих у програмних комплексах 
ANSYS, PZFlex, ABAQUS тощо) [2] ці ефекти можуть бути враховані явним 
чином. На рис.1.7 наведено приклад КЕ-моделі ультразвукового датчика, 
адаптованого до задачі контролю орієнтації кромки. 
 
Рисунок 1.7 – Приклад скінченно-елементної моделі ультразвукового 
перетворювача для контролю орієнтації кромки деталі 
 
Паралельно із фізичним моделюванням важливе місце посідає оптимальне 
планування експерименту, яке дозволяє мінімізувати кількість випробувань при 
калібруванні системи «перетворювач – кромка – середовище» і водночас 
забезпечити потрібну інформативність вимірів [1, 4, 6]. У цьому контексті 
застосовують як класичні схеми планів експерименту, так і сучасні підходи на 
основі багатопараметричної оптимізації. 
Для повноцінного чисельного аналізу поведінки ультразвукових 
перетворювачів, орієнтованих на контроль кромок, зазвичай виконують кілька 
типів розрахунків [2, 3]: 
 модальний аналіз, який дає власні частоти й форми коливань; 
 гармонічний аналіз, що дозволяє побудувати частотні характеристики та 
оцінити ризики резонансів і втомних пошкоджень; 
 20 
 аналіз перехідних процесів (transient), необхідний для відтворення коротких 
імпульсів і часових реалізацій, порівнюваних із реальними осцилограмами; 
 спектральний аналіз, який базується на результатах модального аналізу й 
використовується для оцінювання реакції системи на випадкові або 
квазівипадкові навантаження. 
Модальний аналіз дозволяє визначити, які форми коливань є найбільш 
критичними з точки зору чутливості до положення кромки, а також служить 
базою для побудови редукованих моделей у більш складних динамічних задачах. 
Гармонічний аналіз використовується для підбору робочої частоти перетворювача 
та параметрів узгодження із середовищем. 
Аналіз перехідних процесів, у свою чергу, дає змогу моделювати реальні 
зондуючі імпульси, що застосовуються для вимірювання відстані, і оцінювати 
вплив геометрії кромки та її орієнтації на форму відбитого сигналу. Цей вид 
аналізу особливо важливий при використанні обчислювальних методів 
реконструкції профілю кромки та алгоритмів машинного навчання, що працюють 
із тимчасовими реалізаціями [2, 3, 9]. 
Спектральний аналіз (спектри реакції, підхід DDAM, методи спектральної 
щільності потужності PSD) застосовують у випадках, коли ультразвукова система 
експлуатується в умовах інтенсивних вібрацій, ударних впливів або флуктуючих 
навантажень (наприклад, на рухомих платформах чи в системах транспортування 
довгомірних деталей) [2]. 
Окремий перспективний напрям – використання методів нечіткого 
моделювання та нечіткої компенсації для опису складних електромеханічних 
систем «ультразвуковий перетворювач – механічна конструкція – кромка деталі» 
[7,12]. Такі моделі дозволяють враховувати невизначеність параметрів 
середовища, допусків виготовлення та умов монтажу датчиків. 
Узагальнюючи, можна відзначити, що комбінація сучасних чисельних 
методів (МСЕ, оптимальне планування експерименту, машинне навчання, нечіткі 
моделі) забезпечує повний цикл аналізу й оптимізації обладнання для 
 21 
ультразвукового контролю орієнтації кромок – від проєктування перетворювачів 
до настроювання алгоритмів обробки й інтерпретації сигналів [1–3, 4, 6–12]. 
 
Висновки до розділу 1 
1. Ультразвукові коливання є окремим діапазоном пружних хвиль (приблизно 
від 20 кГц до 10⁸ Гц), поширення яких у газах, рідинах і твердих тілах лежить 
в основі більшості систем неруйнівного контролю положення та орієнтації 
кромок деталей. Їх опис через частоту, довжину хвилі та амплітуду, а також 
базове співвідношення λ=c/f дозволяють формалізувати вимоги до частотного 
діапазону та геометрії перетворювачів для конкретних технологічних задач. 
2. Для задач машинобудівного контролю кромок найбільш доцільним є 
використання ультразвуку в діапазоні від десятків кілогерц до десятків 
мегагерц, що забезпечує оптимальний компроміс між глибиною проникнення 
та просторовою роздільною здатністю. При довжинах хвиль порядку 1…10 мм 
ультразвукове поле поводиться подібно до вузького променя, що дає змогу 
локалізовано «підсвічувати» кромку й точно визначати її положення. 
3. Різні типи хвиль (подовжні, поперечні, вигинні, крутильні) та форми 
хвильових фронтів (плоскі, циліндричні, сферичні), які формуються залежно 
від геометрії випромінювача та властивостей середовища, забезпечують 
гнучкість у виборі конфігурації систем контролю кромок. Це дозволяє 
адаптувати ультразвукові методи як до повітряних трас (контроль відстані та 
орієнтації), так і до контактних або занурених схем контролю багатошарових, 
зварних і композитних конструкцій. 
4. Висока енергетична насиченість ультразвукових хвиль (інтенсивність до 
сотень Вт/см²) забезпечує формування відбитих сигналів достатнього рівня 
навіть від тонких крайок, що є критично важливим для побудови надійних 
систем відстежування кромок у складних виробничих умовах. Водночас це 
ставить додаткові вимоги до вибору частоти, режимів збудження та схем 
узгодження, що враховуються на етапах проєктування, моделювання та 
оптимізації ультразвукового обладнання. 
 22 
РОЗДІЛ 2 
МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ  
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВИЯВЛЕННЯ МЕЖ ОБ’ЄКТІВ 
 
2.1. Моделювання процесу утворення фронту ультразвукової хвилі 
Ультразвукові методи контролю та вимірювання дедалі частіше 
застосовуються для безконтактного визначення положення меж, геометричних 
розмірів та заповненості порожнин у складних і потенційно небезпечних 
середовищах. Особливий інтерес становлять схеми, у яких фронт ультразвукової 
хвилі цілеспрямовано формують так, щоб підвищити просторову роздільну 
здатність саме в зоні межі об’єкта (краю елемента, границі розділу середовищ 
тощо) [2,3]. 
Ефективність такого виявлення меж істотно залежить від режимів роботи та 
геометричних параметрів ультразвукового випромінювача. З погляду 
моделювання, до ключових характеристик фронту хвилі належать [2,8]: 
- частотний (дисперсний) склад фронту ультразвукової хвилі; 
- інтенсивність (продуктивність) формування фронту в зоні межі; 
- геометричні параметри фронту, що визначають ширину зони взаємодії з межею 
об’єкта. 
Щоб забезпечити потрібні характеристики ультразвукового поля для 
виявлення меж, необхідно побудувати математичну модель, яка пов’язує 
параметри випромінювача з параметрами сформованого фронту. Структурно ці 
взаємозв’язки наведено на рис. 2.1, де відображено переходи від заданих вимог до 
просторової структури фронту хвилі до розрахункових частоти, площі та форми 
поверхні випромінювання. Модель має забезпечувати можливість визначення: 
- робочої частоти ультразвукового випромінювача; 
- площі активної поверхні випромінювання; 
- форми поверхні випромінювання (кутового профілю), що визначає поперечні 
розміри фронту на відстані до межі об’єкта. 
 23 
На першому етапі моделювання встановлюють зв’язок між частотою 
ультразвукових коливань та середньомедіанним діаметром зони контакту 
випромінювання з об’єктом. Для цього використовують відомий співвідношення 
типу 
8
D  a  3 , 
f 2
де a = 0,12 - конструктивний коефіцієнт; σ – коефіцієнт поверхневого натягу на 
поверхні об’єкта; ρ – густина середовища поширення ультразвуку; f – частота 
ультразвукових коливань 
 
Рисунок 2.1 - Структура взаємозв’язків між параметрами ультразвукового 
випромінювача та фронтом хвилі під час виявлення меж об’єкта 
 
Звідси визначають необхідну робочу частоту випромінювача, яка забезпечує 
заданий середньомедіанний діаметр зони контакту з межею об’єкта: 
8a3
f  . 
D3
На основі знайденого значення частоти далі розраховують резонансні 
розміри ультразвукового випромінювача за відомими методиками розрахунку 
п’єзоелектричних перетворювачів [2,3]. 
 24 
Другий етап пов’язаний із визначенням площі активної поверхні 
випромінювання, достатньої для формування хвильового фронту заданої 
продуктивності (потужності) в зоні межі. Вводять поняття питомої 
продуктивності (швидкості випромінювання) Ппит, а загальну продуктивність 
пов’язують з площею поверхні: 
2a3 f 
Ï ï èò   3 . 
3 
Звідси: 
Ï 3Ï  3 
S  max  max , 
Ï ï èò 2Ï a3
ï èò  3 f
де S - площа поверхні випромінювача; Пmax – необхідна продуктивність 
формування фронту ультразвукової хвилі; П – питома продуктивність (швидкість 
випромінювання). пит 
На третьому етапі встановлюють форму поверхні випромінювання. 
Важливим параметром є кут напрямку поверхні випромінювання β, який разом із 
площею поверхні визначає поперечні розміри ультразвукового фронту на заданій 
відстані до межі об’єкта. На рис. 2.2 наведено типові варіанти геометрії поверхні 
випромінювання залежно від кута при вершині конічної поверхні. 
 
а.   б.   в. 
Рисунок 2.2 - Варіанти форми поверхні ультразвукового випромінювача для 
формування фронту в зоні межі: а) плоска поверхня (β = 180°); б) конічна 
поверхня (0< β <180°); в) циліндрична поверхня (β =0°) 
 
 25 
На рис. 2.3 подано систему сил, що діють у зоні взаємодії ультразвукової 
хвилі з межею об’єкта. Ці сили визначають зміну напрямку та інтенсивності 
випромінювання під час проходження хвилі через середовище до межі. 
 
Рисунок 2.3 - Схема силових взаємодій у зоні контакту ультразвукової хвилі 
з межею об’єкта 
 
На початковий момент часу напрямок випромінювання утворює з 
поверхнею об’єкта кут 
  
  90  90   90   . 
 2 
У процесі поширення хвилі кут α′ змінюється відповідно до закону, що 
враховує масу фрагмента середовища в зоні дії, а також аеродинамічні 
характеристики потоку: 
 x t  t  
  arctg   ; 
 
 y t  t  
 t   sin S 2
x  2
x t  CD M   sin t
x  ; 
sin
 2 2
g S   y t  CD M  
y     t  y t  , 

 cos m 

 26 
де m - маса частини середовища в зоні дії ультразвукової хвилі; CD(M) – 
безрозмірна функція числа Маха M; ρ – густина середовища; S – площа 
поперечного перерізу зони взаємодії. 
На основі цих співвідношень, для заданого медіанного діаметра зони 
взаємодії ультразвукової хвилі з межею об’єкта визначають початковий кут ��′, під 
яким має поширюватися випромінювання з поверхні випромінювача. Звідси 
обчислюють кут поверхні випромінювання β: 
 180 2 . 
На рис. 2.4 представлено залежність діаметра зони взаємодії ультразвукової 
хвилі з межею об’єкта від кута поверхні випромінювача на фіксованій відстані.  
 
Рисунок 2.4 - Залежність діаметра зони взаємодії ультразвукової хвилі з 
межею об’єкта від кута поверхні випромінювача 
 
Із рис. 2.4 видно, що залежність має виражений нелінійний характер. При 
зменшенні кута поверхні випромінювання до значень менше приблизно 20 
(наближення форми поверхні до циліндричної) подальше збільшення ширини 
зони взаємодії практично не відбувається. Це дозволяє виділити діапазон 
оптимальних кутів поверхні β∈[20; 180], у якому досягається ефективне 
покриття зони межі без істотної втрати енергії в боковому випромінюванні [2,8]. 
На основі розробленої моделі було розраховано параметри низки 
практичних конструкцій ультразвукових випромінювачів, орієнтованих на 
виявлення меж об’єктів (табл. 2.1). Надалі ці конструкції експериментально 
 27 
досліджували для перевірки відповідності реальних характеристик фронту 
ультразвукової хвилі розрахунковим (табл. 2.2). 
 
Таблиця 2.1 - Розраховані параметри ультразвукових випромінювачів для 
виявлення меж об’єктів 
Початкові параметри зони 
взаємодії УЗ хвилі з об'єктом Розраховані параметри випромінювачів 
спостереження 
№ 
1 45 5 2 44 3,9 1,1 115 
2 30 4 1,2 60 2,7 0,9 110 
3 70 6 2 25 4,75 1,2 130 
 
Таблиця 2.2 - Експериментальні характеристики фронту ультразвукового 
випромінювання для задач виявлення меж 
Початкові параметри Експериментально встановлені характеристики 
фронту УЗ випромінювання фронту УЗ випромінювання 
№ 
1 45 5 2 50 12 4,6 8 2,1 5 
2 30 4 1,2 33 10 3,8 5 1,2 0 
3 70 6 2 80 14 5,5 9 2,3 15 
 28 
Діаметр зони взаємодії УЗ 
хвилі з об'єктом, мкм Діаметр зони взаємодії УЗ 
хвилі з об'єктом, мкм 
Діаметр фронту взаємодії на 
УЗ випромінювачі, мм 
Діаметр фронту взаємодії 
Продуктивність, на УЗ випромінювачі, мм 
випромінювача, мВт/c 
Продуктивність, 
Діаметр зони взаємодії УЗ випромінювача, мВт/с 
хвилі з об'єктом, мкм 
Резонансна частота на 
Погрішність, % 
випромінювачі, кГц 
Діаметр фронту взаємодії на 
УЗ випромінювачі, мм Площа поверхні 
випромінювача, мм2 
Погрішність, % 
Радіус випромінювача, мм2 
Продуктивність, 
випромінювача, мВт/c 
Кут рефлектора 
Погрішність, % випромінювача, град 
За результатами експериментів максимальна розбіжність між теоретично 
розрахованими та виміряними параметрами фронту ультразвукового 
випромінювання не перевищує ≈15%, що є прийнятним для задач технічної 
діагностики та виявлення меж у складних середовищах [3, 5]. Це підтверджує 
адекватність запропонованої математичної моделі та можливість її використання 
при проектуванні ультразвукових систем виявлення меж об’єктів. 
 
2.2. Створення математичної моделі ультразвукового способу 
відстеження контурів об’єкта 
Постановка задачі. Подальше підвищення точності виявлення меж об’єктів 
можливе за рахунок використання інформації не лише про подовжні, а й про 
зсувні (поперечні) ультразвукові хвилі. Подовжні хвилі, як правило, 
характеризують пружні властивості середовища та міжмолекулярні сили 
відштовхування, тоді як зсувні – в’язкі властивості та сили тяжіння між 
частинками. Методи високоточних вимірювань швидкості подовжніх хвиль у 
газах і рідинах добре опрацьовані та широко використовуються, зокрема в 
далекометрії та неруйнівному контролі [2,3,8]. Натомість зсувні хвилі в рідинах і 
газах сильно затухають на відстанях, співмірних з довжиною хвилі, і майже не 
застосовуються. 
Це мотивує розробку математичної моделі, що дозволяє опосередковано 
оцінювати відстань до межі об’єкта за результатами вимірювань поглинання та 
дисперсії швидкості ультразвуку (у тому числі при збудженні зсувних режимів) 
методами молекулярної акустики. Такий підхід може бути корисним, наприклад, 
при контролі покриттів, корозійних дефектів та меж шарів у трубопроводах і 
зварних з’єднаннях [5,8,13–16]. 
Фізичні основи моделі. За швидкістю ультразвуку можна визначати 
стисливість, відношення теплоємностей, модулі пружності тощо, а за 
коефіцієнтом поглинання – в’язкі характеристики, час релаксації та, як наслідок, 
прив’язати зміни цих параметрів до відстані до межі [2]. У пружному середовищі, 
зіставляючи експериментально виміряну швидкість звуку з розрахунковою за 
 29 
вибраною моделлю, можна оцінити ймовірність адекватності моделі та параметри 
міжмолекулярної взаємодії. 
При наявності релаксаційних процесів частина енергії поступального руху 
молекул, отримана з хвилі, переходить у внутрішні ступені свободи (обертальні, 
коливальні). У цьому разі виникає дисперсія швидкості звуку, а добуток 
коефіцієнта поглинання на довжину хвилі має максимум на частоті релаксації. 
Величина дисперсії та коефіцієнта поглинання залежить від того, які саме ступені 
свободи збуджуються, а частота релаксації (обернена до часу релаксації τ) 
характеризує швидкість обміну енергією між ними. 
Ультразвук є зручним інструментом для таких досліджень завдяки високій 
точності вимірювань, можливості формувати вузькі пучки та працювати на 
частотах, за яких допустиме поглинання й забезпечується достатній акустичний 
шлях. Частоти в газах зазвичай лежать у діапазоні 2⋅104 – 105 Гц, у рідинах і 
твердих тілах – приблизно 105–108 Гц [2]. 
Кутова спрямованість випромінювання суттєво впливає на можливість 
локалізованого виявлення меж. Відомо, що чим більший діаметр п’єзоелемента 
порівняно з довжиною хвилі, тим вужчим є пучок ультразвуку. Наприклад, для 
частоти 1 МГц, щоб кут розбіжності пучка не перевищував 10° (~0,2 рад), 
достатньо діаметра п’єзоелемента близько 20 мм. Це безпосередньо підвищує 
контраст при виявленні країв та переходів середовищ. 
Математичний опис загасання та дисперсії. Поглинання звуку в 
середовищі з в’язкістю та теплопровідністю описується виразом 
2 4  1 1 
a          
3  ,     (2.1) 
2c  3 C C 
   p 
де ρ – густина середовища; �� – швидкість звуку; ω – кругова частота;  
η і ξ – коефіцієнти зсувної та об’ємної в’язкості; χ – коефіцієнт теплопровідності; 
Cp, Cv – теплоємності при сталому тиску та об’ємі. 
Якщо η, ξ, χ не залежать від частоти, то виконується α∼ω2. За наявності 
релаксаційних процесів реальне поглинання значно перевищує це оцінне 
значення; тоді використовують релаксаційну формулу 
 30 
2    C2 C2
1  0 
   ,    (2.2) 
2C3 122
0
де τ – час релаксації; α0 і α∞ – коефіцієнти поглинання при ωτ≪1 та ωτ≫1. 
Величина α/f2, де f=ω/2π, часто використовується як характеристика 
речовини. 
Для опису температурної залежності швидкості ультразвуку в повітрі при 
нормальному тиску застосовують емпіричний вираз: С=С0+0,59·t, де С швидкість 
звуку при температурі t, °C; С0 – швидкість при 0 °C; 0,59 – коефіцієнт, що 
враховує властивості сухого повітря, м/(°C·с). 
Визначення швидкості та коефіцієнта загасання. У більшості 
експериментальних схем швидкість ультразвуку визначають за часом пробігу 
імпульсу τ на відомій довжині шляху l: 
с=l / τ        (2.3) 
Звідси l = с ⋅ τ. 
Коефіцієнт загасання в імпульсних режимах (для газів, рідин і твердих тіл) 
визначають за зміною амплітуди між двома точками вимірювання або за 
випромінюванням–відбиттям: 
1 A
  ln 1 ,      (2.4) 
h A2
де h – товщина зразка; A1, A2 – амплітуди сигналів на випромінювачі та приймачі. 
Для опису зв’язку акустичних параметрів (швидкості та загасання) з 
в’язкопружними властивостями матеріалу використовують модель 
в’язкопружного тіла з довільною кількістю максвеллівських механізмів. 
Комплексний модуль пружності запишемо у вигляді: 
n i
    j
E  E   i   E0  i  
j1 1 i j
   (2.5) 
 n E 22   n 
j j  j
 E0    i  
2 2     2 2  ,

 j1 1   j   j1 1   j 
 31 
де E0 – рівноважний (статичний) модуль; η∞ – «нерелаксуюча» в’язкість;  
Ei, ηi, τi – модуль пружності, в’язкість та час релаксації i-го механізму;  
n – кількість релаксаційних механізмів. 
Швидкість та коефіцієнт загасання пов’язані з модулем E∗ такими 
залежностями: 
2
E 21 r2  12r2 1
c   ;   (2.6) 
 2r2
 1 2r2 1
    ,     (2.7) 
E 21 2r2 
де ωr – має розмірність часу і називається часом запізнювання. 
Звідси можна отримати залежності для ефективних пружної та в’язкої 
складових [2]: 
2
1 c 
E   c2 
,     (2.8) 
2
 2
1 c
 

 
c
22
    .    (2.9) 
2
  2
1
 c  
  
Ефективну в’язкість представляють як суму зсувної та об’ємної складових: 
4
     ,     (2.10) 
3
де η' – зсувна в’язкість, що пов’язує швидкість деформації зсуву з 
тангенціальними напруженнями (переважний внесок за частот нижче 1 МГц);  
η'' – об’ємна в’язкість, що визначає дисипацію при рівномірному 
стисканні/розширенні (домінує на частотах понад 3 МГц). 
Таким чином, знаючи частотні залежності швидкості й загасання, можна 
оцінити в’язкопружні параметри матеріалу та, у кінцевому рахунку, пов’язати їх 
зі зміною при наближенні до межі об’єкта (краю, дефекту, межі шарів). 
 
 32 
Експериментальна схема для валідації моделі. Для експериментальної 
перевірки моделі запропоновано принципову схему установки, що дозволяє 
оцінювати акустичні параметри середовища й відстань до межі об’єкта (рис. 2.5). 
Вона складається з генератора імпульсів, цифрового осцилографа з передаванням 
даних на комп’ютер та п’єзокварцових перетворювачів – випромінювача і 
приймача. 
Електричний імпульс з генератора подається на випромінювач та перший 
канал цифрового осцилографа. Випромінювач перетворює сигнал на механічні 
коливання, які після відбиття від межі об’єкта фіксуються приймачем і 
реєструються другим каналом осцилографа. Вихідний сигнал містить інформацію 
про амплітуду та частоту, що дає змогу за формулами (2.3), (2.4), (2.6), (2.7) 
визначити швидкість поширення, коефіцієнт загасання та, відповідно, відстань до 
межі. 
 
Рисунок 2.5 – Принципова схема експериментальної установки для оцінки 
параметрів моделі ультразвукового виявлення меж 
 
На основі виміряних параметрів формують криві залежності точності 
визначення відстані від коефіцієнта загасання та швидкості ультразвуку (рис. 2.6). 
Отримані графіки демонструють чутливість точності оцінки відстані до змін 
акустичних параметрів. Це підтверджує можливість використання описаної 
математичної моделі як основи для ультразвукового виявлення меж об’єктів з 
урахуванням в’язкопружних властивостей середовища [2, 3, 8]. 
 33 
 
Рисунок 2.6 – Залежність точності визначення відстані до межі об’єкта від 
коефіцієнта загасання та швидкості ультразвуку 
 
2.3. Модель керування процесом ультразвукового стеження за краями 
об’єктів 
Сучасні ультразвукові далекомірні системи активно застосовують для 
визначення відстані до твердих поверхонь та їх меж у газових і рідинних 
середовищах. У таких умовах процес взаємодії ультразвукової хвилі з поверхнею 
є складним багатофакторним явищем, що включає пружні коливання, відбиття, 
розсіювання та вплив властивостей середовища. Традиційні аналітичні підходи до 
моделювання часто виявляються недостатньо гнучкими, оскільки потребують 
врахування великої кількості параметрів і режимів роботи випромінювача, а 
отримати замкнені аналітичні залежності інколи неможливо [1, 4]. 
У зв’язку з цим перспективним є використання апарату нечіткої логіки та 
інтелектуальних систем керування, які дозволяють формалізувати емпіричні 
знання та експертні оцінки для побудови моделей процесу виявлення меж без 
явної повної аналітичної моделі [7, 10–12]. 
Концепція нечіткої моделі. Метою є побудова моделі, яка, спираючись на 
вимірювані параметри ультразвукового поля та властивостей поверхні, видає 
оцінку якості та точності визначення відстані до межі. Вхідні та вихідні змінні в 
такій моделі задаються в лінгвістичній (нечіткій) формі, а зв’язки між ними – 
через базу правил типу «якщо–то». 
 34 
Як вихідні змінні вводимо три рівні якості визначення відстані: 
��1 – висока точність визначення відстані до межі; 
��2 – прийнятна (підвищена) точність; 
��3 – низька точність (невизначеність положення межі). 
Розглядаємо їх як множину 
D = {d1, d2, d3}.      (2.11) 
Як вхідні змінні вибираємо параметри, що впливають на точність 
локалізації межі в процесі ультразвукового виявлення: 
��1 – «щільність» (узагальнений параметр фізико-механічних властивостей 
поверхні); 
��2 – інтенсивність ультразвукових коливань; 
��3 – щільність ультразвукової енергії (показник розподілу енергії в об’ємі); 
��4 – частота ультразвукових коливань. 
Формалізація цих параметрів лінгвістичними змінними наведена в табл. 2.3. 
 
Таблиця 2.3 - Формалізація параметрів стану лінгвістичними змінними для 
виявлення меж 
Параметр стану Універсум Лінгвістичні терми 
x1 – «щільність» 
[0…1] ум. од. малі (м), середні (ср), щільні (щ) 
поверхні 
x2 – інтенсивність УЗ низька (н), середня (ср), висока (в), 
[5…20] Вт/м² 
коливань дуже висока (дв) 
x3 – показник розподілу [1/3…3] ум. 
низький (н), середній (ср), високий (в) 
енергії од. 
низька (н), середня (ср), висока (в), 
x4 – частота УЗ коливань [22…66] кГц 
дуже висока (дв) 
 
Для спрощення структури моделі вводимо укрупнені лінгвістичні змінні: 
 Q – стан, що характеризує фізико-механічні властивості поверхні (залежить від 
x1); 
 35 
 Y – стан, що описує енергетичні параметри ультразвукового поля (залежить від 
x2, x3, x4). 
Тоді модель можна подати як дерево логічного висновку (рис. 2.7) зі 
співвідношеннями виду: 
d  fd Q,Y  ,     (2.12) 
Q  fQ x1  ,      (2.13) 
Y  fY x2 ,x3 ,x4  ,     (2.14) 
де d – лінгвістична оцінка якості визначення відстані до твердої межі (d∈D). 
Для укрупнених змінних Q та Y також задаємо лінгвістичні значення (табл. 
2.4). 
 
Таблиця 2.4 - Формалізація укрупнених параметрів стану лінгвістичними 
змінними 
Укрупнений параметр стану Терми для лінгвістичної оцінки 
Q - фізико-механічні властивості 
високі (в), середні (ср), низькі (н) 
поверхні 
Y - енергетика ультразвукової низька (н), середня (ср), висока (в), 
далекометрії дуже висока (дв) 
 
d1
X1 Q
d2
в ср н
d3
f d (Q, Y)
X2
X3 Y
X4 дв в ср н
 
Рисунок 2.7 - Дерево логічного висновку нечіткої моделі виявлення меж об’єкта  
 36 
Далі формуємо нечітку базу знань – набір правил «якщо–то», які пов’язують 
Q, Y з оцінкою d (табл. 2.5), параметр x1 – з Q (табл. 2.6), та x2, x3, x4 – з Y (табл. 
2.7). 
 
Таблиця 2.5 – База знань для співвідношення (2.12) (якість визначення межі) 
Q Y D 
в н 
в ср 
в в 
ср в 
ср в d1 
ср дв 
н н 
н ср 
н ср 
н н 
н ср 
н в 
ср ср 
ср н d2 
ср в 
в ср 
в н 
в дв 
н н 
н ср 
н ср 
ср н 
ср ср d3 
ср ср 
в н 
в в 
в ср 
 37 
 
Таблиця 2.6 - База знань для співвідношення (2.13) 
х1 Q х1 Q х1 Q 
м в пл ср ср н 
 
Таблиця 2.7 - База знань для співвідношення (2.14) 
х2 х3 х4 Y 
н н н 
н 
ср н ср 
ср ср в 
в ср н ср 
н ср в 
в в в 
ср в ср в 
дв в в 
дв дв в 
дв 
в дв н 
 
На основі табл. 2.5–2.7 формують систему нечітких логічних рівнянь, що 
зв’язують функції приналежності для вхідних змінних ��1…��4 з функцією 
приналежності вихідної змінної d. 
Реалізація моделі та інтерпретація результатів. Математична модель 
експертної системи керування процесом ультразвукового виявлення меж твердих 
поверхонь реалізована, наприклад, у середовищі Matlab у вигляді поверхонь 
нечіткого виводу (рис. 2.8): 
í ñ Q ù x  í x 
d 1 2
 1 d       
í
 Y  í x3  
í x4  
í ñ Q ù x1  
í x 2
  
ñð
 Y  í x  í
3 x4  
í ñ Q ù x1  
ñð x 2
  
â
 Y  ñð x3  
ñð x4  
í ñ Q ù x  äâ
 1 x2  38 
  
â
 Y  â x3  
â x4  
í ñ Q ù x  äâ
1 x2 
   ;

â Y  â x3  
äâ x4  
í ñ Q ù x  í x 
d 1 2
1 d     

í Y  í x í
3   x4  
í ñ Q ù x  í x 1 2
  
ñð
 Y  í x  í
3 x4  
í ñ Q ù x ñð
1   x2 
     
â Y  ñð x  ñð
 3 x4  
í ñ Q ù x  äâ x 1 2
  
â
 Y  â x  â
3 x4  
í ñ Q ù x äâ 
1   x2 
   ;

â Y  â x  äâ
3 x4  
í ñ Q ñð x1  
í x 2
d2 d     
í
 Y  í x3  
í x4  
í ñ Q ñð x1  
í x2 
   
ñð
 Y  í x í
3   x4  
í ñ Q ñð x1  
ñð x2 
     
â Y  ñð x  ñð
 3 x4  
í ñ Q ñð x  äâ x 1 2
  

â Y  â x3  
â x4  
í ñ Q ñð x  äâ x 1 2
  ;

â Y  â x3  
äâ x4  
í ñ Q ù x  í
1 x2 d
 3 d     
í
 Y  í x3  
í x4  
í ñ Q ù x1  
í x 
2 
   
ñð Y  í
 x í
3   x4  
í ñ Q ù x  ñð x 1 2
     
â
 Y  ñð x3  
ñð x4  
í ñ Q ù x1  
äâ x 
2 
   
â
 Y  â x3  
â x4  
í ñ Q ù x1  
äâ x2 
   ;
â
 Y  â x  äâ
3 x4  
 39 
í ñ Q  ù
 x1  
í x2  
í x3  
í x4  
 ù x  í
 1 x2  
í x3  
ñð x 
4  
 ù x  ñð x  ñð x  ñð
 
1 2 3 x4  
 ñð x ñð ñð ñð
 
1   x2   x3   x4    
 ñð
 x1  
â x ñð
2   x3  
â x 
4  
 â x  äâ
 1 x2  
ñð x  äâ
3 x4  
 
â x1  
äâ x2  
â x  äâ
3 x4  ;
í Y   í
 x3  
í x4 
ñð í
   x   x 3 4  .  
Математична модель експертної системи управління процесом визначення 
відстані до твердих поверхонь з використанням теорії нечітких великих 
кількостей візуалізована в середовищі Matlab 6.5 у вигляді поверхонь нечіткого 
виводу, рис.2.8. 
 
а. 
 
б. 
Рисунок 2.8 - Приклади поверхонь нечіткого виводу для оцінки точності 
виявлення межі: а) залежність від параметра поверхні Q; б) залежність від часу 
визначення відстані; в) залежність від енергетики УЗ випромінювання Y 
 40 
 
в. 
Продовження рисунку 2.8. 
 
Отримані графічні залежності демонструють, як змінюється оцінка d (якість 
визначення межі) за зміни фізико-механічних параметрів поверхні, частоти, 
інтенсивності та розподілу енергії ультразвуку. Це дозволяє: 
- обирати раціональні режими роботи ультразвукового випромінювача; 
- адаптивно налаштовувати систему під конкретний об’єкт і тип межі; 
- зменшити чутливість вимірювань до невизначеності параметрів середовища. 
Використання апарату нечіткої логіки узгоджується із сучасними підходами 
до керування складними технічними системами та обробки даних у неруйнівному 
контролі [7, 10–12]. У поєднанні з математичними моделями поширення хвиль 
(підрозділи 2.1–2.2) така нечітка модель утворює основу інтелектуальної системи 
ультразвукового виявлення меж об’єктів, здатної працювати в реальному часі та 
враховувати як фізичні закони, так і емпіричні експертні знання [2, 3, 9]. 
  
 Висновки до розділу 2 
1. Запропоновано узагальнену математичну модель формування фронту 
ультразвукової хвилі, яка встановлює кількісний зв’язок між параметрами 
випромінювача (частота, площа та форма поверхні випромінювання) та 
ключовими характеристиками фронту в зоні межі об’єкта – частотним складом, 
інтенсивністю та геометрією зони взаємодії. 
2. Показано, що на першому етапі синтезу випромінювача критичним є зв’язок 
між частотою ультразвукових коливань і середньомедіанним діаметром зони 
 41 
контакту з межею, що дає змогу цілеспрямовано задавати просторову роздільну 
здатність системи виявлення меж на основі відомих фізичних параметрів 
середовища. 
3. Обґрунтовано методику визначення площі активної поверхні випромінювання 
за заданою продуктивністю формування фронту, що забезпечує необхідний 
рівень енергетики ультразвукового поля в зоні межі без надмірних 
енергетичних витрат та з урахуванням вимог до стабільності роботи 
далекометричної системи. 
4. Доведено суттєвий вплив форми поверхні випромінювача та кута β на 
поперечні розміри фронту хвилі, встановлено нелінійний характер залежності 
діаметра зони взаємодії від кута β та виділено діапазон оптимальних значень 
β∈[20°; 180°], у якому досягається ефективне покриття зони межі без істотного 
збільшення ширини пучка. 
5. Експериментальна перевірка розробленої моделі на ряді практичних 
конструкцій випромінювачів показала розбіжність теоретичних і 
експериментальних параметрів фронту не більше ≈15%, що підтверджує її 
адекватність і придатність для інженерного проектування ультразвукових 
систем виявлення меж об’єктів у складних середовищах. 
 42 
РОЗДІЛ 3 
ПРОЄКТУВАННЯ СХЕМИ КЕРУВАННЯ ТА РОЗРОБЛЕННЯ 
ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВІДСТЕЖУВАЧА 
 
3.1. Структурна схема ультразвукового відстежувача 
Концептуальна структура розроблюваного ультразвукового відстежувача 
наведена на рис. 3.1. 
1 
 3 5 
 
2 
4 6 
7 
8 
Рисунок 3.1 - Структурна схема системи керування одноканальним 
ультразвуковим відстежувачем: 1 – контролер шини CAN; 2 – мікроконтролер 
керування; 3 – 16-розрядний лічильник часу; 4 – формувач пачки імпульсів;  
5 – ультразвуковий приймач; 6 – ультразвуковий випромінювач; 7 – дільник 
частоти; 8 – опорний кварцовий генератор. 
 
Функціонально систему ультразвукового відстежування поділено на два 
логічні вузли: сенсорний вузол (вузол а) – реалізує цикл вимірювання дальності 
та, за запитом, передає результати вимірювань по каналу зв’язку; приймально-
керувальний вузол (вузол б) – ініціює вимірювальний цикл, обробляє отриману 
інформацію та виконує функції контролера-«майстра» у мережі. 
Обмін даними між вузлами здійснюється по послідовній шині CAN, що 
 43 
забезпечує надійність передачі, масштабованість системи та можливість 
розширення до багатовузлових конфігурацій, характерних для сучасних 
вимірювальних і діагностичних комплексів [2,3,8,15]. 
Сенсорний вузол побудовано за принципом імпульсного локатора. 
Мікроконтролер із періодом близько 100 мс формує запускальний імпульс, який: 
подає сигнал на формувач пачки імпульсів; одночасно запускає 16-розрядний 
лічильник часу. 
Формувач пачки генерує послідовність імпульсів частотою 40 кГц 
тривалістю ≈40 мкс, що подаються на ультразвуковий випромінювач (блок 6 на 
рис. 3.1). Сформований ультразвуковий сигнал поширюється в повітряному 
середовищі, відбивається від об’єкта та повертається до приймача (блок 5). 
Фронт першого прийнятого імпульсу: зупиняє лічильник часу; формує 
сигнал завершення вимірювального циклу. 
Після надходження цього сигналу мікроконтролер зчитує значення, 
накопичене в лічильнику, і на його основі обчислює поточну відстань до об’єкта. 
Дільник частоти (блок 7) формує потрібні тактові сигнали для усіх вузлів схеми, а 
кварцовий генератор (блок 8) забезпечує необхідну стабільність опорної частоти, 
що критично для точності вимірювання часу пролітання імпульсу [1, 4, 6]. 
Максимальна вимірювана відстань визначається насамперед потужністю 
випромінювача й чутливістю приймача. Якщо відбитий сигнал не досягає 
приймача, лічильник продовжує рахунок до 2¹⁶ імпульсів, після чого автоматично 
зупиняється та формує сигнал завершення відліку, що інтерпретується як 
відсутність коректного еха в заданому часовому вікні. 
У низькочастотному діапазоні ультразвуку як випромінювачі 
застосовуються електродинамічні, магнітострикційні та п’єзоелектричні 
перетворювачі, причому останні мають найширше поширення завдяки високому 
ККД та компактності [2, 8, 16]. П’єзоелектричний ефект дає змогу перетворювати 
електричні коливання на механічні, використовуючи матеріали типу кварцу, 
титанату барію, фосфату амонію тощо. ККД таких перетворювачів може досягати 
~90%, а інтенсивність випромінювання – десятків Вт/см². Для підвищення 
 44 
інтенсивності та амплітуди використовують ультразвукові концентратори; у 
діапазоні середніх частот це зазвичай фокусуючі системи з увігнутим 
п’єзоелектричним елементом, у фокусі яких досягається інтенсивність порядку 
10⁵–10⁶ Вт/см² [2, 3, 8]. 
У ролі приймачів у низько- та середньочастотному діапазонах найчастіше 
застосовують п’єзоелектричні перетворювачі, здатні відтворювати часову форму 
акустичного сигналу. Залежно від призначення приймачі проєктують як 
резонансні (для максимальної чутливості) або широкосмугові (для коректної 
реєстрації коротких імпульсів). Для усередненого за часом оцінювання 
акустичного поля використовують також термічні приймачі (термопари, 
термістори зі звукопоглинальним покриттям) і оптичні методи (дифракція світла 
на ультразвукових хвилях) [2, 3, 8, 16]. 
 
3.2. Проєктування структурної схеми відстежувача з детальним описом 
роботи його окремих функціональних вузлів 
Принципова електрична схема ультразвукового відстежувача наведена в 
додатку А. З погляду керування й апаратної реалізації її доцільно поділити на 
п’ять основних функціональних блоків: блок живлення; блок передавача 
(випромінювання); блок приймача; блок індикації; блок цифрового керування. 
Нижче розглянуто особливості побудови та роботи кожного з них. 
Блок живлення. Принципова електрична схема блока живлення подана на 
рис. 3.2. 
 
Рисунок 3.2 – Принципова електрична схема блока живлення системи 
керування ультразвукового відстежувача 
 
 45 
Після вмикання мережевого вимикача S1 на первинну обмотку 
трансформатора TV1 подається змінна напруга 220 В. На вторинній обмотці 
формується знижена змінна напруга близько 7,5 В. Далі через діодний міст V1–V4 
напруга випрямляється; з урахуванням падіння на діодах отримується випрямлена 
нестабілізована напруга близько 7 В. 
Електролітичний конденсатор С2 згладжує пульсації випрямленої напруги, 
а керамічний конденсатор С1 додатково фільтрує високочастотні мережеві завади. 
Надалі напруга стабілізується інтегральним стабілізатором DA1, після чого 
конденсатори С3 і С4 забезпечують фільтрацію високочастотної та 
низькочастотної складових відповідно. 
Діодний міст V1–V4 зібрано на кремнієвих низькочастотних діодах з 
максимальною робочою напругою до 100 В і струмом не більше 10 А. 
Інтегральний стабілізатор КР142ЕН5В (DA1) забезпечує: вихідну напругу Uвих ≈ 
5 В; максимальний струм навантаження до 1,5 А; розсіювану потужність до 10 Вт; 
«плюсову» схему підключення. 
Така реалізація блока живлення є типовою для мікроконтролерних систем 
керування, що працюють із цифровими та аналоговими вузлами одночасно. 
Блок передавача. Принципова електрична схема блока передавача показана 
на рис. 3.3. 
 
Рисунок 3.3 - Принципова електрична схема передавального 
(випромінювального) блока ультразвукового відстежувача 
 46 
Блок побудовано за схемою підсилювача з загальним емітером, який працює 
у ключовому режимі та керується вихідною лінією мікроконтролера DD2. Струм, 
що знімається з виводів мікроконтролера, не повинен перевищувати 20 мА при 
напрузі 5 В. Із закону Ома отримаємо мінімальний опір керувального резистора: 
�� = ��/�� = 5/0,020 = 250 Ом. 
Для резистора R14 обрано стандартний номінал 300 Ом, що забезпечує 
запас по струму та стійкішу роботу каскаду. Резистор R15 задає режим по 
постійному струму для транзистора Т5, у тому числі заряд паразитної ємності, і 
підібраний відповідно до типової схеми включення. 
Як випромінювач Qz2 використано п’єзокерамічний ультразвуковий 
перетворювач МУП-3 з достатньо високою ефективністю. Його основні 
параметри наведено в табл. 3.1. 
 
Таблиця 3.1 – Основні параметри п’єзокерамічного ультразвукового 
перетворювача МУП-3 
Найменування параметра, одиниця виміру Значення 
Частота максимальної передачі, кГц 37…45 
Звуковий тиск на відстані 0,3 м при  
100 
Uвх=5 В на частоті максимального випромінювання, дБ 
Чутливість на частоті максимального прийому, мВ/Па 20 
Ширина смуги випромінювання по рівню 0,5, кГц 1,8 
Ширина смуги прийому по рівню 0,5, кГц 1,0 
Діаграма спрямованості, Град  
По рівню 0,7 макс. 44 
По рівню 0,5 макс. 74 
Ємність на частоті 1 кГц, пФ 1300 
Вхідний імпеданс на частоті максимального випромінювання, кОм 0,5 
Граничне допустиме значення напруги сигналу на вході, В 12 
 
 47 
У блоці застосовано біполярні n-p-n транзистори типу КТ972 зі такими 
основними параметрами: 
- максимальна імпульсна напруга колектор-база Uкбоі = 60 В; 
- максимальна імпульсна напруга колектор-емітер Uкеоі = 60 В; 
- максимальний імпульсний струм колектора Iкmaxі = 4000 мА; 
- максимально допустима розсіювана потужність колектора Pкmaxт = 8 Вт (за 
наявності тепловідведення); 
- статичний коефіцієнт передачі струму h₂₁е ≥ 750; 
- зворотний струм колектора Iкбо ≤ 1000 мкА; 
- гранична частота fгр ≥ 200 МГц; 
- напруга насичення «колектор-емітер» Uкен < 1,5 В. 
Такі параметри дають змогу надійно керувати ультразвуковим 
перетворювачем у ключовому режимі при формуванні потужних імпульсів у 
необхідному частотному діапазоні [2, 8, 15]. 
 Блок приймача. Принципова електрична схема приймального блока 
наведена на рис. 3.4. 
 
Рисунок 3.4 – Принципова електрична схема приймального блока 
ультразвукового відстежувача 
 
 48 
Приймач реалізовано у вигляді підсилювача з загальним емітером. 
Максимальний коефіцієнт підсилення визначається відношенням резисторів R19 і 
R22:    ��max ≈ ��19/��22 = 10000/10 = 1000. 
Резистори R16 та R18 формують подільник напруги й стабілізують робочу 
точку транзистора Т6. Їх співвідношення визначає режим роботи каскаду. 
Резистор R13 підтягує вихід приймача до «землі» за відсутності сигналу, а R17 
задає чутливість ультразвукового датчика Qz3. 
Конденсатори С7 і С8 блокують постійну складову сигналу та виконують 
роль розділових елементів. Як приймач Qz3 використано п’єзокерамічний 
перетворювач МУП-4 із підвищеною чутливістю. Його основні характеристики 
наведено в табл. 3.2. 
 
Таблиця 3.2 – Основні параметри п’єзокерамічного ультразвукового 
перетворювача МУП-4 
Найменування параметра, одиниця виміру Значення 
Частота максимальної передачі, кГц 37…45 
Звуковий тиск на відстані 0,3 м при Uвх=5В на частоті максимального 
96 
випромінювання, дБ 
Чутливість на частоті максимального прийому, мВ/Па 30 
Ширина смуги випромінювання по рівню 0,5, кГц 0,5 
Ширина смуги прийому по рівню 0,5, кГц 0,5 
Діаграма спрямованості, Град  
По рівню 0,7 макс. 45 
По рівню 0,5 макс. 70 
Ємність на частоті 1 кГц, пФ 2500 
Вхідний імпеданс на частоті максимального випромінювання, кОм 0,2 
Граничне допустиме значення напруги сигналу на вході, В 12 
 
Таке поєднання параметрів випромінювача й приймача забезпечує 
потрібний динамічний діапазон і чутливість системи, придатні для задач 
відстежування та контролю [2,3,8,16]. 
 49 
Блок індикації. Принципова електрична схема блока індикації наведена на 
рис. 3.5.  
 
Рисунок 3.5 – Принципова електрична схема блока індикації відстані 
ультразвукового відстежувача 
 
У блоці індикації використано дешифратор DD1 для керування 
семисегментними індикаторами. Дешифратор перетворює вхідний двійковий код 
у набір сигналів для сегментів індикатора. Резистор R20 підтягує вхід дозволу 
роботи дешифратора до шини +5 В. Резистори R5–R11 обмежують струм через 
сегменти індикаторів, а R1–R4 обмежують струм баз транзисторів Т1–Т4, 
запобігаючи перевантаженню виходів мікроконтролера. 
Транзистори Т1–Т3 комутують живлення індикаторів, транзистор Т4 – 
керує увімкненням десяткової точки. Світлодіодні семисегментні індикатори 
відображають числову інформацію про виміряну відстань. На вході живлення 
індикатора формується напруга приблизно 4,5 В (через емітерний повторювач на 
транзисторах Т1–Т3), оскільки на переході база-емітер присутнє падіння ≈0,5 В: 
5–0,5=4,5 В. 
 50 
Граничний струм через виводи мікроконтролера не повинен перевищувати 
20 мА при напрузі 5 В, тому для R1–R4 обрано номінал 300 Ом (розрахунково 250 
Ом). Згідно з технічними даними індикаторів, їх робоча напруга не має 
перевищувати ~2,5 В при струмі 20 мА, тому надлишкові 2 В гасяться 
резисторами R5–R11 (розрахунок: 2 В / 0,02 А = 100 Ом). 
Як індикатори HL1…HL3 застосовано червоні цифрові індикатори типу 
КЛЦ202В (арсенід галію-алюмінію) з висотою знака 20 мм, що складаються з 
дискретних світлодіодних сегментів і децимальної точки. При відповідних 
комбінаціях керувальних сигналів можна відображати цифри від 0 до 9 та 
десяткову крапку. 
У блоці індикації використано біполярні транзистори n-p-n типу КТ3102 з 
такими параметрами: 
Uкбоі = 50 В – максимальна імпульсна напруга колектор-база; 
Uкеоі = 50 В – максимальна імпульсна напруга колектор-емітер; 
Iкmaxі = 200 мА – максимальний імпульсний струм колектора; 
Pкmaxт = 0,25 Вт – максимально допустима розсіювана потужність; 
h₂₁е ≥ 200 – коефіцієнт передачі струму; 
Iкбо ≤ 0,05 мкА – зворотний струм колектора; 
fгр ≥ 150 МГц – гранична частота. 
Таке рішення забезпечує надійну й наочно-цифрову індикацію результатів 
вимірювання без перевантаження мікроконтролера. 
Блок цифрового керування. Принципова електрична схема блока цифрового 
керування подана на рис. 3.6. 
У ролі керувального обчислювального ядра використано однокристальний 
мікроконтролер PIC16C84, підключений відповідно до рекомендацій виробника. 
Між виводами живлення (14 і 5) встановлено керамічний конденсатор С9 для 
локального фільтрування пульсацій напруги. До виводів OSC1 та OSC2 
підключено керамічний резонатор QZ1, а конденсатори С5 і С6 формують 
коректний режим його роботи. 
 
 51 
 
Рисунок 3.6 - Принципова електрична схема блока цифрового керування 
ультразвуковим відстежувачем 
 
Вхід 1 мікроконтролера підтягується до «землі» через резистор R12 (1 кОм), 
що забезпечує захист від перешкод у разі розімкненого стану кнопки S2. 
Ланцюжок R21–C10 реалізує типову схему підключення входу MCLR (скидання 
при подачі живлення) і задає необхідну затримку для стабільного старту 
мікроконтролера. 
Керамічний резонатор QZ1 на частоту 4,0 МГц має такі основні 
характеристики: 
 52 
- резонансна частота: 4000 кГц; 
- точність налаштування (при 25 °С): ≈0,3 %; 
- температурний коефіцієнт у діапазоні –20…+80 °С: ≈0,3 %; 
- максимальний резонансний опір: до 30 Ом; 
- вбудований конденсатор: 30 пФ; 
- робочий температурний діапазон: –20…+80 °С. 
Вказана конфігурація забезпечує стабільне тактування та роботу 
програмного забезпечення відстежувача. 
 
3.3. Розроблення та принцип дії програмного забезпечення для 
керування ультразвуковим трекером 
Програму керування (див. додаток Б) структуровано на низку 
взаємопов’язаних підпрограм, що реалізують послідовність операцій від 
ініціалізації апаратних ресурсів до оброблення результатів вимірювання й 
виведення інформації на індикатори. Узагальнену структуру програмного 
забезпечення наведено у вигляді блок-схеми на рис. 3.7. 
Далі докладніше розглянемо логіку роботи основних частин коду. 
Директиви, опис змінних і виконавча частина програми. На початку 
програмного модуля задається список директив і параметрів конфігурації: 
- директива list визначає тип мікроконтролера; 
- підключається файл опису регістрів; 
- формується слово конфігурації CPU, яке при програмуванні записується в 
окрему область пам’яті. 
Слово конфігурації містить 14 біт, які визначають: 
- захист програмного коду (біти CP); 
- захист пам’яті даних EEPROM (DP); 
- дозвіл затримки при включенні живлення PWRTE; 
- режим сторожового таймера WDTE; 
- тип тактового генератора FOSC1–FOSC0. 
 
 53 
початок 
список директив 
файл 
слово CPU 
Опис змінних 
виконавча 
програма 
 
основна  
програма 
підпрограма 
ініціалізації 
підпрограма підпрограма підпрограма 
індикації передачі прийому 
підпрограма підпрограма підпрограма 
натиску кнопки очикування обчислення 
 
Рисунок 3.7 - Узагальнена блок-схема програмного забезпечення керування 
ультразвуковим відстежувачем 
 
У даному проєкті обрано: 
- увімкнений захист програми та EEPROM (відповідні біти встановлено в 0); 
- увімкнену затримку при подачі живлення (PWRTE = 0); 
 54 
- вимкнений «watchdog»-таймер (WDTE = 0); 
- режим тактування XT (FOSC1–FOSC0 = 01) для стандартного 4-МГц резонатора. 
У блоці опису змінних визначаються регістри ОЗУ, у яких зберігатимуться 
службові та вимірювані дані (наприклад, лічильники імпульсів, значення для 
індикації тощо). 
У виконавчій частині програми задається стартова адреса (вектор скидання), 
ініціалізуються порти вводу-виводу (обнулення вихідних клямок PORTA, 
PORTB), скидається таймер TMR0. Установлення біта RP0 в регістрі STATUS дає 
доступ до банку 1, де конфігуруються напрямки ліній портів (ввід/вивід) 
відповідно до принципової схеми (див. додаток А). 
Через біт RBPU регістра OPTION_REG умикається внутрішнє навантаження 
порту B (RBPU = 0). Біт T0CS цього ж регістра визначає джерело тактування 
таймера TMR0; для використання внутрішньої частоти CLKOUT встановлюється 
T0CS = 0. Після налаштування повертаються до банку 0 (RP0 = 0). 
Основна програма main та її логіка. Основна програма main побудована 
переважно на двох операторах переходу: виклик підпрограми call; безумовний 
перехід goto. 
Структурована блок-схема основного циклу програми наведена на рис. 3.8. 
У цьому циклі послідовно викликаються підпрограми: ініціалізації 
(initialization); індикації (indication); опитування кнопки (pressing); формування 
пакета імпульсів (transfer); очікування та прийому сигналу (waiting, reception); 
обчислення відстані (calculation). 
Підпрограма ініціалізації initialization. У підпрограмі initialization: 
обнуляються всі робочі змінні; задаються початкові значення лічильників; 
визначається кількість переданих імпульсів NUMIMP (у проєкті NUMIMP = 5). 
Цей етап забезпечує коректний початковий стан програми перед запуском 
вимірювального циклу. 
 
 55 
 
Рисунок 3.8 - Блок-схема основної програми main для керування 
ультразвуковим відстежувачем 
 
Підпрограма індикації indication. Підпрограма indication керує 
семисегментними індикаторами згідно зі схемою індикації, наведеною на рис. 3.9. 
 
 
 56 
DIGIT1 
значення 
 
0 1 0 0 x x  x x 
 
7 6 5 4 3 2  1 0 біти 
  
DIGIT2   
  
значення  
  
1 0 1 0 x x  x x  
  
7 6 5 4 3 2  1 0 біти 
  
DIGIT3   
 
знач ення 
 
 
 
0 0 0 1 x x  x x  
 
7 6 5 4 3 2  1 0 б іти 
  
PORT B   
  
на дешифратор  
  
  
 
лін ії 
 
 
3 2  1 0 
 
 
 
Дешифратор  
 
 
8 4 2 1 вх ід 
 
4 2 1 5 вивід 
  
 
Рисунок 3.9 – Структурна схема індикації результатів ви м ірювання відстані 
 
  
 
 
У змінних:   
 
 
DIGIT1 зберігається значення десятих часток метра  (дециметри або 
 
міліметри залежно від масштабування); 
DIGIT2 – значення метрів; 
 57 
RB7 
RB6 
RB5 
RB4 
RB3 
RB2 
RB1 
RB0 
DIGIT3 – показник степеня або розряд старшого порядку. 
Перші чотири біти кожної змінної використовуються для формування 
набору сегментів через дешифратор, а окремі біти – для керування живленням 
індикаторів: 
лінії порту B RB0–RB3 – для передавання двійкового коду цифри; 
RB4 – увімкнення індикатора, що відображає DIGIT3; 
RB5 – індикатор DIGIT2; 
RB6 – індикатор DIGIT1; 
RB7 – керування десятковою точкою. 
Таким чином, повний порт B використовується для мультиплексованого 
керування трьома індикаторами; значення змінних по черзі виводяться на порт із 
невеликими затримками (на основі таймера TMR0, наприклад ~256 мкс), завдяки 
чому візуально формується безперервне відображення чисел. 
Підпрограма опитування кнопки pressing. Підпрограма pressing контролює 
стан вимірювальної кнопки, підключеної до лінії RA2 порту A. Якщо на вхід 
подано рівень +5 В (кнопку натиснуто), здійснюється перехід на одну з міток 
основної програми (наприклад main2), яка запускає новий цикл вимірювання. 
Якщо ж кнопка не натиснута – виконується перехід на іншу гілку main, де може 
здійснюватися очікування або інші дії. 
Підпрограма формування імпульсів transfer. Підпрограма transfer формує на 
лінії RA0 порту A послідовність із п’яти імпульсів частотою 40 кГц. З огляду на 
те, що:  
- використовується резонатор 4 МГц; 
- тактова частота мікроконтролера після поділу складає 1 МГц; 
- одна машинна команда виконується приблизно за 1 мкс, 
- тривалість одного періоду сигналу 40 кГц: �� = 1/40000 = 25 мкс. 
Отже, необхідно сформувати один імпульс тривалістю близько 25 мкс, що 
досягається за допомогою відповідних значень таймера TMR0 та затримок у 
програмі. Структуру цієї підпрограми показано на блок-схемі (рис. 3.10). 
 58 
початок 
формуємо сигнал 
заданної тривалості 
формуємо затримку 
заданної тривалості 
 
рахуємо кількість 
імпульсів 
імпуль- ні 
сів 5? 
так 
кінець 
 
Рисунок 3.10 - Блок-схема підпрограми формування імпульсів transfer 
 
Наприкінці підпрограми значення NUMIMP оновлюється для подальшого 
використання в інших підпрограмах (наприклад, у підрахунку прийнятих 
імпульсів). 
Підпрограма очікування waiting. Підпрограма waiting (блок-схема – на рис. 
3.11) реалізує часовий інтервал, протягом якого очікується надходження 
відбитого сигналу. 
На початку вводиться коротка затримка для згасання завад, спричинених 
власним випромінюванням. Далі запускається таймер TMR0 з кроком ≈100 мкс. 
Підрахунок ведеться в дискретах 100 мкс, що дозволяє формувати сумарний час 
очікування до 1 с (100×100×100 мкс). 
 59 
початок 
необхідна 
затримка 
запуск 
таймера 
сигнал так
є? к 
ні 
ні  
таймер так 
TIMER1-1 
дорахов 
≠0  
TIMER1 
=0 
≠0  
 TIMER1=100 
TIMER2 
TIMER2-1 
=0 
 
на indication DIGIT1…3=9 на reception 
 
Рисунок 3.11 - Блок-схема підпрограми очікування waiting 
 
За швидкості звуку ~331,4 м/с це відповідає максимальній відстані, більш 
ніж достатній для заданих умов експлуатації. 
Підпрограма прийому reception. Підпрограма reception реалізує алгоритм 
прийому та фільтрації коректних ехо-сигналів (рис. 3.12). 
 
 60 
початок 
сигнал є? так 
ні 
запускаємо 
таймер 
так таймер ні 
дорахува
в так 
 
таймер так запускаємо сигналу 
дорахува  таймер немає? 
в 
ні ні 
так таймер ні 
 дорахува
в так 
таймер так сигналу 
дорахува немає? 
в 
ні  ні 
NUMIMP-1 
NUMIMP ні 
=0 
так 
на waiting на waiting 
 
Рисунок 3.12 - Блок-схема підпрограми прийому сигналу reception 
 
Перехід у reception здійснюється при виявленні рівня логічної «1» на лінії 
RA1 порту A. Алгоритм передбачає: 
1. Очікування завершення поточного імпульсу (перехід сигналу в «0»). 
 61 
2. Контроль відсутності сигналу впродовж заданого інтервалу. Якщо сигнал 
з’явився раніше – це вважається за перешкоду, підпрограма переривається, а 
система повертається до waiting. 
3. Подальше спостереження появи сигналу в заданому часовому вікні. Якщо 
сигнал не з’явився – також приймається рішення про некоректний імпульс. 
У разі, коли: 
- впродовж контрольного часу сигналу не було, 
- а потім протягом визначеного інтервалу він присутній, 
- вважається, що один імпульс коректно прийнято.  
Лічильник NUMIMP зменшується на 1, і процедура повторюється (перехід 
на внутрішню мітку підпрограми recp6). Прийом триває, доки NUMIMP не стане 
рівним нулю. Після цього викликається підпрограма обчислення calculation. 
Такий підхід дозволяє відсіяти перешкоди й хибні спрацьовування, що є 
важливою складовою надійності ультразвукових вимірювальних систем [2,3,9]. 
Підпрограма обчислення відстані calculation. Блок-схему підпрограми 
calculation наведено на рис. 3.13. 
В основі обчислень – зв’язок між часом проходження ультразвукової хвилі 
та відстанню до об’єкта. За прийнятої швидкості звуку: 
v ≈ 331,4 м/с = 0,3314 мм/мкс. 
Оскільки вимірюється подвійний час проходження (туди й назад), а цільова 
просторово-часова роздільна здатність обрана на рівні до 10 нм, доцільно вести 
підрахунок у квантах часу, за які ультразвук проходить мінімально 20 нм. 
Орієнтовно: 2⋅10−2 мм ≈ 6,035 мкс ≈ 6000 мкс, тобто кожен «крок» часу береться 
близько 6000 мкс. При цьому приблизна похибка становить 35 мкс, що 
накопичується: 57⋅35 ≈ 1995 ≈ 2000 мкс. 
Отже, кожні 57 інтервалів по 6000 мкс виникає сумарна похибка близько 
2000 мкс. Хоча вона становить приблизно третину від заданої точності, її все одно 
враховують у програмі шляхом коригування підсумкового значення часу. 
 
 62 
початок 
обчислюємо початкові  
TIMER1-6 
TIMER1…2 значення 
 ні TIMER1
DIGIT1+1 <0 
так 
 ні TIMER1+6 
LAPSE-1 DIGIT1 
 TIMER1+100 
=10 
TIMER2-1 
так 
ні 
LAPSE DIGIT1-1 ні TIMER2
=0 DIGIT2+1 <0 
так так 
LAPSE=57 ні DIGIT2 
TIMER1+2 =10 
так 
DIGIT2-1 
DIGIT3+1 
ні DIGIT3 
=10 
так 
 
DIGIT3-1 
кінець 
 
Рисунок 3.13 - Блок-схема підпрограми обчислення відстані calculation 
 63 
Таким чином, підпрограма calculation: 
- перетворює кількість відліків таймера у часовий інтервал; 
- виконує корекцію похибки; 
- обчислює відстань до об’єкта; 
- готує дані для подальшого відображення в підпрограмі indication. 
Загалом, описана схема керування й програмна реалізація ультразвукового 
відстежувача забезпечують узгоджену роботу апаратних блоків, достатню 
точність вимірювань і надійність фільтрації перешкод. Використані підходи 
можуть бути розширені з урахуванням сучасних методів оптимального 
експерименту, нечіткої логіки та машинного навчання для подальшого 
підвищення точності й адаптивності системи [1, 4, 6, 7, 9, 12–16]. 
 
Висновки до розділу 3 
У структурній схемі ультразвукового відстежувача обґрунтовано розподіл 
системи на два логічні вузли – сенсорний та приймально-керувальний, які 
взаємодіють через шину CAN. Такий підхід забезпечує масштабованість, 
можливість роботи в багатовузлових системах та чіткий поділ функцій: 
вимірювання відстані на рівні сенсорного вузла та управління, оброблення даних і 
індикацію – на рівні «майстра» мережі. 
Показано, що вимірювання відстані реалізовано за принципом імпульсного 
локатора з використанням 16-розрядного лічильника часу, синхронізованого з 
формувачем ультразвукової пачки частотою 40 кГц. Облік часу пролітання 
першого ехо-сигналу, стабілізований кварцовим генератором і дільником частоти, 
дає змогу досягти достатньої точності вимірювання та коректно інтерпретувати як 
наявність, так і відсутність відбитого сигналу в заданому часовому вікні. 
Вибір п’єзоелектричних перетворювачів, як випромінювача й приймача, їх 
параметри (частотний діапазон 37–45 кГц, високий ККД, чутливість, 
спрямованість) та узгодження з підсилювальними каскадами забезпечують 
необхідний динамічний діапазон і чутливість системи.  
 
 64 
РОЗДІЛ 4 
ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ПРОЦЕС ВИГОТОВЛЕННЯ  
УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВІДСТЕЖИВУВАЧА 
 
Технологічний процес виготовлення ультразвукового відстеживувача 
розглядається як центральна складова виробничого циклу, у межах якої вихідні 
матеріали, напівфабрикати та куповані комплектуючі послідовно перетворюються 
на готовий прилад із заданими функціональними та експлуатаційними 
характеристиками. Розроблення такого процесу передбачає попереднє 
опрацювання конструкції на технологічність, групування елементів за 
конструктивними та технологічними ознаками, а також узгодження маршрутів 
виготовлення з організацією виробництва на підприємстві [1, 3]. 
Важливе місце у цьому комплексі займає складання, яке є завершальною 
стадією створення ультразвукового відстеживувача. Під складанням розуміють 
сукупність технологічних операцій, спрямованих на поетапне об’єднання окремих 
деталей та вузлів у складальні одиниці, а далі – у готовий прилад. Послідовність 
з’єднання елементів визначається технічними вимогами, електромеханічними 
зв’язками між вузлами та економічною доцільністю, що узгоджується з 
принципами оптимального планування технологічних процесів та експериментів 
[1, 4, 6]. 
Проєктування технологічного процесу виготовлення ультразвукового 
відстеживувача включає вирішення комплексу взаємопов’язаних задач: 
формування переліку та змісту операцій, добір і модернізацію технологічного 
оснащення, встановлення норм часу та ресурсів, визначення контрольних точок 
якості та коригувальних процедур [2, 3]. Поділ процесу на окремі операції та 
переходи здійснюється на основі аналізу конструкторської документації з 
урахуванням типу виробництва, серійності, номенклатури матеріалів та вимог до 
точності. При цьому операції, де ймовірність браку є найбільшою, доцільно 
розміщувати на ранніх етапах, щоб мінімізувати витрати на подальші стадії 
оброблення й складання [1]. 
 65 
4.1. Типові конструкції ультразвукових відстеживувачів 
Промислові ультразвукові відстеживувачі (УЗ-відстеживувачі) представлені 
широкою номенклатурою модифікацій, що відрізняються діапазоном частот, 
принципами оброблення сигналів, типом застосованих п’єзоперетворювачів і 
схемотехнічними рішеннями систем керування [2, 3, 8, 9]. Попри різноманіття 
конструкцій, їхні технологічні маршрути мають спільні риси: модульну побудову, 
поєднання механічного та електромонтажного складання, а також обов’язкове 
впровадження проміжного та вихідного контролю параметрів. 
Загальний вигляд робочого модуля спроєктованого ультразвукового 
відстеживувача наведено на рис. 4.1. 
 
Рисунок 4.1 – Загальний вигляд робочого модуля ультразвукового 
відстеживувача: 1 – радіатор (вузол тепловідведення); 2 – п’єзовипромінювач;  
3 – ультразвуковий приймач. 
 
У низці конструкцій окремі елементи виконують комбіновані функції. Так, 
корпус може одночасно бути несучим елементом і виконувати роль 
тепловідвідного радіатора, що спрощує конструкцію та підвищує надійність 
виробу. У схему живлення та керування відстеживувача інтегрується блок 
керування, який задає режим роботи п’єзовипромінювача та приймача, забезпечує 
узгодження з обчислювальними засобами й реалізацію алгоритмів діагностики [2, 
8, 9]. Посилання на структурні та електричні схеми подано на рис. 4.2 і рис. 4.3 
(умовні позначення наведені в таблиці 4.1).  
 66 
4.2. Аналіз типових технологічних процесів складання 
4.2.1 Технологічний процес складання ультразвукового відстеживувала 
Відповідно до прийнятої конструкції ультразвукового відстеживувача 
сформовано типовий технологічний процес складання. У його складі виділено 
п’ять основних операцій та вісім переходів, які забезпечують логічну 
послідовність комплектування, підготовки, складання, контролю та пакування 
виробу. Узагальнену послідовність операцій наведено в таблиці 4.2. 
Операція 005. Комплектувальна. Сформувати комплект деталей, вузлів і 
стандартних виробів згідно зі специфікацією та маршрутно-технологічною 
картою (див. табл. 4.2). 
Операція 010. Підготовча. Провести розконсервацію та очищення поверхонь 
деталей і вузлів, а також, за потреби, відновити маркування та перевірити 
цілісність контактних елементів. 
Операція 015. Загальне складання. Встановити радіатор у корпус приладу, 
забезпечивши необхідні посадки та тепловий контакт. 
Закріпити п’єзовипромінювач на радіаторі з дотриманням заданого 
положення та умов тепловідведення. 
Змонтувати блок живлення в корпусі, виконати фіксацію й підготувати його 
до підключення. 
Встановити блок керування та виконати попереднє електромонтажне 
підключення до блока живлення й п’єзоперетворювачів. 
Закріпити ультразвуковий приймач (УЗ-приймач), забезпечивши орієнтацію 
чутливого елемента відповідно до конструктивних вимог. 
Операція 020. Загальний контроль. Виконати контроль правильності 
складання приладу, повноти комплектування та відсутності механічних 
пошкоджень, а також перевірити коректність з’єднання основних електричних 
ланцюгів (див. схему на рис. 4.3). 
Операція 025. Пакування. Провести зовнішній огляд, маркування готового 
виробу та його пакування відповідно до вимог експлуатаційної документації. 
 67 
Таким чином, базовий технологічний маршрут охоплює повний цикл 
складання УЗ-відстеживувача, але ще не враховує спеціалізованих процедур 
налаштування частотних характеристик та параметрів живлення 
п’єзовипромінювача, що є критичними для задач неруйнівного контролю та 
моніторингу стану об’єктів [2,3,8,15,16]. 
 
4.2.2. Схема структурного складу 
Структурна схема складу ультразвукового відстеживувача відображає 
комплектувальну належність кожного елемента (рис. 4.2) і задає ступінь 
розчленованості виробу на вузли, підвузли та окремі деталі. Вона визначає 
характер зв’язків між елементами, акустичними та електричними трактами, а 
також слугує основою для: 
- подальшого проєктування технологічного процесу складання; 
- розроблення графіків забезпечення виробництва комплектуючими; 
- диспетчеризації потоків деталей і вузлів між підрозділами підприємства та 
організаціями-суміжниками. 
УЗ-відстеживувач включає: корпус; радіатор; п’єзовипромінювач; 
ультразвуковий приймач; дві базові складальні одиниці – блок керування та блок 
живлення. 
Структурна схема (рис. 4.2) наочно демонструє, які компоненти входять до 
складу кожного вузла, які елементи є базовими при складанні, а також дозволяє 
визначити оптимальну кількість паралельно виконуваних вузлових операцій. 
 
4.2.3. Технологічна схема складання 
Технологічна схема складання (рис. 4.3) відображає не лише 
комплектувальну належність вузлів, а й реальну послідовність їх приєднання, 
тобто маршрут руху базової деталі через усі операції. Кожна «гілка» такої схеми 
починається з базового елемента (корпус або збірний вузол нижчого рівня) і 
завершується приєднанням до нього вузлів вищого рівня. 
 68 
Для досліджуваного ультразвукового відстеживувача базовою деталлю на 
початковому етапі є корпус. У корпус послідовно монтуються: радіатор 
(забезпечення тепловідведення та механічної опори п’єзовипромінювача); 
п’єзовипромінювач (формування ультразвукового випромінювання з необхідним 
спектром частот); блок живлення; блок керування; ультразвуковий приймач. 
Завершальною стадією технологічної схеми є вихідний контроль, який 
виконує контролер відповідної кваліфікації, після чого виріб допускається до 
пакування та передачі споживачеві. Такий технологічний процес може 
використовуватися як базовий для складання різних модифікацій УЗ-пристроїв, 
що застосовуються у системах неруйнівного контролю, моніторингу 
трубопроводів, резервуарів та інших відповідальних об’єктів [2, 3, 8, 15, 16]. 
Аналіз типової технологічної схеми показує, що найбільша ймовірність 
виникнення браку зосереджена на підготовчих етапах, де відсутній вхідний 
контроль параметрів п’єзовипромінювача та УЗ-приймача. Це створює ризики 
відхилення частотних і амплітудних характеристик від заданих значень, що 
особливо небезпечно для задач високочутливого ультразвукового контролю [2, 8, 
16]. 
Для обґрунтованої модернізації технологічного процесу необхідно 
визначити етапи, на яких слід впроваджувати додаткові контрольні операції, 
орієнтовані на забезпечення відповідності ключових складових вимогам 
конструкції та нормативної документації. 
 
4.3. Удосконалення технологічного процесу 
З метою підвищення якості та стабільності параметрів ультразвукового 
відстеживувача виконаємо детальний аналіз елементної бази й етапів 
технологічного процесу з позиції джерел потенційного браку. 
Складальні одиниці (блок керування та блок живлення). Ці вузли проходять 
повний цикл внутрішнього контролю після закінчення відповідних вузлових 
складань. Усі придатні блоки відповідають заданим електричним параметрам, 
перевіреним за результатами функціональних випробувань (див. табл. 4.3). 
 69 
Деталі корпусу та радіатор. Зазначені елементи проходять вихідний 
контроль у процесі механічного виготовлення. Однак, за умови виконання 
допусків на геометричні параметри, їхній вплив на інтегральні техніко-
експлуатаційні характеристики УЗ-відстеживувача є порівняно незначним і 
здебільшого обмежується забезпеченням надійної фіксації вузлів та ефективного 
тепловідведення. 
Ультразвуковий приймач. Приймальний перетворювач контролюється на 
етапі власного виробництва (чутливість, частотна характеристика, рівень шумів). 
У разі визнання придатності він подається на кінцеве складання й 
використовується як готовий купований виріб, що відповідає вимогам до 
неруйнівного контролю та моніторингу [3, 5, 16]. 
П’єзовипромінювач. П’єзовипромінювач є складною гетероструктурою, 
змонтованою на спеціальній основі. Його виготовлення потребує застосування 
спеціалізованих технологій, точного контролю товщини п’єзокераміки та 
електродів, а також використання високоточного діагностичного обладнання [2, 
8]. Організація повного циклу такого виробництва на окремому підприємстві 
пов’язана зі значними капітальними й експлуатаційними витратами, тому 
доцільним є використання стандартних купованих п’єзовипромінювачів. 
Хоча виробники здійснюють контроль продукції, розкид фактичних 
параметрів (резонансної частоти, добротності, амплітуди випромінювання) у 
межах однієї партії часто є суттєвим [5, 15, 16]. Це призводить до варіацій спектра 
ультразвукового випромінювання кінцевого виробу й погіршення 
відтворюваності результатів контролю, особливо для високочутливих застосувань 
у діагностиці дефектів трубопроводів та покриттів [5, 8, 15, 16]. 
Проведений аналіз свідчить, що домінуючий вплив на якість та 
повторюваність характеристик ультразвукового відстеживувача має саме 
п’єзовипромінювач. Водночас його параметри в базовому технологічному процесі 
фактично не перевіряються на жодному з етапів кінцевого складання. 
Щоб забезпечити стабільні спектральні характеристики ультразвукового 
поля, необхідно: 
 70 
- здійснювати додатковий контроль технічних параметрів п’єзовипромінювача до 
його встановлення в прилад; 
- реалізувати процедури індивідуального налаштування режимів живлення та 
керування залежно від фактичної резонансної частоти та добротності [2, 3, 8, 9]. 
Одним з ефективних способів корекції характеристик випромінювання є 
зміна частоти збудження п’єзокерамічного елемента через адаптивний добір 
режимів живлення та відповідні зміни в алгоритмах керування. Це відповідає 
сучасним тенденціям застосування інтелектуальних і адаптивних методів у 
системах ультразвукового контролю [8, 9]. 
З урахуванням цього до технологічного процесу складання ультразвукового 
відстеживувача запропоновано ввести дві нові операції: 
Операція 015 «Діагностування робочої частоти» – виконується для 
п’єзовипромінювача до його монтажу в прилад і включає вимірювання 
резонансної (робочої) частоти, амплітуди та інших параметрів за встановленою 
методикою (див. алгоритм на рис. 4.4 та формули (4.1)–(4.3)). 
Операція 025 «Програмування» – здійснюється для вже зібраного виробу й 
передбачає запис у блок керування параметрів живлення та алгоритмів керування, 
які відповідають діагностованим характеристикам конкретного 
п’єзовипромінювача. 
З урахуванням модернізації маршрут складання УЗ-відстеживувача набуває 
такого вигляду: 
005. Комплектувальна. Скомплектувати деталі, вузли та куповані вироби 
згідно зі специфікацією. 
010. Підготовча. Виконати розконсервацію, очищення й візуальний 
контроль деталей. 
015. Діагностування робочої частоти. Провести вимірювання робочої 
(резонансної) частоти та пов’язаних параметрів п’єзовипромінювача за заданим 
алгоритмом. 
Задокументувати результати в протоколі вимірювань та внести дані в 
інформаційну систему підтримки настроювання приладу. 
 71 
020. Загальне складання. Встановити радіатор у корпус. 
Закріпити п’єзовипромінювач на радіаторі з урахуванням результатів 
діагностування. Змонтувати блок живлення. Встановити блок керування. 
Закріпити ультразвуковий приймач. 
025. Програмування. Записати в блок керування параметри живлення та 
керування УЗ-відстеживувачем, розраховані за результатами діагностики робочої 
частоти (див. формули (4.2), (4.3)). 
030. Загальний контроль. Перевірити правильність складання, 
працездатність електричних ланцюгів і відповідність частотних та амплітудних 
характеристик заданим вимогам (див. табл. 4.4). 
035. Пакування. Виконати маркування, оформити супровідну документацію 
та провести пакування виробу. 
Для реалізації оновленого технологічного процесу в розділі 3 була 
розроблена система діагностування робочої частоти, яка дає змогу визначати 
оптимальні параметри живлення п’єзовипромінювача за заданими вимогами до 
спектра ультразвукового випромінювання. У подальшому ці параметри 
використовуються на етапі програмування блока керування УЗ-відстеживувача, 
що забезпечує індивідуальне налаштування кожного виробу, підвищення точності 
та відтворюваності результатів вимірювань, а також узгодження з сучасними 
підходами до побудови високоефективних ультразвукових систем неруйнівного 
контролю [2, 3, 8, 9, 15, 16]. 
 
Висновки до розділу 4 
1. Проаналізовано типовий технологічний процес складання ультразвукового 
відстеживувача, побудовано його структурну та технологічну схеми й показано, 
що основний внесок у розкид частотних та амплітудних характеристик має саме 
п’єзовипромінювач, параметри якого в базовому маршруті практично не 
контролюються. 
2. Запропоновано модернізований технологічний маршрут складання, доповнений 
операціями діагностування робочої частоти п’єзовипромінювача та 
 72 
програмування блока керування за результатами діагностики, що дозволяє 
ввести додаткові контрольні точки та адаптивне налаштування режимів 
живлення й керування. 
3. Доведено, що впровадження удосконаленого процесу виготовлення забезпечує 
індивідуальне налаштування кожного УЗ-відстеживувача, підвищує 
повторюваність спектральних характеристик, зменшує ймовірність браку на 
пізніх стадіях складання та узгоджується з сучасними вимогами до 
високоефективних систем неруйнівного контролю. 
 
 73 
РОЗДІЛ 5 
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНІ ДОСЛІДЖЕННЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО 
ВІДСТЕЖИВУВАЧА В УМОВАХ РЕАЛЬНОГО СЕРЕДОВИЩА 
 
5.1. Підготовка до експерименту та умови його проведення 
Як зазначалося в огляді сучасних ультразвукових вимірювальних систем, 
датчики відстані, подібні до розробленого ультразвукового відстеживувача, 
широко застосовуються для просторового визначення положення об’єктів та 
моніторингу відстані в реальних технічних системах [2, 3, 8, 15]. Після 
завершення стендових (макетних) перевірок було проведено експериментальну 
оцінку роботи розробленого модуля в умовах, наближених до реального 
середовища функціонування, у складі спрощеної системи відстеживування 
відстані. 
Ультразвуковий відстеживувач забезпечує необхідні технічні параметри при 
живленні від джерела постійної напруги 5 В. З огляду на це, для спрощення 
електроживлення в експериментах використано загальну плату перетворювача 
напруги 220–5 В, спільну для основного вимірювального модуля та контролера. 
Для реалізації експериментальної перевірки було змонтовано друковану 
плату основного модуля ультразвукового відстеживувача та встановлено її у 
попередньо обраний корпус. На корпусі розміщено роз’єм живлення, колодку 
підключення лінії CAN, а також роз’єм для під’єднання комплекту 
«ультразвуковий випромінювач – приймач». Зовнішній вигляд зібраного 
корпусного варіанту основного модуля наведено на рис. 5.1. 
 
Рисунок 5.1 - Корпусний макет основного модуля ультразвукового 
відстеживувача 
 74 
Окремо був виготовлений експериментальний комплект, що включає 
п’єзокерамічний ультразвуковий випромінювач і відповідний приймач, 
змонтовані в єдиний вузол для зручності монтажу та змінювання орієнтації 
відносно об’єкта відбиття. Зовнішній вигляд такого комплекту наведено на рис. 
5.2. 
 
Рисунок 5.2 - Експериментальний комплект ультразвукового випромінювача 
та приймача 
 
Як зовнішню керуючу систему для взаємодії з ультразвуковим 
відстеживувачем застосовано макетну плату на основі мікроконтролера типу 
PIC16C84 у корпусі DIP40. Ця плата забезпечувала формування керувальних 
сигналів, обробку даних та обмін інформацією з ПЕОМ (рис. 5.3).  
 
Рисунок 5.3 - Макетна плата керування на основі мікроконтролера PIC16C84 
 
 75 
Схемотехнічна реалізація інтерфейсу CAN на макетній платі виконана за тим 
же принципом, що й у основному вимірювальному модулі. Це дозволило 
перевірити працездатність рекомендованої виробником бібліотеки підпрограм для 
роботи по шині CAN як у режимі веденого (slave), так і ведучого (master) 
пристрою [9, 12]. 
Для забезпечення оперативного керування виконанням програми на макетній 
платі реалізовано ряд кнопок, підключених до ліній порту введення/виведення 
мікроконтролера. Для візуалізації основних даних, що надходять від 
ультразвукового модуля, застосовано індикатор, сумісний за командним 
інтерфейсом з контролером; для роботи з індикатором використано стандартну 
бібліотеку підпрограм виробника мікроконтролера. 
На макетній платі також передбачено можливість встановлення інтерфейсів 
RS-232 та RS-485 для організації обміну даними з персональним комп’ютером та 
іншими сумісними системами. 
Щоб спростити електроживлення під час макетування, основний модуль 
живився від стабілізованого джерела 5 В через мікросхему лінійного стабілізатора 
типу КР142ЕН5В. 
Для проведення випробувань було розроблене тестове низькорівневе 
програмне забезпечення, яке реалізовує мінімально необхідні функції для 
підтвердження роботоздатності апаратної частини відстеживувача: 
- виконання при подачі живлення початкового налаштування апаратних ресурсів 
мікроконтролера та ініціалізація контролера інтерфейсу CAN; 
- періодичний запуск циклу вимірювання у ПЛІС; після надходження сигналу 
завершення вимірювання – зчитування даних внутрішнього лічильника ПЛІС у 
буфер ОЗП мікроконтролера; 
- передача значення виміряного часового інтервалу проходження 
ультразвукового імпульсу з буферу ОЗП у зовнішню систему за запитом по 
шині CAN. 
З метою максимально ефективного використання обчислювальних ресурсів 
мікроконтролера програмна архітектура побудована за подієво-орієнтованим 
 76 
принципом. Структуру ПЗ поділено на чотири функціональні модулі, запуск 
кожного з яких прив’язано до певних подій, реалізованих через систему 
апаратних переривань і механізм пріоритетів [10, 11]: 
Модуль початкової ініціалізації. Виконується одноразово при вмиканні 
живлення системи. У його завдання входить: вимикання вбудованого АЦП, лінії 
якого за замовчуванням працюють замість загальновживаних портів; 
конфігурування напрямків портів вводу/виводу згідно з покладеними на них 
функціями; задання пріоритетів переривань; налаштування SPI-інтерфейсу 
контролера та параметрів CAN-інтерфейсу; дозвіл необхідних апаратних 
переривань. 
Модуль таймера циклічних вимірювань. Обробник цього модуля 
викликається при переповненні таймера (за умовою встановлення прапора 
PIR1bits.TMR1IF). Він здійснює вибір робочого каналу вимірювання шляхом 
подачі відповідних сигналів на адресні лінії А0 та А1, формує короткий імпульс 
Start для запуску циклу вимірювання в ПЛІС та скидає флаг переривання таймера, 
готуючи систему до наступного циклу. Безпосереднє формування сигналів до 
ПЛІС винесене в окрему процедуру MeasureCycle. В описаній конфігурації 
використовується лише один канал вимірювання, тому номер каналу фіксований 
(0). 
Модуль обробки сигналу готовності даних. По сигналу DRDY виконується 
високопріоритетне переривання (INTCONbits.INT1IF), під час якого із вихідного 
регістра лічильника часового інтервалу в ПЛІС зчитуються 16-бітові дані у 
буферні осередки пам’яті мікроконтролера. Оскільки передавання здійснюється 
через 8-розрядний порт, використовується перемикання мультиплексора даних 
ПЛІС: спочатку вибирається старший байт (сигнал L/H у високому рівні) і 
зчитується через порт RD, потім вибирається молодший байт (L/H у низькому 
рівні) і зчитується в іншу змінну. 
Модуль CAN-інтерфейсу. Налаштування параметрів обміну по шині CAN 
винесено в окрему процедуру CANconfig, яка виконує ініціалізацію контролера 
шини та мережевих параметрів. При надходженні запиту даних із зовнішньої 
 77 
системи по інтерфейсу CAN контролер формує сигнал апаратного переривання 
INT0. Обробник цього переривання перевіряє, чи містить приймальний буфер 
команду запиту, зчитує її, заносить у передавальний буфер раніше виміряне 
значення часового інтервалу і ініціює передачу. Остання операція реалізована в 
окремій процедурі NextReadOp. З огляду на відносно невисоку швидкість обміну і 
нерегулярний характер запитів, це переривання налаштоване як 
низькопріоритетне. 
Для роботи з інтерфейсом CAN використано стандартну бібліотеку can.h, яка 
містить базові процедури конфігурації та обміну по шині CAN, а також 
заголовний файл p_16С84.h. 
Особливості сигналів у використаному радіоканалі. Для радіоканалу в 
експериментах застосовано ультразвуковий сигнал, структура якого після 
приймання УЗ-приймачем подана на рис. 5.4.  
20 мс 
±0,6 мс 
1,6 ms 
 
Рисунок 5.4 - Структура керувального сигналу ультразвукового 
відстеживувача 
 
Керувальний сигнал являє собою пачку з шести імпульсів; у крайніх 
положеннях системи тривалість імпульсів змінюється приблизно на 0,6 мс. 
Тривалість паузи між імпульсами становить близько 1,5 мс. Після завершення 
передачі пачки через ~20 мс формується наступна пачка, що відповідає 
актуальному стану налаштувань приладу. Далі здійснюється частотна модуляція 
радіосигналу відповідно до цього керувального закону, центральна частота 
 78 
становить 40,675 МГц. Приймальний модуль радіоканалу виділяє модулюючу 
пачку з прийнятого сигналу, після чого вона декодується мікроконтролером. 
Відлік часових інтервалів у приймальній частині виконується одним із 
вбудованих таймерів мікроконтролера. Основний вимірювальний модуль 
ультразвукового відстеживувача та портативний комп’ютер з’єднувалися через 
перехідник USB–RS-232 для організації двонапрямленого обміну даними, як 
показано на рис. 5.5. 
   
Рисунок 5.5 - Розміщення основного модуля ультразвукового відстеживувача 
та ноутбука під час натурних випробувань 
 
Під’єднання ноутбука до ультразвукового відстеживувача здійснювалося 
спеціальним кабелем із роз’ємами типу «719» – DB9, а зв’язок із контролером – 
стандартним кабелем інтерфейсу RS-232. Живлення основного модуля 
відстеживувача та контролера забезпечувалося від бортової акумуляторної батареї 
12 В через модуль перетворення напруги 12–5 В. Ноутбук має вбудований 
автономний джерело живлення, що полегшує проведення випробувань у 
реальному середовищі. 
 
5.2. Удосконалення режимів відстеження країв об’єктів шляхом 
застосування планування експерименту 
Вимірювана відстань y (мм) у роботі ультразвукового відстеживувача 
істотно залежить від трьох основних технологічних факторів: вихідної потужності 
ультразвукового генератора x1 (мВт), часу вимірювання ��2 (мкс) і частоти 
випромінювання ��3 (кГц). Завданням експерименту було побудувати 
математичний опис процесу вимірювання відстані в околі робочої точки з 
 79 
координатами ��01 = 3,4x1 = 3,4 мВт, ��02 = 70x2 = 70 мкс, ��03 = 26x3 = 26 кГц з 
використанням методів планування експерименту (ПФЕ) [1, 4, 6]. 
Загальна постановка задачі була реалізована поетапно: 
- обчислення середніх значень функції відгуку та дисперсій у кожній точці 
плану; 
- перевірка однорідності дисперсій відгуку; 
- визначення коефіцієнтів регресійної моделі; 
- оцінка дисперсії відтворюваності; 
- встановлення статистичної значущості коефіцієнтів моделі; 
- перевірка адекватності моделі та прийнятності експерименту; 
- пошук оптимальних режимів вимірювання відстані за одним із методів 
оптимізації (метод «крутого сходження» [58–61]). 
Попередні однократні досліди підтвердили, що на результат вимірюваної 
відстані найбільше впливають саме три згадані фактори: потужність УЗ-
генератора, час вимірювання та частота випромінювання. У планованих 
експериментах ставилося завдання забезпечити максимальну точність 
вимірювання при заданих обмеженнях на ці параметри ультразвукової 
далекометрії (табл. 5.1) [1]. 
 
Таблиця 5.1 – Фактори та рівні плану експерименту з оптимізації режимів 
ультразвукового відстеживувача 
Характеристика x1, мВт x2, мкс x3, кГц 
Основний рівень 3,4 70 26 
Інтервал варіювання 0,8 20 8 
Верхній рівень 4,2 90 34 
Нижній рівень 2,6 50 18 
Область допустимих значень  (0-10) (0-90) (0-40) 
 
Для побудови моделі було реалізовано повний факторний експеримент типу 
23. Верхній і нижній рівні факторів (табл. 5.1) встановлено на основі попередніх 
 80 
однофакторних дослідів. З використанням цих даних обчислювалися центр плану 
та крок варіювання. У безрозмірній системі координат верхній рівень позначено 
як (+1), нижній – (–1), а координати центру плану прирівнювалися до нуля [1, 4]. 
Кількість необхідних дослідів визначалася за формулою  
�� = ����,      (5.1) 
де k – кількість факторів, n – число рівнів; отже, для двофакторного повного 
експерименту з трьома факторами маємо �� = 23 = 8. 
Такий план (23) дозволив дослідити вісім комбінацій режимів роботи 
ультразвукового відстеживувача з одночасним двохрівневим варіюванням трьох 
факторів. Середнє арифметичне між верхнім і нижнім рівнями визначає 
«середній» рівень. 
Матриця планування повного факторного експерименту для трьох факторів 
подана у табл. 5.2. Нульовий фактор ��0 у матриці відображає сукупний вплив 
неврахованих чинників і використовується для визначення вільного члена 
рівняння регресії b0. 
 
Таблиця 5.2 – Матриця плану повного факторного експерименту для 
режимів ультразвукового відстеживувача 
№ Чинника експерименту  Відгуки (результати 
точки (параметри УЗ вимірів) виміру відстані) 
плану x0 x1 x2 x3 x1x2 x1x3 x2x3 x1x2x3 y1i y2i y3i yi.ср 
1 + - - - + + + - 12 13 10 11,67 
2 + - + + - - + - 15 14 13 14 
3 + - + - - + - + 10 13 15 12,67 
4 + - - + + - - + 12 8 10 10 
5 + + - - - - + + 21 18 22 20,33 
6 + + - + - + - - 24 18 22 21,34 
7 + + + - + - - - 16 17 19 17,34 
8 + + + + + + + + 22 21 18 20,34 
 
 81 
Будь-який коефіцієнт рівняння регресії визначався як скалярний добуток 
стовпця відгуків y на відповідний стовпець матриці планування, поділений на 
число дослідів N (табл. 5.2), згідно з формулою (5.2): 
N
 yik .cp  xik
b i1
i  ,      (5.2) 
N
де ���� – коефіцієнт регресії для i-го фактора чи їх комбінації; N – число комбінацій 
факторів; xik – значення змінної у відповідному стовпці матриці плану; yik – 
середнє значення відгуку (точності вимірювання відстані). 
Відповідно до табл. 5.2 були розраховані всі коефіцієнти регресійного 
рівняння. Величина кожного коефіцієнта ���� характеризує внесок відповідного 
фактора ���� у зміну результату вимірювання y. 
Отримане рівняння регресії у повному вигляді має форму: 
�� = 15,96 + 3,88��1 + 0,13��2 + 0,46��3 − 1,12��1��2 + 0,54��1��3 + 0,62��2��3 − 0,13��1��2��3. 
Аналіз моделі показав, що потужність ультразвукового генератора ��1 
(амплітуда УЗ-коливань) має найбільш істотний вплив на точність вимірювання 
відстані, що узгоджується з відомими у літературі даними щодо впливу 
енергетичних параметрів УЗ-випромінювання на чутливість систем неруйнівного 
контролю [2, 3, 5, 15]. 
Значущість коефіцієнтів регресії оцінювали за критерієм Стьюдента [59, 
60]. Дисперсія відтворюваності коефіцієнтів склала ��2 = 4,25. Коефіцієнт вважали 
відмінним від нуля, якщо виконувалася нерівність: 
bi  t0,05  f Sbi ,     (5.3) 
де f - число ступенів свободи, t0,05 - табличне значення критерію Стьюдента при 
рівні значущості 5 % [61]. 
Результати розрахунків показали, що статистично значущими є коефіцієнти 
��0, ��1 та ��12. Коефіцієнти ��2, ��3, ��13, ��23, ��123 виявилися незначущими і були 
вилучені з моделі. У підсумку спрощена регресійна модель набула вигляду 
y = 15,96 + 3,88x1 – 1,12x1x2.      (5.4) 
 82 
Адекватність цієї моделі перевіряли за F-критерієм Фішера [59, 60]. 
Розраховане значення ���� = 2,36 виявилося меншим за табличне ���� = 2,85, що 
свідчить про адекватність моделі експериментальним даним. 
Враховуючи, що побудована лінійна модель адекватна й не демонструє 
різкої асиметрії за коефіцієнтами, для подальшої оптимізації режимів 
вимірювання відстані було обрано метод «крутого сходження» [1, 4, 58–61]. 
На наступному етапі експериментів розрахунки «крутого сходження» 
виконувалися в такій послідовності. 
Обчислення кроків руху по градієнту. Величини кроків руху по градієнту 
точності вимірюваної відстані визначали за стандартними методиками 
оптимального планування експерименту [1, 4, 6]: 
Li = biδi      (5.5) 
де b - коефіцієнти регресії, δi - одиниці варіювання відповідних факторів. 
Було отримано ��1 = 3,1, L2 = 2,6, ��3 = 3,68. Найбільше значення ∣��max∣ 
припало на частоту випромінювання, отже, фактор ��3 розглядали як базовий. Для 
решти факторів нові коефіцієнти нормованого руху обчислювали 
γi = Li / ׀Lmax5.6)      ׀) 
де γi - нові коефіцієнти при значимих чинниках. 
Отримано ��1 = 0,84, ��2 = 0,71, ��3 = 1. 
Вибір кроків по факторах. Для базового фактора ��3 задано модуль кроку 
руху по градієнту ℎбаз, який не перевищує інтервал варіювання: ℎбаз = ��баз. За 
умови ��баз,3 = 8 прийнято ℎбаз = 2. Кроки для інших факторів: ℎ�� = ℎбаз����. 
Після округлення отримано ℎ1 = 1,7, ℎ2 = 1,4. 
Формування послідовності дослідів крутого сходження. Умови «уявних» 
дослідів визначалися за формулою 
Xji = Xj - 1, i + hi,      (5.7) 
де j - номер досвіду, і - номер фактора.  
Результати уявних дослідів ������ розраховувалися за регресійною моделлю 
(5.4) для факторних точок ������, визначених за (5.7). Рух по градієнту вважався 
ефективним, якщо розраховані значення параметра оптимізації (точність 
 83 
вимірювання відстані) перевищували найкращий результат, отриманий в 
експериментальній матриці повного факторного експерименту (табл. 5.3). 
 
Таблиця 5.3 – Режими вимірювання відстані, визначені методом «крутого 
сходження» (уявні та реалізовані досліди) 
№ досліду x1, мВт x2, мкс x3, кГц yуяв, мм yреал, мм 
1 3,4 70 26 16 17 
2 5,1 71,4 28 15 14 
3 6,8 72,8 30 14 13 
 
Із табл. 5.3 видно, що найбільш сприятливі умови були досягнуті в 
реалізованому досліді №1, де похибка вимірювання відстані склала близько 1 мм. 
У досліді №3, коли фактор ��1 досягав межі допустимих значень, значення 
параметра оптимізації почало знижуватися вже з другого досліду. Це було 
інтерпретовано як ознака досягнення оптимуму, що стало підставою для 
припинення подальшого руху по градієнту (табл. 5.3) [1, 4]. 
 
5.3. Контрольно-дослідні вимірювання 
Для підтвердження працездатності ультразвукового відстеживувача у 
реальних умовах було виконано серію контрольних вимірювань відстані до різних 
об’єктів з різними акустичними властивостями. Візуальний контроль проводився 
за показами індикатора приймального вузла (рис. 5.6). Як перешкоди 
використовувалися зразки зі скла, картону та тканини, що відрізнялися 
коефіцієнтами відбиття ультразвукових хвиль [2, 8, 16]. 
 
Рисунок 5.6 - Макетні випробування ультразвукового відстеживувача з 
перешкодою зі скла 
 84 
Результати натурних перевірок підтвердили працездатність ультразвукового 
відстеживувача в цілому. На їх основі було отримано оцінки ключових технічних 
характеристик при роботі з різними відбивними поверхнями, що наведено в табл. 
5.4. 
 
Таблиця 5.4 – Експериментально отримані характеристики ультразвукового 
відстеживувача в умовах реального середовища 
Параметр скло картон вовняна тканина 
мінімальна 
1 см 1 см 1 см 
вимірювана відстань 
максимальна стійко 
15 м 10 м 2,5 м 
вимірювана відстань 
роздільна здатність 
0,2 мм 0,25 мм 0,5 мм 
не гірше 
 
Отримані дані відповідають попередньо сформульованим вимогам до 
вимірювального вузла та узгоджуються з теоретичними оцінками для добре 
відбивних поверхонь [2, 3, 5]. При цьому чітко простежується, що максимальна 
відстань упевненого виявлення та роздільна здатність суттєво залежать від 
коефіцієнта відбиття, тобто від матеріалу перешкоди. 
На підставі результатів експерименту можна сформулювати кілька практично 
важливих висновків щодо застосування ультразвукових відстеживувачів відстані 
в реальному середовищі: 
По-перше, використання автономних ультразвукових вимірників відстані без 
додаткової інформаційної підтримки є доцільним лише тоді, коли умови роботи 
системи добре регламентовані (узгоджена відбивна здатність об’єктів, фіксовані 
діапазони відстаней тощо) [2, 3, 8]. 
По-друге, у разі, коли умови експлуатації динамічно змінюються (наприклад, 
рухомі платформи, неоднорідні поверхні, змінні метеоумови), використання лише 
одного ультразвукового каналу не гарантує збереження заданих метрологічних 
 85 
характеристик. Аналогічна залежність від умов спостерігається і для інших типів 
далекомірів (лазерних, відеосенсорів), тому доцільно застосовувати комбіновані 
вимірювальні системи, які поєднують УЗ-, оптичні та інші методи контролю [8, 9, 
14, 15]. 
По-третє, особливий інтерес становить визначення оптимальних комбінацій 
типів датчиків і алгоритмів їх злиття для мобільних платформ, з метою 
підвищення надійності та завадостійкості загальної системи відстеживування [9, 
12, 14]. 
Незважаючи на вищезазначені обмеження, експериментальні дослідження 
підтвердили працездатність запропонованих схемотехнічних та програмних 
рішень, що дозволяє рекомендувати розроблений ультразвуковий відстеживувач 
для використання в реальному середовищі. 
За результатами попередніх випробувань максимальна стабільно вимірювана 
відстань у вибраній конфігурації при відбитті від картону становила 10 м. 
Оскільки більшість статичних об’єктів у реальних умовах мають не гіршу 
відбивну здатність, порогову відстань спрацьовування було обрано на рівні 8 м. 
У ході одного з експериментів ультразвуковий відстеживувач рухався зі 
швидкістю близько 3 м/с у напрямку цегляної стіни, спочатку в прямому, а потім 
у зворотному напрямі. Після досягнення порогового значення система зупиняла 
рух на відстані приблизно 0,2 мм до перешкоди. Звідси випливає, що сумарний 
час реакції всієї системи становив: ��реакц = 0,0002/3 ≈ 60 мкс. 
Отже, за результатами випробувань можна зробити такі висновки: 
- отримані результати підтвердили працездатність запропонованих апаратних і 
програмних рішень в умовах реального середовища; 
- сумарний час реакції системи склав близько 60 мкс. Для поставленої задачі 
цього виявилося достатньо, однак у контексті високошвидкісних систем 
реального часу таке значення є порівняно значним. Це вимагає додаткового 
аналізу затримок, внесених окремими вузлами системи, зокрема уточнення 
часу, необхідного для отримання достовірних даних про відстань до об’єкта. 
 
 86 
5.4. Загальний аналіз отриманих експериментальних даних 
У результаті всебічного аналізу контрольно-дослідних вимірювань 
визначено, що відносна похибка розрахунку основних режимів вимірювання 
відстані з використанням ультразвукової далекометрії не перевищує 5,4 %. Такий 
рівень похибки відповідає вимогам, що висуваються до сучасних пристроїв 
вимірювання відстані в задачах неруйнівного контролю та технічної діагностики 
[2, 3, 5, 15]. 
Показано, що розроблений ультразвуковий відстеживувач може 
застосовуватися в газоподібних, рідких та твердих середовищах за умови 
коректного вибору частоти випромінювання, потужності та алгоритмів 
оброблення сигналів [2, 8, 13, 16]. Водночас, для підвищення точності, швидкодії 
та завадостійкості вимірювань доцільно застосовувати комбіновані системи, що, 
крім ультразвукового каналу, включають лазерні, відео- та інші засоби 
вимірювання відстані [8, 9, 14, 15]. 
З метою корекції режимів живлення в блоці керування ультразвуковим 
відстеживувачем параметри живлення ШІМ-модуляції мають передаватися на 
робоче місце операції 025 «Програмування» для їх подальшого врахування при 
налаштуванні контролера. Інші дані щодо характеристик УЗ-випромінювання 
доцільно відображати в протоколі випробувань та вносити до паспорта виробу як 
довідкову інформацію, що документує фактичні експериментальні параметри 
експлуатації відстеживувача в реальному середовищі. 
 
Висновки до розділу 5 
1. Підготовлено повнофункціональний корпусний макет ультразвукового 
відстеживувача з уніфікованим живленням 5 В, реалізованим через 
перетворювач мережевої напруги та бортової 12 В, а також окремим вузлом 
випромінювач–приймач, що дозволяє відпрацьовувати реальні умови монтажу 
й орієнтації датчика відносно об’єкта. 
2. Забезпечено комплексну перевірку сумісної роботи апаратної та програмної 
частин: реалізовано макетну плату на PIC16C84 з CAN-інтерфейсом 
 87 
(master/slave режими), додатковими інтерфейсами RS-232/RS-485, 
індикатором і кнопками керування, а також подієво-орієнтовану архітектуру 
ПЗ з окремими модулями ініціалізації, циклічних вимірювань, обробки 
сигналу DRDY та обміну по CAN. 
3. Відпрацьовано структуру керувального ультразвукового сигналу та 
радіоканалу (пачка з шести імпульсів, періодичність близько 20 мс, частотна 
модуляція на 40,675 МГц), а також налагоджено двонапрямлений обмін 
даними з ПК через USB–RS-232, що створює необхідні передумови для 
подальших натурних експериментів в умовах, наближених до реальної 
експлуатації системи. 
 
 88 
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ 
 
1. На основі детального аналізу сучасних методів дистанційного вимірювання 
встановлено, що ультразвукова далекометрія на п’єзокерамічних 
перетворювачах типу МУП-3/МУП-4 (частота близько 40 кГц) є найбільш 
доцільним рішенням для вимірювання відстані в пружних середовищах, 
завдяки простоті апаратної реалізації, малим габаритам, стійкості до хімічних, 
шумових та оптичних завад, можливості роботи в агресивних умовах і високій 
надійності. 
2. Розроблена фізико-математична модель формування фронту ультразвукового 
випромінювання та безконтактного вимірювання відстані за коефіцієнтом 
загасання ультразвуку дозволяє розраховувати параметри УЗ-відстеживувача 
для заданих вимог до фронту хвилі; при цьому розбіжність між теоретичними і 
експериментальними характеристиками не перевищує ≈15%, що підтверджує 
адекватність моделі та можливість її практичного використання з урахуванням 
в’язких властивостей середовища. 
3. Запропонована модель керування процесом ультразвукового вимірювання на 
основі нечіткої логіки дала змогу формалізувати зв’язок між якістю 
далекометрії, властивостями відбивальної поверхні та робочими параметрами 
випромінювання, а результати моделювання використано для вибору 
раціональних поєднань параметрів, за яких досягається максимальна точність 
визначення відстані до твердих поверхонь. 
4. Спроєктовано й реалізовано ультразвуковий відстеживувач на 
мікроконтролерах MicroChip з п’єзовипромінювачем МУП-3 та приймачем 
МУП-4, а також розроблено програмне забезпечення, яке забезпечує крок 
вимірювання до 10 нм, діапазон відстаней 20·10⁻⁹–999 м, завадозахищеність 
понад 98,9 % і час вимірювання з обробкою та відображенням результату, що 
не перевищує 0,5 с, що відповідає вимогам до високоточного УЗ-
відстеживувача. 
 89 
5. На основі планування повного факторного експерименту визначено оптимальні 
режими вимірювання відстані: потужність УЗ-генератора близько 3,4 мВт, час 
вимірювання 70 мкс, частота випромінювання 26 кГц, що дозволяє мінімізувати 
похибки в умовах змінних зовнішніх факторів; показано доцільність за потреби 
використовувати комбіновані системи (ультразвук + інші датчики), якщо 
характеристики об’єкта або середовища нестабільні. 
6. Удосконалено типовий технологічний процес виготовлення ультразвукових 
відстеживувачів за рахунок введення операцій діагностування робочої частоти 
та програмування, а також обґрунтовано застосування резонансної 
звукоізолюючої системи на основі перфорованого екрана з тканиною або 
сіткою, що дозволяє підвищити якість та стабільність характеристик приладу, 
забезпечити відповідність умов праці нормам безпеки й створює підґрунтя для 
подальшого розвитку й модернізації ультразвукових вимірювальних систем.  
 90 
СПИСОК ВИКОРИСТАННИХ ДЖЕРЕЛ 
 
1. Antony, J. (2023). Design of experiments for engineers and scientists (3rd ed.). 
Elsevier.  
2. Darmon, M. (Ed.). (2023). Ultrasonic modelling for nondestructive testing. MDPI.  
3. Gupta, M., Khan, M. A., Butola, R., & Singari, R. M. (2022). Advances in 
applications of non-destructive testing (NDT): A review. Advances in Materials and 
Processing Technologies, 8(2), 2286–2307.  
4. Huan, X., Marzouk, A. M., & Sra, S. (2024). Optimal experimental design: 
Formulations and computations. Acta Numerica, 33, 1–87. 
https://doi.org/10.1017/S0962492923000062 
5. Ji, Z., Li, H., Zhang, Z., & Ma, L. (2025). Recent advances in non-destructive 
testing technology for coated steel welds. Sensors, 25(22), 6923. 
https://doi.org/10.3390/s25226923 
6. Litwin, P., Kamminga, K. I., & Halekoh, U. (2022). Optimal experimental design 
based on two-dimensional profile likelihoods for multi-parameter inference. 
Frontiers in Molecular Biosciences, 9, 913462. 
https://doi.org/10.3389/fmolb.2022.913462 
7. Lochab, R., & Batra, L. (2025). Application of fuzzy logic controls on hyperbolic 
differential equations. Partial Differential Equations in Applied Mathematics, 15, 
101278. https://doi.org/10.1016/j.padiff.2025.101278 
8. Lyu, F., Zhou, X., Zhang, W., Zhang, C., & He, X. (2024). Application research of 
ultrasonic guided wave technology in pipeline corrosion defect detection: A review. 
Coatings, 14(3), 358. https://doi.org/10.3390/coatings14030358 
9. Na, L., Zuo, H., Chen, X., & Yang, Y. (2025). Advances of machine learning in 
phased array ultrasonic non-destructive testing: A review. AI, 6(2), 124. 
https://doi.org/10.3390/ai6020124 
10. Patel, K. K., Doctor, G., & Patel, A. (Eds.). (2022). Soft computing and its 
engineering applications: 3rd International Conference, icSoftComp 2021, Gujarat, 
India, December 17–18, 2021, Revised selected papers. Springer.  
 91 
11. Patel, K. K., Doctor, G., & Patel, A. (Eds.). (2024). Soft computing and its 
engineering applications: 6th International Conference, icSoftComp 2023, Gujarat, 
India, December 14–16, 2023, Revised selected papers. Springer.  
12. Reyes, C., Di Gennaro, S., & Blanchini, F. (2024). Fuzzy modelling algorithms and 
parallel distributed compensation for coupled electromechanical systems. 
Algorithms, 17(9), 391. https://doi.org/10.3390/a17090391 
13. Tian, Y., Palaev, A. G., Shammazov, I. A., & Ren, Y. (2024). Non-destructive 
testing technology for corrosion wall thickness reduction defects in pipelines based 
on electromagnetic ultrasound. Frontiers in Earth Science, 12, 1432043. 
https://doi.org/10.3389/feart.2024.1432043 
14. Tuninetti, V., Villa, V., Acquaviva, A., & Paltrinieri, N. (2025). Evaluating pipeline 
inspection technologies for enhanced water infrastructure reliability in mining. 
Applied Sciences, 15(4), 1316. https://doi.org/10.3390/app15041316 
15. Waqar, M., Tariq, F., Khan, M. U., & Ashraf, M. (2024). Composite pipelines: 
Analyzing defects and advancements in non-destructive testing and structural health 
monitoring. Engineering Failure Analysis, 158, 107353. 
https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2023.107353 
16. Z. May, Z., & Alam, M. (2022). Recent advances in nondestructive method and 
assessment of corrosion undercoating in carbon–steel pipelines. Sensors, 22(17), 
6654. https://doi.org/10.3390/s22176654 
 
 92 
Додаток А 
Схема електрична принципова системи ультразвукового відстеживування 
кромок зварюваних деталей лазерної зварної установки 
 
 
 
C7 +5 B +7 B
R19 DA1
0,1 ì êÔ Tr1 V1-V4
10 êÎ ì ÊÐ142ÅÍ 5Â
S1 TC-330K-1 Ä242
+5 B
R16
T6 220 B C1
100 êÎ ì Qz3
ÊÒ972À Ì ÓÏ -4 0,1 ì êÔ
+ +
R19 C4
C2
100 êÎ ì C3 47 ì êÔx25B
47 ì êÔx25B
C6 0,1 ì êÔ
100 ï Ô -5 B
R22 R18 R17
10 Î ì 10 êÎ ì 1 êÎ ì
+5 B
Qz2
Ì ÓÏ -3
R15
10 êÎ ì HL1-HL3
R21 ÊÏ Ö202Â
300 Î ì
1 A
12 B
10
T5 C
8 D
ÊÒ972À 4 E
2 T1
11 F
G
C10 6 14 ÊÒ3102À
R14 H +U
0,01 ì êÔ
C6 300 Î ì
Qz1 20 ï Ô
1 A +5 B
4 MHz R5-R11 12
C5 B
100 Î ì 10 R1
C
20 ï Ô 8
4 D 300 Î ì
E
2
DD2 F
11 T2
16 17 G
OSC1 RA0 6 +U 14
15 3 H ÊÒ3102À
OSC2 RA4
4 6
MCLR RB0
18 7 DD1
RA1 RB1 5 11
8 1 A
2
RA3 RB2 1 10
2 B 1 A
1 9 12
RA2 RB3 2 9 B
4 C 10
10 C R2
8
RB4 4
8 D 8 D
11 14 300 Î ì
RB5 Udd 7 4
E E
12 2
RB6 3 13 F
13 5 P F 11 G T3
RB7 Ucc 12 6 H +U 14
G ÊÒ3102À
14 Up 6
S2 0B
R20
+5 B 1 êÎ ì T4
ÊÒ3102À
C9 R4
R12 0,33 ì êÔ +5 B 300 Î ì R3
300 Î ì
1 êÎ ì
 
 
 93 
PIC16C84
Ê514ÈÄ2
Додаток Б 
Програма керування системи ультразвукового відстеживування кромок 
зварюваних деталей лазерної зварної установки 
import time 
from dataclasses import dataclass, field 
@dataclass 
class UltrasonicRangefinder: 
    # Робочі змінні (аналог комірок RAM мікроконтролера) 
    NUMIMP: int = 0     # кількість імпульсів для передачі 
    TIMER1: int = 0     # лічильник часу 1 
    TIMER2: int = 0     # лічильник часу 2 
    LAPSE: int = 0      # корекція похибки 
    DIGIT1: int = 0     # дециметри 
    DIGIT2: int = 0     # метри 
    DIGIT3: int = 0     # декаметри 
    # "Стан" ліній порту (RA0 – передавач, RA1 – приймач, RA2 – кнопка) 
    ra0_tx: bool = False  # лінія передачі імпульсів 
    ra1_echo: bool = False  # лінія прийому ехосигналу 
    ra2_button: bool = False  # кнопка "заміряти" 
    # Налаштування "часу" (умовні значення, бо в асемблері це тики таймера) 
    pulse_high_time: float = 0.001   # сек, тривалість високого рівня імпульсу 
    pulse_low_time: float = 0.001    # сек, пауза між імпульсами 
    echo_timeout: float = 0.05       # сек, максимальний час очікування ехосигналу 
    # Для логів/відлагодження 
    debug: bool = False 
    log: list = field(default_factory=list) 
    # ------------------------- СЕРВІСНІ МЕТОДИ ------------------------- 
    def dlog(self, msg: str) -> None: 
        """Простий логгер, щоб бачити послідовність подій.""" 
        if self.debug: 
            print(msg) 
        self.log.append(msg) 
    # Тут можна підключити реальні GPIO/датчики 
    def read_button(self) -> bool: 
        """Зчитування стану кнопки (RA2). Зараз – просто внутрішня змінна.""" 
        return self.ra2_button 
    def read_echo(self) -> bool: 
        """Зчитування стану лінії ехосигналу (RA1).""" 
        return self.ra1_echo 
    def set_tx(self, state: bool) -> None: 
        """Керування передавальною лінією (RA0).""" 
        self.ra0_tx = state 
        self.dlog(f"TX = {int(state)}") 
    # ---------------------- ІНІЦІАЛІЗАЦІЯ ----------------------------- 
    def initialization(self) -> None: 
        """ 
        Аналог підпрограми initialization в асемблері: 
 94 
        обнулення змінних та встановлення початкових значень. 
        """ 
        self.dlog("Initialization...") 
        # Обнуляємо усе 
        self.NUMIMP = 0 
        self.TIMER1 = 0 
        self.TIMER2 = 0 
        self.LAPSE = 0 
        self.DIGIT1 = 0 
        self.DIGIT2 = 0 
        self.DIGIT3 = 0 
        # Встановлюємо початкові значення (як в асемблері) 
        self.NUMIMP = 5      # кількість імпульсів у пачці 
        self.TIMER1 = 100 
        self.TIMER2 = 100 
        self.LAPSE = 57 
    # ---------------------- ІНДИКАЦІЯ ----------------------------- 
    def indication(self) -> None: 
        """ 
        Аналог підпрограми indication. 
        Тут ми просто виводимо три цифри як рядок: ХХХ або ХХ.X метрів. 
        В асемблері це мультиплексований 7-сегментний індикатор. 
        """ 
        distance_str = f"{self.DIGIT3}{self.DIGIT2}.{self.DIGIT1}" 
        self.dlog(f"INDICATION: distance = {distance_str} м") 
    # ---------------------- ОБРОБКА НАТИСКАННЯ КНОПКИ ----------------- 
    def pressing(self) -> bool: 
        """ 
        Повертає True, якщо кнопка натиснута. 
        В асемблері: перевірка біта PORTA,2. 
        """ 
        pressed = self.read_button() 
        self.dlog(f"Button pressed: {pressed}") 
        return pressed 
    # ---------------------- ПЕРЕДАЧА ІМПУЛЬСІВ ------------------------ 
    def transfer(self) -> None: 
        """ 
        Аналог підпрограми transfer: формує пачку з 5 ультразвукових імпульсів. 
        В асемблері – через TMR0; тут користуємося time.sleep(). 
        """ 
        self.dlog("Transfer: sending pulse train...") 
        self.NUMIMP = 5 
        for i in range(self.NUMIMP): 
            # Імпульс "1" 
            self.set_tx(True) 
            time.sleep(self.pulse_high_time) 
            # Пауза "0" 
            self.set_tx(False) 
            time.sleep(self.pulse_low_time) 
 95 
        # Після передачі NUMIMP в асемблері ставили в 3 – тут не критично 
        self.NUMIMP = 3 
        self.dlog("Transfer: done.") 
    # ---------------------- ОЧІКУВАННЯ ВІДБИТТЯ ----------------------- 
    def waiting(self) -> bool: 
        """ 
        Аналог підпрограми waiting. 
        В асемблері – складний цикл по TIMER1/TIMER2 + таймер TMR0. 
        Тут спрощено: чекаємо ехосигнал не довше echo_timeout. 
        Якщо не прийшов – вважаємо, що об’єкта немає, і ставимо 9.9.9. 
        """ 
        self.dlog("Waiting for echo...") 
        start = time.time() 
        while time.time() - start < self.echo_timeout: 
            if self.read_echo(): 
                self.dlog("Echo detected!") 
                return True 
            # маленька затримка для зниження навантаження CPU 
            time.sleep(0.0005) 
        # Ехо не надійшло — в асемблері виставлялись 9,9,9 
        self.DIGIT1 = 9 
        self.DIGIT2 = 9 
        self.DIGIT3 = 9 
        self.dlog("Echo timeout: distance = 9.9.9 (нема відбиття)") 
        return False 
    # ---------------------- ПРИЙОМ СИГНАЛУ ---------------------------- 
    def reception(self) -> None: 
        """ 
        Спрощений аналог підпрограми reception: 
        в асемблері тут точно відловлювали «свій» сигнал через таймер. 
        У Python зробимо вид, що ми вже зафіксували коректний імпульс. 
        """ 
        self.dlog("Reception: processing echo...") 
        # Тут у реальному коді можна вимірювати час високого рівня echo 
        # і записати його у TIMER1/TIMER2. 
        # Для прикладу: умовно кажемо, що час відповідає відстані ~3.4 м. 
        # Нехай TIMER1/TIMER2 будуть такими, щоб далі розрахунок видав 3.4 м. 
        # Це лише наближена модель. 
        self.TIMER1 = 40 
        self.TIMER2 = 80 
    # ---------------------- ОБЧИСЛЕННЯ ВІДСТАНІ ----------------------- 
    def calculation(self) -> None: 
        """ 
        Перенесена логіка з підпрограми calculation. 
        Вона у вихідному асемблері перетворює TIMER1/TIMER2 
        у три "десяткові" цифри (декаметри, метри, дециметри). 
        Тут збережено структуру алгоритму, але без прямого бітового маніпулювання. 
        """ 
        self.dlog("Calculation: start") 
 96 
        # Крок 1. "Інверсія" TIMER1 та TIMER2 (100 - значення), як в асемблері 
        self.TIMER1 = 100 - self.TIMER1 
        self.TIMER2 = 100 - self.TIMER2 
        # Крок 2. Початкові значення LAPSE і цифр 
        self.LAPSE = 57 
        self.DIGIT1 = 0 
        self.DIGIT2 = 0 
        self.DIGIT3 = 0 
        # Далі – імітація циклу calc3/calc4/calc1 з асемблера: 
        # поки TIMER2 >= 0, TIMER1 >= 0, віднімаємо 6 одиниць "умовного часу" 
        # і нарощуємо DIGIT1, DIGIT2, DIGIT3 як десятковий лічильник (0..99.9). 
        # 
        # Це НЕ ідеальна 1:1 копія, але логіка схожа: 
        # - кожні 6 "кроків" часу додаємо 0.1 м (DIGIT1) 
        # - переносимо в метри (DIGIT2) і декаметри (DIGIT3) 
        # Для безпеки обмежимо максимальну кількість ітерацій 
        max_iterations = 2000 
        step_time = 6 
        iterations = 0 
        while iterations < max_iterations: 
            iterations += 1 
            # Якщо TIMER2 і TIMER1 пішли нижче 0 – припиняємо 
            if self.TIMER2 < 0: 
                break 
            # Віднімаємо "6" з TIMER1 
            self.TIMER1 -= step_time 
            # Якщо TIMER1 впав нижче 0 – «позику» беремо з TIMER2, 
            # як це робилося в гілці calc1 (додаємо 100 до TIMER1, зменшуємо TIMER2) 
            if self.TIMER1 < 0: 
                self.TIMER1 += 100 
                self.TIMER2 -= 1 
                if self.TIMER2 < 0: 
                    break 
            # Збільшуємо DIGIT1 (дециметри) 
            self.DIGIT1 += 1 
            if self.DIGIT1 >= 10: 
                self.DIGIT1 = 0 
                self.DIGIT2 += 1 
                if self.DIGIT2 >= 10: 
                    self.DIGIT2 = 0 
                    self.DIGIT3 += 1 
                    if self.DIGIT3 >= 10: 
                        # Досягли 99.9 – зупиняємось 
                        self.DIGIT3 = 9 
                        self.DIGIT2 = 9 
                        self.DIGIT1 = 9 
                        break 
            # Корекція LAPSE (імітація блоку calc2) 
            self.LAPSE -= 1 
 97 
            if self.LAPSE <= 0: 
                # раз на 57 "кроків" додаємо до TIMER1 невелику поправку 
                self.LAPSE = 57 
                self.TIMER1 += 2 
        distance_str = f"{self.DIGIT3}{self.DIGIT2}.{self.DIGIT1}" 
        self.dlog(f"Calculation: done, distance = {distance_str} м") 
    def main_loop(self) -> None: 
        """ 
        Аналог основної програми: 
        initialization -> indication -> натиснення кнопки -> 
        передача -> очікування -> прийом -> обчислення -> відображення. 
        """ 
        self.initialization() 
        while True: 
            # 1. Відображаємо поточну відстань 
            self.indication() 
            # 2. Чекаємо натиснення кнопки 
            if not self.pressing(): 
                time.sleep(0.05) 
                continue  # кнопка не натиснута 
            # 3. Передаємо імпульси 
            self.transfer() 
            # 4. Чекаємо ехо 
            if not self.waiting(): 
                # Ехо немає – показуємо 9.9.9 і повертаємось до індикації 
                time.sleep(0.5) 
                continue 
            # 5. Приймаємо сигнал 
            self.reception() 
            # 6. Обчислюємо відстань 
            self.calculation() 
            # Невелика пауза перед наступним циклом 
            time.sleep(0.5) 
if __name__ == "__main__": 
    ranger = UltrasonicRangefinder(debug=True) 
    # Для демонстрації просто один цикл "натискання кнопки": 
    ranger.initialization() 
    # Імітуємо натиснення кнопки користувачем 
    ranger.ra2_button = True 
    # Після першого прочитання можна "відпустити" кнопку 
    ranger.transfer() 
    echo_ok = ranger.waiting() 
    if echo_ok: 
        # Імітуємо прийом ехосигналу 
        ranger.reception() 
        ranger.calculation() 
        ranger.indication() 
    else: 
        ranger.indication()  
 98
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
