Ultrazvukový převodník pro měření vzdálenosti

Frekvence Ultrazvukový snímač , který lidé slyší, je 20Hz~2KHz, tedy slyšitelné zvukové vlny. Zvuk mimo tento frekvenční rozsah, ultra zvuk pod 20 Hz se nazývá nízkofrekvenční zvuková vlna a ultra zvuk nad 20 kHz se nazývá u ltrasound ( u ltrasound), frekvence obecně řečeno .Rozsah je 10 Hz-8 kHz. Ultrazvuk má dobrou směrovost, silnou pronikavost, snadno získává koncentrovanou zvukovou energii a má velkou vzdálenost ve vodě. Ultrazvuk je pojmenován, protože jeho dolní frekvenční limit je přibližně rovna horní hranici lidského sluchu.

 

Rozdělení frekvence ultrazvuku

Ultrazvukové vlny se mohou šířit v plynech, kapalinách a pevných látkách různými rychlostmi. Tvar vlny ultrazvukových vln šířících se v médiu závisí na tom, jakou sílu médium vydrží a jak vybudit ultrazvukové vlny na médiu.

 

Obvykle existují tři typy:

(1) Typ podélné vlny

Když je směr vibrací částic v médiu konzistentní se směrem šíření ultrazvukové vlny, je ultrazvuková vlna v režimu podélné vlny. Jakékoli pevné médium může vytvářet podélné vlny, když se jeho objem střídavě mění. Aplikace v průmyslu využívá hlavně podélnou oscilaci.

(2) Typ smykové vlny

Když je směr vibrací částice v médiu kolmý ke směru šíření ultrazvukové vlny, je ultrazvuková vlna příčnou vlnou. Protože pevné médium může kromě objemové deformace nést i smykovou deformaci, mohou vznikat smykové vlny, když smyková síla střídavě působí na pevné médium. Smykové vlny se mohou šířit pouze v pevném prostředí.

 

(3) Režim povrchových vln

Jde o vlnu s dvojími vlastnostmi vlnění podélného a vlnění příčného šířícího se po pevném povrchu. Povrchovou vlnu lze považovat za syntézu podélných vln rovnoběžných s povrchem a příčných vln kolmých k povrchu. Trajektorie vibrující částice je elipsa. Amplituda je nejsilnější v hloubce 1/4 vlnové délky od povrchu a se vzrůstající hloubkou rychle slábne . Ve skutečnosti je amplituda vibrací částic již velmi slabá, když je od povrchu vzdálena o více než jednu vlnovou délku. Ultrazvukové vlny mají navíc jevy lomu a odrazu a jejich útlumu. při šíření dochází k Ultrazvuk se šíří vzduchem a jeho frekvence je nízká, obecně desítky kHz, zatímco v  pevném  a kapalném stavu může být frekvence vyšší. Ve vzduchu se zeslabuje rychleji, ale v kapalinách a pevných látkách se šíří s menším útlumem a dalším šířením.

Využití vlastností ultrazvukový senzor rozsahu , lze z něj vyrobit různé ultrazvukové senzory, spojené s různými obvody a vyrobit z nich různé ultrazvukové měřicí přístroje a zařízení, které lze použít pro měření vzdálenosti, měření rychlosti, čištění, svařování, štěrk, sterilizaci atd., a v komunikaci, lékařství , domácích spotřebičích, vojenství, průmyslu, zemědělství a dalších aspektech jsou široce používány. Existuje mnoho metod, které mohou generovat ultrazvukové vlny, běžně používané jsou metoda piezoelektrického efektu, metoda magnetostrikčního efektu, metoda elektrostatického efektu a metoda elektromagnetického efektu. Když je na dva póly piezoelektrické destičky aplikován krátký napěťový impuls, v důsledku inverzního piezoelektrického jevu piezokeramická destička pružnou deformaci a vytvoří elastickou oscilaci. podstoupí Frekvence oscilací souvisí s tloušťkou plátku a rychlostí zvuku. Správným výběrem tloušťky plátku lze získat elastické vlny v rozsahu ultrazvukových frekvencí, tedy ultrazvukové vlny. To, co je emitováno tímto způsobem, je paket ultrazvukových vln, obvykle nazývaný pulzní vlna.

 

Ultrazvukový rozsahu snímač

Ultrazvukový vzdálenosti snímač se používá hlavně v couvacím radaru, robotickém automatickém vyhýbání se překážkám, staveništi a některých průmyslových areálech, jako je  hladina kapaliny, hloubka studny, délka potrubí a další příležitosti. V současné době existují dva běžně používané ultrazvukové měřící převodníky,  jeden je ultrazvukový měřící převodník  založený na jednočipovém nebo vestavěném zařízení a druhý je ultrazvukový měřící systém založený na CPLD (Complex Programmable Logic Device). V experimentu bylo použito několik schémat s  použitím programování vestavěného zařízení pro generování obdélníkové vlny s frekvencí 40 kHz  převodníku  , která byla zesílena vysílacím budicím obvodem, aby vysílací konec ultrazvukového senzoru osciloval a emitoval ultrazvukové vlny. Ultrazvuková vlna je odražena zpět vysílačem, přijata přijímacím koncem snímače a poté zesílena a tvarována přijímacím obvodem. Ultrazvukový rozsahový  měnič  s vestavěným mikrojádrem zaznamenává dobu ultrazvukové emise a dobu odražené vlny vestavěným zařízením. Když je přijata odražená vlna ultrazvukové vlny, skoku . na výstupním konci přijímacího obvodu dojde ke Počítáním časovače a výpočtem časového rozdílu lze vypočítat odpovídající vzdálenost.

 

Princip ultrazvukového ​ měření​ snímače

Princip ultrazvukového  převodníku pro měření vzdálenosti spočívá v použití známé rychlosti šíření ultrazvukových vln vzduchem k měření doby, kterou zvukové vlny potřebují k tomu, aby narazily na překážky a odrazily se zpět poté, co byly vyzařovány, a k výpočtu skutečné vzdálenosti od bodu vyzařování k překážce na základě časového rozdílu mezi vysíláním a příjmem. Za prvé, převodník ultrazvukového vysílače vysílá ultrazvukové vlny v určitém směru a spouští časování ve stejnou dobu jako čas vyzařování. Ultrazvukové vlny se šíří vzduchem a se okamžitě vrátí a ultrazvukový přijímač zastaví časování ihned po přijetí odražených vln. při střetu s překážkami na cestě Rychlost šíření ultrazvukových vln ve vzduchu je C=340m/s. Podle času T sekund zaznamenaného časovačem lze vypočítat vzdálenost L mezi emisním bodem a překážkou, a to: L= C×T /2. Jedná se o tzv. metodu časového rozdílu. Protože ultras ound  je také druh zvukové vlny, jeho rychlost zvuku C souvisí s teplotou. Tabulka 1 uvádí rychlost zvuku při několika různých teplotách. Při použití, pokud se teplota příliš nemění, lze mít za to, že rychlost zvuku je v podstatě konstantní. Pokud je přesnost měření vzdálenosti velmi vysoká, měla by být korigována teplotní kompenzací.

 

Vztah mezi rychlostí ultrazvukových vln a teplotou

Vzhledem k výhodám snadného směrového vyzařování ultrazvukových vln, dobré směrovosti, snadnému ovládání intenzity a bez nutnosti přímého kontaktu s měřeným objektem je ideální volbou pro měření zpětné vzdálenosti. Ultrazvuk se šíří přímočaře. Čím vyšší frekvence, tím slabší je difrakční schopnost, ale silnější schopnost odrazu. Proto, formu ultrazvukových senzorů . Pomocí této vlastnosti ultrazvukových vln lze vyrobit Ultrazvukové vlny se navíc ve vzduchu šíří pomalu, což usnadňuje použití ultrazvukových senzorů. Ultrazvukové senzory jsou senzory vyvinuté s využitím charakteristik ultrazvukových vln. Ultrazvuk je mechanické vlnění s frekvencí vibrací vyšší než mají zvukové vlny, které vzniká vibrací čipu snímače při buzení napětí. Má vysokou frekvenci, krátkou vlnovou délku, malý difrakční jev, zvláště dobrou směrovost a může být orientován jako charakteristiky šíření paprsků. Ultrazvuk má velkou penetrační schopnost k kapalinám a pevným látkám, zvláště u pevných látek, které jsou neprůhledné pro sluneční záření, dokáže proniknout až do hloubky desítek metrů. Ultrazvukové vlny budou produkovat významné odrazy, když se setkají s nečistotami nebo rozhraními za účelem vytvoření ozvěny, a když se setkají s pohybujícími se objekty, budou produkovat Dopplerovy efekty. Proto je ultrazvuková detekce široce používána v průmyslu, národní obraně, biomedicíně atd. u ultrazvuk se používá jako detekční metoda a ultrazvukové vlny musí být generovány a přijímány. Zařízení, které provádí tuto funkci, je ultrazvukový senzor, který se obvykle nazývá ultrazvukový převodník nebo ultrazvuková sonda.

 

Ultrazvukový senzor se skládá hlavně z bimorfního vibrátoru, kuželové rezonanční desky a elektrod. Když se mezi dvě elektrody přivede určité napětí, piezoelektrický keramický plátek bude stlačen za vzniku mechanické deformace a piezoelektrický plátek se vrátí do svého původního tvaru po odstranění napětí. Pokud se mezi dva póly přivede napětí o určité frekvenci, bude piezoelektrická keramika  také vibrovat s určitou frekvencí. Je testováno, že vlastní frekvence tohoto typu piezoelektrického měniče je 38,4 kHz a  obdélníkový pulzní signál s frekvencí  měniče 40 kHz.  na dva póly je přiveden V této době piezoelektrický čip rezonuje a vysílá ultrazvukové vlny. Stejně tak ultrazvukový senzor bez externího pulzního signálu bude také rezonovat, když rezonanční deska přijme ultrazvukové vlny, a mezi dvěma póly bude generován elektrický signál. Ultrazvuková sonda se skládá hlavně z piezoelektrických plátků, které mohou jak vysílat, tak přijímat ultrazvukové vlny. nízkovýkonové ultrazvukové měniče . K detekci se většinou používají Má mnoho různých struktur, které lze rozdělit na přímou sondu (podélná vlna), šikmou sondu (smyková vlna), povrchovou vlnovou sondu (povrchová vlna), Lamb vlnovou sondu (Lamb vlna), dvojitou sondu (jeden odraz sondy, jeden příjem sondy) čekat.