Основные принципы ультразвукового дальномера
1. Ультразвуковой генератор
Для изучения и использования ультразвуковых волн было спроектировано и изготовлено множество ультразвуковых генераторов. Вообще говоря, ультразвуковые генераторы можно разделить на две категории: одна предназначена для генерации ультразвуковых волн электрическими средствами, а другая — для генерации ультразвуковых волн механическими средствами. К электрическим методам относятся пьезоэлектрические, магнитострикционные и электрические методы; Механические методы включают гарнизонные флейты, жидкие свистки и свистки воздушного потока. Ультразвуковые волны, которые они генерируют, различаются по частоте, мощности и звуковым характеристикам и, следовательно, имеют различное применение. Наиболее часто используется пьезоэлектрический ультразвуковой генератор.
2. Принцип действия пьезоэлектрического ультразвукового генератора.
Пьезоэлектрические ультразвуковые генераторы фактически используют для работы резонанс пьезоэлектрических кристаллов. Внутреннее устройство ультразвукового генератора показано на рисунке 1. Он имеет две пьезоэлектрические пластины и резонансную пластину. Когда на два его полюса подается импульсный сигнал, частота которого равна собственной частоте колебаний пьезоэлектрического чипа, пьезоэлектрический чип начинает резонировать и приводит вибрацию резонансной пластины, генерируя таким образом ультразвуковые волны. И наоборот, если между двумя электродами не подается напряжение, когда резонансная пластина принимает ультразвуковые волны, она заставляет пьезоэлектрический чип вибрировать, преобразуя механическую энергию в электрические сигналы, а затем становится ультразвуковым приемником.
3. Основной принцип работы ультразвукового дальномера.
Ультразвуковой передатчик излучает ультразвуковые волны в определенном направлении и начинает отсчет времени одновременно со временем излучения. Ультразвуковые волны распространяются в воздухе и немедленно возвращаются при встрече с препятствиями на пути, а ультразвуковой приемник прекращает отсчет времени сразу после приема отраженных волн. Скорость распространения ультразвуковых волн в воздухе составляет 340 м/с. По времени t, зафиксированному таймером, можно вычислить расстояние (с) между точкой выброса и препятствием, а именно: s=340t/2. Это так называемый метод ранжирования по разнице во времени.
Принцип ультразвукового измерения расстояния заключается в использовании известной скорости распространения ультразвуковых волн в воздухе для измерения времени, которое требуется звуковым волнам для встречи с препятствиями и отражения обратно после их излучения, а также для расчета фактического расстояния от точки излучения. к препятствию на основе разницы во времени между излучением и приемом. Видно, что принцип ультразвуковой дальнометрии такой же, как и у радара.
Формула ранжирования выражается как: L=C×T
В формуле L — измеренная длина расстояния; С – скорость распространения ультразвуковых волн в воздухе; T — разница во времени прохождения измеренного расстояния (T — половина значения времени от передачи до приема).
Ультразвуковая дальность в основном используется для измерения расстояний до реверсивных напоминаний, строительных площадок, промышленных объектов и т. д. Хотя текущий диапазон дальности может достигать 100 метров, точность измерения может достигать лишь порядка сантиметров.
Благодаря преимуществам легкого направленного излучения ультразвуковых волн, хорошей направленности, простоты управления интенсивностью и отсутствия прямого контакта с измеряемым объектом, он является идеальным средством для измерения высоты жидкости. При точном измерении уровня жидкости необходимо достичь точности измерения на уровне миллиметра, но в настоящее время отечественные ASIC для ультразвуковой дальнометрии имеют точность измерения только на уровне сантиметра. Анализируя причины ошибок ультразвукового измерения дальности, улучшая разницу во времени измерения до микросекундного уровня и используя датчик температуры LM92 для компенсации скорости распространения звуковых волн, разработанный нами высокоточный ультразвуковой дальномер может достичь точности измерений на миллиметровом уровне.
