آلية تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية

باعتبارها وسيلة لنقل المعلومات، تتزايد أهمية الموجات فوق الصوتية في مجالات مختلفة مثل اكتشاف العيوب والمدى وقياس السرعة نظرًا لخصائصها المباشرة والانعكاسية وخصائصها التي لا تتأثر بسهولة بالعوامل الخارجية مثل الضوء والموجات الكهرومغناطيسية. الموجات فوق الصوتية هي موجة صوتية بتردد أعلى من 20 كيلو هرتز. لديها اتجاهية جيدة، وقوة اختراق قوية، وسهلة للحصول على طاقة صوتية مركزة، والتي لها مسافة طويلة في الماء. يمكن استخدام محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية لقياس المسافة وقياس السرعة والتنظيف واللحام والسحق والتعقيم. التطهير، وما إلى ذلك. هناك العديد من التطبيقات في الطب والجيش والصناعة والزراعة. تم تسمية الموجات فوق الصوتية بهذا الاسم بسبب الحد الأدنى من التردد، والذي يساوي تقريبًا الحد الأعلى للسمع البشري.

في دائرة الكشف بالموجات فوق الصوتية، يكون نبض الخرج عبارة عن سلسلة من الموجات المربعة عند طرف الإرسال. عرض هذه السلسلة من الموجات المربعة هو الفاصل الزمني بين إرسال الموجات فوق الصوتية واستقبال الموجات فوق الصوتية. من الواضح أنه كلما زادت المسافة بين كائنات القياس، زاد عرض النبضة ونبض الخرج. الرقم يتناسب مع مسافة القياس. يحتوي محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية بشكل عام على الطرق التالية:

(1) بأخذ متوسط ​​جهد نبض الخرج، يتناسب الجهد (سعة الجهد ثابتة بشكل أساسي) مع المسافة، ويمكن قياس جهد القياس؛

(2) قياس عرض نبض الخرج، أي الفاصل الزمني t بين الموجات فوق الصوتية المرسلة والموجات فوق الصوتية المستقبلة. وبالتالي فإن مسافة القياس هي S = 1/2 vt.

تقوم أجهزة الإرسال بالموجات فوق الصوتية بإرسال الموجات فوق الصوتية في اتجاه معين، وتوقيت البدء في نفس الوقت هو وقت الإرسال. عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية في الهواء، فإنها ستعود فورًا إلى العوائق، وستتوقف أجهزة الاستقبال بالموجات فوق الصوتية عن التوقيت فورًا عند استقبال الموجات المنعكسة. سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء هي V، ووفقًا للفارق الزمني الذي يقاسه الموقت لقياس الأصداء المرسلة والمستقبلة، يمكن حساب المسافة S لنقطة الانبعاث من العائق، أي: S = V·Δt / 2، هذه هي طريقة تحديد فرق التوقيت. نظرًا لأن أجهزة استشعار المسافة بالموجات فوق الصوتية هي أيضًا نوع من الموجات الصوتية، فإن سرعة الصوت الخاصة بها ترتبط بدرجة الحرارة، ويتم سرد سرعة الصوت عند عدة درجات حرارة مختلفة. في الاستخدام، إذا لم تتغير درجة الحرارة كثيرًا، فيمكن اعتبار سرعة الصوت ثابتة إلى حد كبير. تبلغ سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في درجة الحرارة العادية 334 م / ث، ولكن سرعة انتشارها V تتأثر بسهولة بعوامل مثل درجة الحرارة والرطوبة والضغط في الهواء، والتي تتأثر بشكل كبير بدرجة الحرارة. ولكل زيادة في درجة الحرارة درجة مئوية واحدة، تزداد سرعة الصوت بمقدار 0.6 م/ث. إذا كانت دقة المدى عالية جدًا، فيجب تصحيحها بطريقة تعويض درجة الحرارة. عندما تكون درجة الحرارة المحيطة T معروفة، فإن صيغة حساب سرعة الانتشار بالموجات فوق الصوتية V هي:V = 331.45 + 0.607T

بعد تحديد سرعة الصوت، يمكن الحصول على المسافة عن طريق قياس زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا بالموجات فوق الصوتية. هذه هي آلية مكتشف المدى بالموجات فوق الصوتية.

1. استخدم منفذ IO TRIG لتشغيل النطاق، مما يوفر إشارة عالية المستوى بحد أدنى 10us (عرض نبضة واحدة هو 10us/واحد عالي الطاقة، والمدة الثابتة هي 10us.

2. ترسل الوحدة تلقائيًا موجات مربعة 840 كيلو هرتز للكشف تلقائيًا عما إذا كان هناك عودة للإشارة.

3. هناك عودة للإشارة، ويتم إخراج مستوى عالٍ من خلال منفذ IO ECHO. مدة المستوى العالي هي الوقت من الإرسال إلى عودة الموجة فوق الصوتية. مسافة الاختبار = (الوقت العالي * سرعة الصوت / 2)، VCC GND هو مصدر الطاقة، TRIG هو طرف التحكم (الإدخال)، وECHO هو طرف الإرجاع (الإخراج). يعطي TRIG نبضًا عالي المستوى، ويبدأ SR40 في إرسال موجات فوق صوتية. عند استقبال الموجة المنعكسة، يقوم ECHO بإخراج إشارة صالحة. يمكن تحويل المسافة عن طريق قياس فارق التوقيت من بداية تشغيل TRIG إلى استلام ECHO.

وحدة النطاق بالموجات فوق الصوتية HCSR04، توفر VCC مصدر طاقة 5 فولت، GND أرضي، مدخل إشارة التحكم في الزناد TRIG، مخرج إشارة الصدى ECHO وأربعة أطراف واجهة أخرى. يتم توفير إشارة تشغيل نبضية تبلغ 10us أو أكثر، وستصدر الوحدة داخليًا مستويات دورة 40 كيلو هرتز وتكتشف الصدى. بمجرد الكشف عن إشارة الصدى، يتم الكشف عن إشارة صدى الإخراج. يتناسب عرض نبضة إشارة الصدى مع المسافة المقاسة، حيث يمكن حساب المسافة عن طريق إرسال الإشارة إلى إشارة الصدى المستقبلة.