Ultraäänietäisyyden mittausanturi

Taajuus Ultraääni -anturi , jonka ihmiset voivat kuulla, on 20Hz ~ 2KHz, eli kuultavia ääniaaltoja. Tämän taajuusalueen ulkopuolella olevaa ääntä, alle 20 Hz:n ultraääntä kutsutaan matalataajuiseksi ääniaaltoksi ja u yli 20 kHz:n ultraääntä ltääneksi ( u ltääni), yleisen puheen taajuus .Alue on 10 Hz-8 KHz. u lt-äänellä on hyvä suuntaavuus, vahva läpäisykyky, helppo saada keskitetty äänienergia ja sillä on pitkä etäisyys vedessä. Ultraääni on nimetty, koska sen alataajuus on suunnilleen sama kuin ihmisen kuulon yläraja.

 

Ultraäänitaajuusjakauma

Ultraääniaallot voivat levitä kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa eri nopeuksilla. Väliaineessa etenevien ultraääniaaltojen aaltomuoto riippuu siitä, millaista voimaa väliaine kestää ja kuinka ultraääniaaltoja viritetään väliaineessa.

 

Yleensä niitä on kolme tyyppiä:

(1) Pituusaaltotyyppi

Kun hiukkasten värähtelysuunta väliaineessa on yhdenmukainen ultraääniaallon etenemissuunnan kanssa, ultraääniaalto on pitkittäisaaltotilassa. Mikä tahansa kiinteä aine voi tuottaa pitkittäisiä aaltoja, kun sen tilavuus muuttuu vuorotellen. Sovellus teollisuudessa käyttää pääasiassa pitkittäistä värähtelyä.

(2) Leikkausaaltotyyppi

Kun väliaineessa olevan hiukkasen värähtelysuunta on kohtisuorassa ultraääniaallon etenemissuuntaan nähden, ultraääniaalto on poikittaisaalto. Koska kiinteä väliaine kestää leikkausmuodonmuutoksia tilavuuden muodonmuutoksen lisäksi, leikkausaaltoja voi syntyä, kun leikkausvoima vuorotellen vaikuttaa kiinteään väliaineeseen. Leikkausaallot voivat levitä vain kiinteässä väliaineessa.

 

(3) Pinta-aaltotila

Se on aalto, jolla on kaksoisominaisuudet: pitkittäisaalto ja poikittaisaalto, jotka etenevät kiinteää pintaa pitkin. Pinta-aaltoa voidaan pitää pinnan suuntaisten pitkittäisten aaltojen ja pintaa vastaan ​​kohtisuorassa olevien poikkiaaltojen synteesinä. Värähtelevän hiukkasen liikerata on ellipsi. Amplitudi on voimakkain 1/4 aallonpituuden syvyydellä pinnasta ja vaimenee nopeasti syvyyden kasvaessa . Itse asiassa hiukkasten värähtelyn amplitudi on jo hyvin heikko, kun se on enemmän kuin yhden aallonpituuden päässä pinnasta. Lisäksi ultraääniaalloilla on myös taittumis- ja heijastusilmiöitä, ja ne vaimentuvat etenemisen aikana. Ultraääni leviää ilmassa ja sen taajuus on alhainen, yleensä kymmeniä KHz, kun taas  on  kiinteä ja nestemäinen, taajuus voi olla korkeampi. Se vaimenee nopeammin ilmassa, mutta etenee nesteissä ja kiinteissä aineissa pienemmällä vaimenemisella ja kauempana.

Hyödyntämällä ominaisuuksia ultraäänianturi , se voidaan tehdä erilaisiksi ultraääniantureiksi, yhdistettynä erilaisiin piireihin ja erilaisiksi ultraäänimittauslaitteiksi ja -laitteiksi, joita voidaan käyttää etäisyyden mittaamiseen, nopeuden mittaukseen, puhdistukseen, hitsaukseen, soraan, sterilointiin jne., Ja viestinnässä, lääketieteessä , kodinkoneissa, armeijassa, teollisuudessa, maataloudessa ja muissa asioissa. On monia menetelmiä, jotka voivat tuottaa ultraääniaaltoja, yleisesti käytettyjä ovat pietsosähköinen vaikutusmenetelmä, magnetostriktiivinen menetelmä, sähköstaattinen vaikutusmenetelmä ja sähkömagneettinen vaikutusmenetelmä. Kun lyhyt jännitepulssi kohdistetaan pietsosähköisen kiekon kahteen napaan, käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen vuoksi pietsokeraaminen kiekko käy läpi elastista muodonmuutosta ja tuottaa elastista värähtelyä. Värähtelytaajuus liittyy kiekon paksuuteen ja äänen nopeuteen. Oikealla kiekon paksuuden valinnalla voidaan saada elastisia aaltoja ultraäänitaajuusalueella, eli ultraääniaaltoja. Tällä tavalla säteilevä ultraääniaaltopaketti, jota yleensä kutsutaan pulssiaalloksi.

 

Ultraäänietäisyysanturi ​

Ultraäänietäisyyden mittausanturia käytetään pääasiassa auton peruutustutkassa, robottiautomaattisessa esteiden välttämiskävelyssä, rakennustyömaalla ja joillakin teollisuuskohteilla, kuten  nestetasossa, kaivon syvyydessä, putkilinjan pituudessa ja muissa tilanteissa. Tällä hetkellä on kaksi yleisesti käytettyä ultraäänietäisyysanturia ,  joista toinen on ultraäänietäisyysanturi, joka  perustuu yhteen siruun tai sulautettuun laitteeseen, ja toinen on ultraäänietäisyysanturi, joka perustuu CPLD:hen (Complex Programmable Logic Device). Kokeessa käytettiin useita menetelmiä käyttämällä  sulautetun laitteen ohjelmointia luomaan neliöaalto taajuudella 40 kHz muuntimella  ,  jota lähettävä ohjauspiiri vahvisti saadakseen ultraäänianturin lähetyspään värähtelemään ja lähettämään ultraääniaaltoja. Ultraääniaalto heijastuu takaisin lähettimessä, vastaanotetaan anturin vastaanottopäässä, minkä jälkeen vastaanottopiiri vahvistaa ja muotoilee sen. Ultraäänietäisyysanturi,  jossa  on upotettu mikroydin, tallentaa ultraäänisäteilyn ajan ja sulautettujen laitteiden kautta heijastuneen aallon ajan. Kun ultraääniaallon heijastunut aalto vastaanotetaan, tapahtuu hyppy vastaanottopiirin lähtöpäässä. Laskemalla ajastin ja laskemalla aikaero voidaan laskea vastaava etäisyys.

 

periaate Äänentoistoanturin ​ ​​ ​

Ultraäänietäisyysmittausanturin periaate  on käyttää tunnettua ultraääniaaltojen etenemisnopeutta ilmassa mittaamaan aikaa, joka kuluu ääniaaltojen kohtaamiseen esteisiin ja heijastumiseen takaisin niiden lähettämisen jälkeen, sekä . laskea todellisen etäisyyden säteilypisteestä esteeseen säteilyn ja vastaanoton välisen aikaeron perusteella Ensinnäkin ultraäänilähetinanturi lähettää ultraääniaaltoja tiettyyn suuntaan ja aloittaa ajoituksen samaan aikaan säteilyajan kanssa. Ultraääniaallot etenevät ilmassa ja palaavat välittömästi kohdatessaan esteitä matkalla, ja ultraäänivastaanotin lopettaa ajoituksen heti heijastuneiden aaltojen vastaanottamisen jälkeen. Ultraääniaaltojen etenemisnopeus ilmassa on C=340m/s. Ajastimen tallentaman ajan T sekuntia mukaan voidaan laskea päästöpisteen ja esteen välinen etäisyys L, nimittäin: L= C×T /2. Tämä on niin kutsuttu aikaeron mittausmenetelmä. Koska ultraääni  on myös eräänlainen ääniaalto, sen äänennopeus C liittyy lämpötilaan. Taulukossa 1 on lueteltu äänen nopeus useissa eri lämpötiloissa. Käytössä, jos lämpötila ei juurikaan muutu, voidaan katsoa, ​​että äänen nopeus on periaatteessa vakio. Jos etäisyyden mittaustarkkuus on erittäin korkea, se tulee korjata lämpötilakompensoinnilla.

 

Ultraääniaallon nopeuden ja lämpötilan välinen suhde

Ultraääniaaltojen helpon suunnatun säteilyn, hyvän suunnan, helpon intensiteetin hallinnan ja suoran kosketuksen välttämättömyyden ansiosta se on ihanteellinen valinta peruutusmatkan mittaamiseen. Ultraääni etenee suoraviivaisesti. Mitä suurempi taajuus, sitä heikompi diffraktiokyky, mutta sitä vahvempi heijastuskyky. Siksi ultraääniantureiden muotti voidaan valmistaa käyttämällä tätä ultraääniaaltojen ominaisuutta. Lisäksi ultraääniaallot kulkevat hitaasti ilmassa, mikä tekee ultraääniantureiden käytöstä helppoa. Ultraäänianturit ovat antureita, jotka on kehitetty käyttämällä ultraääniaaltojen ominaisuuksia. Ultraääni on mekaaninen aalto, jonka värähtelytaajuus on korkeampi kuin ääniaaltojen ja joka syntyy anturisirun värähtelystä jännitteen viritteen vaikutuksesta. Sillä on korkea taajuus, lyhyt aallonpituus, pieni diffraktioilmiö, erityisen hyvä suuntaavuus, ja se voidaan suunnata säteiden leviämisominaisuuksiksi. Ultraäänellä on suuri läpäisykyky nesteisiin ja kiinteisiin aineisiin, erityisesti auringonvalolle läpäisemättömiin kiinteisiin aineisiin, se voi tunkeutua kymmenien metrien syvyyteen. Ultraääniaallot tuottavat merkittäviä heijastuksia, kun ne kohtaavat epäpuhtauksia tai rajapintoja muodostaen kaikuja, ja kun ne kohtaavat liikkuvia esineitä, ne tuottavat Doppler-efektejä. Siksi ultraäänitunnistusta käytetään laajalti teollisuudessa, maanpuolustuksessa, biolääketieteessä jne. u ultraääntä käytetään havaitsemismenetelmänä, ja ultraääniaaltoja on generoitava ja vastaanotettava. Laite, joka suorittaa tämän toiminnon, on ultraäänianturi, jota tavallisesti kutsutaan ultraäänianturiksi tai ultraäänianturiksi.

 

Ultraäänianturi koostuu pääasiassa bimorfisesta vibraattorista, kartiomaisesta resonanssilevystä ja elektrodeista. Kun tietty jännite syötetään kahden elektrodin väliin, pietsosähköinen keraaminen kiekko puristetaan mekaanisen muodonmuutoksen aikaansaamiseksi, ja pietsosähköinen kiekko palaa alkuperäiseen muotoonsa jännitteen poistamisen jälkeen. Jos jännite syötetään kahden navan väliin tietyllä taajuudella, myös pietsosähköinen keramiikka  värähtelee tietyllä taajuudella. On testattu, että tämän tyyppisen pietsosähköisen muuntimen luonnollinen taajuus on 38,4 KHz, ja  , jonka taajuus on 40 KHz .  neliöaaltopulssisignaali  molempiin napoihin syötetään Tällä hetkellä pietsosähköinen siru resonoi ja lähettää ultraääniaaltoja. Samalla tavalla ultraäänianturi ilman ulkoista pulssisignaalia resonoi myös, kun resonanssilevy vastaanottaa ultraääniaaltoja, ja kahden navan väliin muodostuu sähköinen signaali. Ultraäänianturi koostuu pääasiassa pietsosähköisistä kiekoista, jotka voivat sekä lähettää että vastaanottaa ultraääniaaltoja. Pienitehoisia ultraääniantureita käytetään useimmiten havaitsemiseen. Siinä on monia erilaisia ​​rakenteita, jotka voidaan jakaa suoraan anturiin (pitkittäinen aalto), vinoon anturiin (leikkausaalto), pinta-aaltoanturiin (pinta-aalto), lampaan aaltoon (Lamb wave), kaksoisanturiin (yksi koetin heijastus, yksi koetin vastaanotto).