Ultraäänietäisyysanturin periaate ja käyttöönotto

Mikä on ultraäänietäisyysanturi

Ultraääniaaltojen voimakkaan suuntaavuuden, hitaan energiankulutuksen ja väliaineen pitkien etäisyyksien vuoksi ultraääniaaltoja käytetään usein etäisyysmittaukseen. Esimerkiksi ultraäänietäisyysmittarit ja tasonmittauslaitteet voidaan toteuttaa ultraääniaaltojen avulla. Ultraäänietäisyysanturimoduuli on usein nopea, kätevä, helppo laskea, helppo saavuttaa reaaliaikainen ohjaus ja se voi täyttää teollisuuden käytännön vaatimukset mittaustarkkuuden suhteen, joten sitä on käytetty laajalti myös mobiilirobottien kehityksessä.

Jotta mobiilirobotti voisi automaattisesti välttää esteitä ja kävellä, se on varustettava etäisyysmittausjärjestelmällä, jotta se voi saada etäisyystiedot (etäisyys ja suunta) esteestä ajoissa. Kolmisuuntainen (etu-, vasen- ja oikea) ultraäänietäisyysmittausanturi esiteltiin tarjoamaan liikeetäisyystietoa robotille, jotta se ymmärtää etu-, vasen- ja oikea-ympäristönsä.

Ultraäänimittausanturin periaate

1, ultraäänigeneraattori

 Ultraääniaaltojen tutkimista ja käyttöä varten on suunniteltu ja valmistettu monia ultraäänigeneraattoreita. Yleisesti ottaen ultraäänigeneraattorit voidaan jakaa kahteen luokkaan: toinen on tuottaa ultraääniaaltoja sähköisesti ja toinen on tuottaa ultraääniaaltoja mekaanisesti. Sähköisiä menetelmiä ovat pietsosähköiset, magnetostriktiiviset ja sähköiset jne.; mekaanisia menetelmiä ovat galton-huilu, nestepilli ja ilmapilli. Niiden tuottamien ultraääniaaltojen taajuus, teho ja ominaisuudet ovat erilaisia, joten myös niiden käyttötarkoitukset ovat erilaisia. Tällä hetkellä pietsosähköinen Ultraäänietäisyysanturia käytetään yleisemmin.

2, pietsosähköisen ultraäänigeneraattorin periaate

Pietsosähköinen ultraäänigeneraattori todella käyttää pietsosähköisen kiteen resonanssia toimiakseen. Ultraäänigeneraattorin sisäinen rakenne on esitetty kuvassa. Siinä on kaksi pietsosähköistä kiekkoa ja resonanssilevy. Kun pulssisignaali syötetään sen kahteen napaan ja taajuus on yhtä suuri kuin pietsosähköisen kiekon luonnollinen värähtelytaajuus, pietsosähköinen kiekko resonoi ja saa resonanssilevyn värähtelemään ultraääniaaltojen tuottamiseksi. Päinvastoin, jos kahden elektrodin väliin ei kohdisteta jännitettä, kun resonanssilevy vastaanottaa ultraääniaaltoja, se painaa pietsosähköistä sirua värähtelemään ja muuttamaan mekaanisen energian sähköisiksi signaaleiksi. Sitten siitä tulee ultraäänivastaanotin.

3, ultraäänimittausanturin periaate

 Ultraäänilähetin lähettää ultraääniaaltoja tiettyyn suuntaan ja aloittaa ajoituksen samaan aikaan kuin laukaisu. Ultraääniaallot leviävät ilmassa ja palaavat välittömästi, kun matkalla kohtaavat esteitä. Ultraäänivastaanotin lopettaa ajoituksen välittömästi, kun se vastaanottaa heijastuneita aaltoja. Ultraääniaaltojen etenemisnopeus ilmassa on 340 m/s. Ajastimen tallentaman ajan t mukaan voidaan laskea laukaisupisteen ja esteen välinen etäisyys (s), nimittäin: s=340t/2. Tämä on niin kutsuttu aikaeron mittausmenetelmä.

Ultraäänietäisyysanturin periaate on käyttää tunnettua ultraääniaaltojen etenemisnopeutta ilmassa mittaamaan aikaa, jolloin ääniaalto kohtaa esteitä ja heijastuu takaisin lähetyksen jälkeen, ja laskea todellinen etäisyys lähetyspisteestä esteeseen lähetyksen ja vastaanoton välisen aikaeron perusteella. Voidaan nähdä, että ultraäänietäisyyden periaate on sama kuin tutkan.

Kaavassa L on mitattu etäisyyden pituus; C on ultraääniaaltojen etenemisnopeus ilmassa; T on mittausetäisyyden etenemisen aikaero (T on puolet lähetyksen aika-arvosta vastaanottoon).

Arduinon ultraäänietäisyysantureita käytetään pääasiassa etäisyyden mittaamiseen peruutusmuistutuksissa, rakennustyömailla, teollisuuskohteissa jne. Vaikka nykyinen etäisyysmittausalue voi olla 100 metriä, mittaustarkkuus voi olla vain senttimetrin luokkaa.

Helppojen suuntalähetysten, hyvän suuntaavuuden, helpon intensiteetin hallinnan ja suoran kosketuksen puuttumisen ansiosta mitattavaan kohteeseen ultraääniaallot ovat ihanteellinen menetelmä nesteen korkeuden mittaamiseen. Tarkassa nestepinnan pinnanmittauksessa on saavutettava millimetritason mittaustarkkuus, mutta nykyiset kotimaiset ultraäänietäisyydenmittauserityiset integroidut piirit ovat vain senttimetritason mittaustarkkuutta. Analysoimalla ultraäänietäisyysvirheen syitä, parantamalla mittausaikaeroa mikrosekunnin tasolle ja käyttämällä LM92-lämpötila-anturia ääniaallon etenemisnopeuden kompensoimiseen, suunnittelemamme erittäin tarkka ultraäänietäisyysmittari voi saavuttaa millimetritason mittaustarkkuuden.