التحليل الأساسي لجهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية

مبدأ مولد الموجات فوق الصوتية الكهرضغطية

يستخدم مولد الموجات فوق الصوتية الكهرضغطية في الواقع رنين الكريستال الكهرضغطي للعمل. يظهر الهيكل الداخلي لمولد الموجات فوق الصوتية. تحتوي على رقاقتين كهرضغطية ولوحة رنين. عندما يتم تطبيق إشارة نبضية على قطبيها، حيث يكون ترددها مساويًا لتردد التذبذب الطبيعي للرقاقة الكهرضغطية، فإن الرقاقة الكهرضغطية سوف يتردد صداها وتدفع لوحة الرنين إلى الاهتزاز لتوليد موجات فوق صوتية. على العكس من ذلك، إذا لم يتم تطبيق أي جهد بين القطبين، فعندما تتلقى لوحة الرنين موجات فوق صوتية، فإنها ستضغط على الشريحة الكهرضغطية لتهتز وتحول الطاقة الميكانيكية إلى إشارات كهربائية. ثم يصبح جهاز استقبال بالموجات فوق الصوتية.

 

مبدأ فوق الصوتية t Ransducer  لمسافة  دبالموجات

يرسل جهاز الإرسال بالموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية في اتجاه معين، ويبدأ التوقيت في نفس وقت الإرسال. تنتشر الموجات فوق الصوتية في الهواء وتعود فورًا عند مواجهة عوائق في الطريق. يتوقف جهاز الاستقبال بالموجات فوق الصوتية عن التوقيت فورًا بعد تلقي الموجات المنعكسة. تبلغ سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء 340 م/ث. وفقاً للزمن t الذي سجله المؤقت، يمكن حساب المسافة (المسافة) بين نقطة الإطلاق والعائق، وهي: s=340t/2. وهذا ما يسمى بطريقة تحديد فرق التوقيت.

 

مبدأ مستشعر المدى بالموجات فوق الصوتية سرعة الانتشار المعروفة للموجات فوق الصوتية في الهواء لقياس الوقت الذي تواجه فيه الموجة الصوتية عوائق وتنعكس مرة أخرى بعد الإرسال، وحساب المسافة الفعلية من نقطة الإرسال إلى العائق بناءً على الفارق الزمني بين الإرسال والاستقبال. يستخدم ويمكن ملاحظة أن مبدأ النطاق بالموجات فوق الصوتية هو نفس مبدأ الرادار.

يتم التعبير عن صيغة مستشعر المدى على النحو التالي: L=C&TImes; T حيث L هو طول المسافة المقاسة؛ C هي سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء؛ T هو الفارق الزمني لانتشار المسافة المقاسة (T هو نصف قيمة الوقت من الإرسال إلى الاستقبال).

يستخدم مستشعر قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي لقياس المسافة في التذكيرات العكسية ومواقع البناء والمواقع الصناعية وما إلى ذلك. على الرغم من أن نطاق قياس المسافة الحالي يمكن أن يصل إلى 100 متر، إلا أن دقة القياس يمكن أن تصل إلى سنتيمترات فقط.

نظرًا لمزايا الانبعاث الاتجاهي السهل، والاتجاه الجيد، والتحكم السهل في الشدة، وعدم الاتصال المباشر بالجسم المقاس، فهي طريقة مثالية لقياس ارتفاع السائل. من الضروري تحقيق دقة قياس على مستوى المليمتر في القياس الدقيق لمستوى السائل، ولكن الدوائر المتكاملة الخاصة بالموجات فوق الصوتية المحلية الحالية هي دقة قياس على مستوى السنتيمتر فقط. من خلال تحليل أسباب خطأ المدى بالموجات فوق الصوتية، وتحسين فرق وقت القياس إلى مستوى الميكروثانية، واستخدام مستشعر درجة الحرارة LM92 لتعويض سرعة انتشار موجة الصوت، يمكن لمكتشف المدى بالموجات فوق الصوتية عالي الدقة الذي صممناه تحقيق دقة قياس على مستوى المليمتر.

تحليل الخطأ لجهاز استشعار المدى بالموجات فوق الصوتية

وفقًا لصيغة قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية L=C&TImes;T، يمكن معرفة أن خطأ قياس المسافة ناتج عن خطأ سرعة الانتشار بالموجات فوق الصوتية وخطأ وقت انتشار مسافة القياس.

خطأ الوقت

عندما يكون خطأ قياس المسافة أقل من 1 مم، افترض أن سرعة الموجات فوق الصوتية المعروفة C = 344 م / ث (درجة حرارة الغرفة 20 درجة مئوية)، وتجاهل خطأ انتشار سرعة الصوت. خطأ النطاق s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s هو 2.907 مللي ثانية.

في ظل فرضية أن سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية دقيقة، طالما أن دقة فرق وقت الانتشار للمسافة المقاسة تصل إلى مستوى ميكروثانية، فإنه يمكن التأكد من أن خطأ النطاق أقل من 1 مم. يمكن لمؤقت 89C51 أحادي الشريحة الذي يستخدم بلورة 12 ميجاهرتز كمرجع للساعة أن يحسب بسهولة بدقة 1μs، لذا يعتمد النظام مؤقت 89C51 لضمان أن خطأ الوقت يقع ضمن نطاق القياس 1 مم.

خطأ في سرعة الانتشار بالموجات فوق الصوتية

تتأثر سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية بالموجات فوق الصوتية  محول الطاقة  بمستشعر  بكثافة الهواء. كلما زادت كثافة الهواء، زادت سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية، كما أن كثافة الهواء لها علاقة وثيقة بدرجة الحرارة، كما هو موضح في الجدول 1.

تُعرف العلاقة بين سرعة الموجات فوق الصوتية ودرجة الحرارة على النحو التالي:

في الصيغة: r — نسبة السعة الحرارية للغاز عند ضغط ثابت إلى السعة الحرارية عند حجم ثابت، وهي 1.40 للهواء،

R — الثابت العالمي للغاز، 8.314 كجم·مول-1·K-1،

M - الوزن الجزيئي للغاز، الهواء 28.8×10-3 كجم·مول-1،

T — درجة الحرارة المطلقة، 273K+T°.

الصيغة التقريبية هي: C=C0+0.607&TImes;T°

حيث: C0 هي سرعة الموجة الصوتية عند درجة الصفر 332 م/ث؛

T هي درجة الحرارة الفعلية (°C).

عندما تكون دقة المدى بالموجات فوق الصوتية مطلوبة للوصول إلى 1 مم، يجب أن تؤخذ درجة الحرارة المحيطة لانتشار الموجات فوق الصوتية في الاعتبار. على سبيل المثال، عندما تكون درجة الحرارة 0 درجة مئوية، تكون سرعة الموجات فوق الصوتية 332 م / ث، وعند 30 درجة مئوية تكون 350 م / ث، ويكون تغير سرعة الموجات فوق الصوتية الناجم عن تغير درجة الحرارة 18 م / ث. إذا تم استخدام الموجات فوق الصوتية لقياس مسافة 100 متر بسرعة صوت 0 درجة مئوية في بيئة 30 درجة مئوية، فسيصل خطأ القياس إلى 5 أمتار، وسيصل خطأ القياس بمقدار 1 متر إلى 5 ملم.

احتياطات الاستخدام:

1. بما أن الموجات فوق الصوتية تتأثر بشكل كبير بالظروف البيئية والمناخية، فمن الأفضل استخدامها عندما يكون الطقس صافياً.

2. يقوم محدد المدى بالموجات فوق الصوتية بحساب المسافة بناءً على مبدأ الوقت الذي ينبعث فيه الجهاز ويستقبل الموجة المنعكسة للكائن المقاس، لذا يرجى الانتباه إلى تجنب الأشياء الأخرى في مساحة المسافة المقاسة عند استخدامه، وإلا فسيتسبب في انعكاسات متعددة. دقة القياس.

3. بما أن زاوية موجة الموجات فوق الصوتية كبيرة نسبيًا، يرجى الانتباه إلى عدم وجود أشياء (مثل أجهزة الكمبيوتر المكتبية، وما إلى ذلك) حول الطرف الأمامي للأداة أثناء القياس. متى يتم قياس PVDF  محول مبيت  بالموجات الصوتية  فوق . في وضع ثابت، ويجب أن تكون الواجهة الأمامية للجهاز بارزة من السطح حيث يتم وضع الكائن (على سبيل المثال، بارزة من نقطة خارج سطح المكتب)

4. يرجى الحفاظ على الجهاز بزاوية قائمة على سطح الجسم المراد قياسه عند القياس، والحفاظ على الجهاز نفسه أفقيًا أو رأسيًا قدر الإمكان.

5. عند استخدام محدد المدى بالموجات فوق الصوتية في الصيف، إذا كان قياسًا يدويًا، فمن الأفضل عدم حمله في يدك لفترة طويلة، حتى لا يتسبب في ارتفاع درجة حرارة الجهاز والتأثير على تشغيله الطبيعي.