princip analýzy ultrazvukového snímače vzdálenosti

Princip piezoelektrického ultrazvukového generátoru

Piezoelektrický ultrazvukový generátor ve skutečnosti využívá k práci rezonanci piezoelektrického krystalu. Je znázorněna vnitřní struktura ultrazvukového generátoru. Má dvě piezoelektrické destičky a rezonanční destičku. Když se na jeho dva póly přivede pulzní signál, jehož frekvence je rovna frekvenci vlastní oscilace piezoelektrického plátku, bude piezoelektrický plátek rezonovat a pohání rezonanční desku, aby vibrovala za generování ultrazvukových vln. Naopak, pokud mezi dvě elektrody není přivedeno žádné napětí, když rezonanční deska přijímá ultrazvukové vlny, přitlačí piezoelektrický čip, aby vibroval a přeměnil mechanickou energii na elektrické signály. Pak se z něj stane ultrazvukový přijímač.

 

Princip ultrazvukový vysílač  na  dálku​

Ultrazvukový vysílač vysílá ultrazvukové vlny v určitém směru a spouští časování současně s časem vysílání. Ultrazvukové vlny se šíří vzduchem a při střetu s překážkami na cestě se okamžitě vracejí. Ultrazvukový přijímač zastaví časování ihned po přijetí odražených vln. Rychlost šíření ultrazvukových vln ve vzduchu je 340 m/s. Podle času t zaznamenaného časovačem lze vypočítat vzdálenost (s) mezi místem startu a překážkou, a to: s=340t/2. Jedná se o tzv. metodu časového rozdílu.

 

Princip ultrazvukový snímač vzdálenosti má používat známou rychlost šíření ultrazvukových vln ve vzduchu k měření času, kdy zvuková vlna narazí na překážky a po přenosu se odrazí zpět, a vypočítat skutečnou vzdálenost od vysílacího bodu k překážce na základě časového rozdílu mezi vysíláním a příjmem. Je vidět, že princip ultrazvukového určování vzdálenosti je stejný jako u radaru.

Vzorec snímače vzdálenosti je vyjádřen jako: L=C&TImes; T kde L je změřená délka vzdálenosti; C je rychlost šíření ultrazvukových vln ve vzduchu; T je časový rozdíl šíření naměřené vzdálenosti (T je polovina hodnoty času od vysílání k příjmu).

Ultrazvukový senzor pro měření vzdálenosti se používá především pro měření vzdálenosti v upomínkách na couvání, na stavbách, v průmyslových areálech atd. Přestože současný rozsah měření vzdálenosti může dosáhnout 100 metrů, přesnost měření může dosahovat pouze řádově centimetrů.

Díky výhodám snadného směrového vyzařování, dobré směrovosti, snadnému ovládání intenzity a žádnému přímému kontaktu s měřeným objektem je to ideální metoda pro měření výšky kapaliny. Při přesném měření hladiny kapalin je nutné dosáhnout milimetrové přesnosti měření, ale současné domácí ultrazvukové speciální integrované obvody dosahují pouze centimetrové přesnosti měření. Analýzou příčin chyby ultrazvukového určování vzdálenosti, zlepšením časového rozdílu měření na mikrosekundovou úroveň a použitím teplotního senzoru LM92 pro kompenzaci rychlosti šíření zvukové vlny může námi navržený vysoce přesný ultrazvukový dálkoměr dosáhnout přesnosti měření na milimetrové úrovni.

Chybová analýza ultrazvukového snímače vzdálenosti

Podle vzorce pro měření ultrazvukové vzdálenosti L=C&TImes;T může být známo, že chyba měření vzdálenosti je způsobena chybou rychlosti šíření ultrazvuku a chybou doby šíření vzdálenosti měření.

časová chyba

Pokud je požadováno, aby chyba měření vzdálenosti byla menší než 1 mm, předpokládejte, že známá rychlost ultrazvuku C=344 m/s (20°C pokojová teplota) a ignorujte chybu šíření rychlosti zvuku. Chyba rozsahu s△t<(0,001/344) ≈0,000002907s je 2,907 ms.

Za předpokladu, že rychlost šíření ultrazvukové vlny je přesná, pokud přesnost časového rozdílu šíření měřené vzdálenosti dosáhne úrovně mikrosekund, může zajistit, že chyba rozsahu je menší než 1 mm. Jednočipový časovač 89C51 využívající 12MHz krystal jako referenční hodiny může snadno počítat s přesností 1 μs, takže systém používá časovač 89C51, aby zajistil, že časová chyba bude v rozsahu měření 1 mm.

Chyba rychlosti šíření ultrazvuku

Rychlost šíření ultrazvukových vln u ultrazvukového  převodníku  snímače  je ovlivněna hustotou vzduchu. Čím vyšší je hustota vzduchu, tím rychlejší je rychlost šíření ultrazvukových vln a hustota vzduchu úzce souvisí s teplotou, jak ukazuje tabulka 1.

Vztah mezi rychlostí ultrazvuku a teplotou je znám následovně:

Ve vzorci: r — poměr tepelné kapacity plynu při konstantním tlaku k tepelné kapacitě při konstantním objemu, což je pro vzduch 1,40,

R – Univerzální konstanta plynu, 8,314kg·mol-1·K-1,

M – molekulová hmotnost plynu, vzduch je 28,8 × 10-3 kg·mol-1,

T – Absolutní teplota, 273 K+T℃.

Přibližný vzorec je: C=C0+0,607&TImes;T℃

kde: C0 je rychlost zvukové vlny při nula stupních 332 m/s;

T je skutečná teplota (℃).

Pokud je požadována přesnost ultrazvukového rozsahu dosahující 1 mm, je třeba vzít v úvahu okolní teplotu šíření ultrazvuku. Například, když je teplota 0 °C, je rychlost ultrazvuku 332 m/s a při 30 °C je 350 m/s a změna rychlosti ultrazvuku způsobená změnou teploty je 18 m/s. Pokud je ultrazvuk použit k měření vzdálenosti 100 m při rychlosti zvuku 0°C v prostředí 30°C, chyba měření dosáhne 5m a chyba měření 1m dosáhne 5mm.

Opatření pro použití:

1. Vzhledem k tomu, že ultrazvuk je značně ovlivněn okolními a klimatickými podmínkami, je nejlepší jej používat za jasného počasí.

2. Ultrazvukový dálkoměr vypočítává vzdálenost na principu času, kdy přístroj vysílá a přijímá odraženou vlnu měřeného objektu, proto prosím dávejte pozor, abyste se při jeho použití vyhnuli jiným objektům v prostoru měřené vzdálenosti, jinak způsobí mnohonásobné odrazy. Přesnost měření.

3. Vzhledem k tomu, že vlnový úhel ultrazvukové vlny je relativně velký, dávejte pozor, abyste během měření neměli kolem přední části přístroje předměty (jako jsou stolní počítače atd.). Když PVDF  pouzdro měří  ultrazvukového )  vysílače . v pevné poloze, přední konec přístroje by měl vyčnívat z povrchu, kde je umístěn předmět (např. vyčnívat z bodu mimo pracovní plochu

4. Při měření mějte prosím přístroj v pravém úhlu k povrchu měřeného předmětu a samotný přístroj udržujte pokud možno vodorovně nebo svisle.

5. Při používání ultrazvukového dálkoměru v létě, pokud se jedná o ruční měření, je nejlepší jej nedržet v ruce příliš dlouho, aby nedošlo k přehřátí přístroje a ovlivnění jeho normální činnosti.