تجزیه و تحلیل اصلی سنسور محدوده اولتراسونیک

اصل ژنراتور اولتراسونیک پیزوالکتریک

ژنراتور اولتراسونیک پیزوالکتریک در واقع از رزونانس کریستال پیزوالکتریک برای کار استفاده می کند. ساختار داخلی ژنراتور اولتراسونیک نشان داده شده است. دارای دو ویفر پیزوالکتریک و صفحه رزونانس است. هنگامی که یک سیگنال پالسی به دو قطب آن اعمال می شود که فرکانس آن برابر با فرکانس نوسان طبیعی ویفر پیزوالکتریک است، ویفر پیزوالکتریک طنین انداز می شود و صفحه تشدید را به سمت ارتعاش سوق می دهد تا امواج اولتراسونیک تولید کند. برعکس، اگر ولتاژی بین دو الکترود اعمال نشود، هنگامی که صفحه تشدید امواج اولتراسونیک را دریافت می‌کند، تراشه پیزوالکتریک را فشار می‌دهد تا ارتعاش کند و انرژی مکانیکی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل کند. سپس به گیرنده اولتراسونیک تبدیل می شود.

 

اصل از t اولتراسونیک ransducer  برای  d istance

فرستنده اولتراسونیک امواج مافوق صوت را در جهت خاصی ساطع می کند و همزمان با زمان ارسال شروع به زمان بندی می کند. امواج مافوق صوت در هوا منتشر می شوند و با برخورد با موانع در راه بلافاصله برمی گردند. گیرنده اولتراسونیک بلافاصله پس از دریافت امواج منعکس شده زمان بندی را متوقف می کند. سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در هوا 340 متر بر ثانیه است. با توجه به زمان t ثبت شده توسط تایمر، فاصله (s) بین نقطه پرتاب و مانع را می توان محاسبه کرد، یعنی: s=340t/2. این روش به اصطلاح دامنه اختلاف زمانی است.

 

اصل از سنسور محدوده مافوق صوت استفاده از سرعت انتشار شناخته شده امواج مافوق صوت در هوا برای اندازه گیری زمان برخورد موج صوتی با موانع و بازتاب پس از ارسال و محاسبه فاصله واقعی از نقطه انتقال تا مانع بر اساس اختلاف زمانی بین ارسال و دریافت است. مشاهده می شود که اصل برد اولتراسونیک مانند رادار است.

فرمول سنسور محدوده به صورت زیر بیان می شود: L=C&TIME; T که در آن L طول فاصله اندازه گیری شده است. C سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در هوا است. T اختلاف زمانی انتشار فاصله اندازه گیری شده است (T نیمی از مقدار زمان از انتشار تا دریافت است).

سنسور اندازه‌گیری فاصله اولتراسونیک عمدتاً برای اندازه‌گیری فاصله در یادآورهای معکوس، سایت‌های ساخت‌وساز، سایت‌های صنعتی و غیره استفاده می‌شود. اگرچه محدوده اندازه‌گیری فاصله فعلی می‌تواند به 100 متر برسد، دقت اندازه‌گیری فقط می‌تواند به سانتی‌متر برسد.

به دلیل مزایای انتشار آسان جهت، جهت دهی خوب، کنترل آسان شدت و عدم تماس مستقیم با جسم اندازه گیری شده، روشی ایده آل برای اندازه گیری ارتفاع مایع است. دستیابی به دقت اندازه گیری سطح میلی متری در اندازه گیری دقیق سطح مایع ضروری است، اما مدارهای مجتمع ویژه محدوده اولتراسونیک داخلی فعلی فقط دقت اندازه گیری در سطح سانتی متر هستند. با تجزیه و تحلیل علل خطای محدوده اولتراسونیک، بهبود اختلاف زمان اندازه‌گیری تا سطح میکروثانیه، و استفاده از حسگر دمای LM92 برای جبران سرعت انتشار امواج صوتی، فاصله یاب اولتراسونیک با دقت بالا که ما طراحی کردیم، می‌تواند به دقت اندازه‌گیری در سطح میلی‌متر دست یابد.

تجزیه و تحلیل خطا سنسور محدوده اولتراسونیک

با توجه به فرمول اندازه گیری فاصله اولتراسونیک L=C&TImes;T، می توان دانست که خطای اندازه گیری فاصله ناشی از خطای سرعت انتشار اولتراسونیک و خطای زمان انتشار فاصله اندازه گیری است.

خطای زمانی

زمانی که خطای اندازه‌گیری فاصله کمتر از 1 میلی‌متر باشد، فرض کنید که سرعت اولتراسونیک شناخته شده C=344 متر بر ثانیه (دمای اتاق 20 درجه سانتیگراد)، و خطای انتشار سرعت صوت را نادیده بگیرید. خطای محدوده s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 2.907 میلی ثانیه است.

با این فرض که سرعت انتشار موج اولتراسونیک دقیق است، تا زمانی که دقت اختلاف زمانی انتشار فاصله اندازه‌گیری شده به سطح میکروثانیه برسد، می‌توان اطمینان حاصل کرد که خطای محدوده کمتر از 1 میلی‌متر است. تایمر تک تراشه 89C51 با استفاده از یک کریستال 12 مگاهرتز به عنوان مرجع ساعت می تواند به راحتی با دقت 1μs شمارش کند، بنابراین سیستم از تایمر 89C51 استفاده می کند تا اطمینان حاصل شود که خطای زمانی در محدوده اندازه گیری 1 میلی متر است.

خطای سرعت انتشار اولتراسونیک

سرعت انتشار امواج مافوق صوت در التراسونیک  مبدل  حسگر  تحت تأثیر چگالی هوا است. همانطور که در جدول 1 نشان داده شده است، هر چه چگالی هوا بیشتر باشد، سرعت انتشار امواج مافوق صوت بیشتر است و چگالی هوا با دما رابطه نزدیکی دارد.

رابطه بین سرعت اولتراسونیک و دما به شرح زیر شناخته می شود:

در فرمول: r - نسبت ظرفیت گرمایی یک گاز در فشار ثابت به ظرفیت گرمایی در حجم ثابت، که برای هوا 1.40 است.

R - ثابت جهانی گاز، 8.314kgmol-1·K-1،

M-وزن مولکولی گاز، هوا 28.8&Times;10-3kg·mol-1 است،

T-دمای مطلق، 273K+T℃.

فرمول تقریبی این است: C=C0+0.607&TImes;T℃

جایی که: C0 سرعت موج صوتی در صفر درجه 332 متر بر ثانیه است.

T دمای واقعی (℃) است.

هنگامی که دقت محدوده اولتراسونیک برای رسیدن به 1 میلی متر مورد نیاز است، دمای محیط انتشار اولتراسونیک باید در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، هنگامی که دما 0 درجه سانتیگراد است، سرعت مافوق صوت 332 متر بر ثانیه و در 30 درجه سانتیگراد 350 متر بر ثانیه است و تغییر سرعت اولتراسونیک ناشی از تغییر دما 18 متر بر ثانیه است. اگر از اولتراسونیک برای اندازه گیری فاصله 100 متری با سرعت صوت 0 درجه سانتی گراد در محیط 30 درجه سانتی گراد استفاده شود، خطای اندازه گیری به 5 متر و خطای اندازه گیری 1 متر به 5 میلی متر می رسد.

اقدامات احتیاطی برای استفاده:

1. از آنجایی که سونوگرافی بسیار تحت تاثیر شرایط محیطی و آب و هوایی قرار می گیرد، بهتر است زمانی که هوا صاف است از آن استفاده شود.

2. مسافت یاب اولتراسونیک بر اساس اصل زمانی که دستگاه موج انعکاس یافته جسم اندازه گیری شده را ساطع و دریافت می کند، فاصله را محاسبه می کند، بنابراین لطفاً در هنگام استفاده از آن توجه داشته باشید که از اجسام دیگر در فضای فاصله اندازه گیری شده خودداری کنید، در غیر این صورت باعث بازتاب های متعدد می شود. دقت اندازه گیری

3. از آنجایی که زاویه موج امواج مافوق صوت نسبتاً زیاد است، لطفاً توجه داشته باشید که در هنگام اندازه گیری، اجسامی (مانند رومیزی و غیره) در اطراف انتهای جلوی دستگاه قرار نگیرید. چه زمانی PVDF  با استفاده از  در التراسونیک  .تراسونگر  یک موقعیت ثابت اندازه گیری می شود، انتهای جلوی ابزار باید از سطحی که جسم قرار گرفته است بیرون زده باشد (مثلاً از نقطه ای خارج از دسکتاپ بیرون زده)

4. لطفاً هنگام اندازه گیری، ابزار را در زوایای قائمه با سطح جسم مورد اندازه گیری قرار دهید و تا حد امکان خود دستگاه را افقی یا عمودی نگه دارید.

5. زمانی که از فاصله یاب اولتراسونیک در تابستان استفاده می کند، اگر اندازه گیری دستی است، بهتر است آن را برای مدت طولانی در دست خود نگیرید تا باعث داغ شدن بیش از حد دستگاه و عملکرد عادی آن نشود.