अल्ट्रासोनिक रेंजिंग सेंसर के सिद्धांत और अल्ट्रासोनिक रेंजिंग ट्रांसड्यूसर के सर्किट डिजाइन का विस्तृत अवलोकन

अल्ट्रासोनिक तरंगों की मजबूत दिशा, धीमी ऊर्जा खपत और माध्यम में लंबी दूरी के कारण, अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग अक्सर दूरी मापने के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, अल्ट्रासोनिक रेंजफाइंडर और स्तर मापने वाले उपकरणों को अल्ट्रासोनिक तरंगों द्वारा महसूस किया जा सकता है। अल्ट्रासोनिक परीक्षण अक्सर त्वरित, सुविधाजनक, गणना करने में सरल, वास्तविक समय नियंत्रण प्राप्त करने में आसान होता है, और माप सटीकता के संदर्भ में औद्योगिक व्यावहारिक आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है, इसलिए इसका उपयोग मोबाइल रोबोट के विकास में भी व्यापक रूप से किया गया है। मोबाइल रोबोट को स्वचालित रूप से बाधाओं से बचने और चलने के लिए, उसे दूरी मापने की प्रणाली से सुसज्जित किया जाना चाहिए ताकि वह समय पर बाधा से दूरी की जानकारी (दूरी और दिशा) प्राप्त कर सके। इस लेख में पेश की गई तीन-दिशा (सामने, बाएँ और दाएँ) अल्ट्रासोनिक दूरी माप प्रणाली रोबोट को उसके सामने, बाएँ और दाएँ वातावरण को समझने के लिए गति दूरी की जानकारी प्रदान करने के लिए है।

दूसरा, का सिद्धांत अल्ट्रासोनिक दूरी ट्रांसड्यूसर

1. अल्ट्रासोनिक जनरेटर

अल्ट्रासाउंड का अध्ययन और उपयोग करने के लिए, कई अल्ट्रासाउंड जनरेटर डिजाइन और बनाए गए हैं। सामान्यतया, अल्ट्रासोनिक जनरेटर को दो श्रेणियों में विभाजित किया जा सकता है: एक है विद्युत रूप से अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न करना, और दूसरा है यांत्रिक रूप से अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न करना। विद्युत विधियों में पीजोइलेक्ट्रिक, मैग्नेटोस्ट्रिक्टिव और इलेक्ट्रिक आदि शामिल हैं; यांत्रिक विधियों में बांसुरी, तरल सीटी और वायु सीटी शामिल हैं। उनके द्वारा उत्पन्न अल्ट्रासोनिक तरंगों की आवृत्ति, शक्ति और ध्वनि विशेषताएँ भिन्न होती हैं, इसलिए उनके उपयोग भी भिन्न होते हैं। वर्तमान में, पीज़ोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक जनरेटर का अधिक उपयोग किया जाता है।

2. पीजोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक जनरेटर का सिद्धांत

पीजोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक जनरेटर वास्तव में काम करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल की अनुनाद का उपयोग करता है। अल्ट्रासोनिक जनरेटर की आंतरिक संरचना दिखाई गई है। इसमें दो पीजोइलेक्ट्रिक वेफर्स और एक अनुनाद प्लेट है। जब इसके दो ध्रुवों पर एक पल्स सिग्नल लगाया जाता है, जिसकी आवृत्ति पीजोइलेक्ट्रिक वेफर की प्राकृतिक दोलन आवृत्ति के बराबर होती है, तो पीजोइलेक्ट्रिक वेफर प्रतिध्वनित होगा और अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्पन्न करने के लिए अनुनाद प्लेट को कंपन करने के लिए प्रेरित करेगा। इसके विपरीत, यदि दो इलेक्ट्रोडों के बीच कोई वोल्टेज लागू नहीं किया जाता है, तो जब अनुनाद प्लेट अल्ट्रासोनिक तरंगें प्राप्त करती है, तो यह कंपन करने के लिए पीजोइलेक्ट्रिक चिप पर दबाव डालेगी और यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करेगी, और फिर यह एक अल्ट्रासोनिक रिसीवर बन जाएगी।

3. का सिद्धांत दूरी मापने के लिए अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर

अल्ट्रासोनिक ट्रांसमीटर एक निश्चित दिशा में अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्सर्जित करता है और प्रक्षेपण समय के साथ ही समय शुरू कर देता है। अल्ट्रासोनिक तरंगें हवा में फैलती हैं और रास्ते में बाधाओं का सामना करने पर तुरंत लौट आती हैं। अल्ट्रासोनिक रिसीवर परावर्तित तरंगें प्राप्त करने के तुरंत बाद समय बंद कर देता है। हवा में अल्ट्रासोनिक तरंग की प्रसार गति 340m/s है। टाइमर द्वारा रिकॉर्ड किए गए समय t के अनुसार, प्रक्षेपण बिंदु और बाधाओं के बीच की दूरी की गणना की जा सकती है, अर्थात्: s=340t/2

चित्र 1 अल्ट्रासोनिक सेंसर संरचना

यह तथाकथित समय अंतर रेंजिंग विधि है।

तीसरा, अल्ट्रासोनिक रेंजिंग ट्रांसड्यूसर का सर्किट डिजाइन

इस प्रणाली की विशेषता अल्ट्रासोनिक तरंगों के संचरण को नियंत्रित करने और ट्रांसमिशन से रिसेप्शन तक अल्ट्रासोनिक तरंगों के राउंड-ट्रिप समय को नियंत्रित करने के लिए एकल-चिप माइक्रो कंप्यूटर का उपयोग है। सिंगल-चिप चयन किफायती और उपयोग में आसान है, और आसान प्रोग्रामिंग के लिए 4K ROM ऑन-चिप है। सर्किट योजनाबद्ध आरेख दिखाया गया है। केवल फ्रंट रेंजिंग सर्किट का वायरिंग आरेख खींचा गया है, और बाएं और दाएं रेंजिंग सर्किट फ्रंट रेंजिंग सर्किट के समान हैं।

1. 40kHz पल्स जेनरेशन और अल्ट्रासोनिक उत्सर्जन

दूरी मापने की प्रणाली में अल्ट्रासोनिक सेंसर UCM40 के पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक सेंसर को अपनाता है, और इसका कार्यशील वोल्टेज 40kHz का पल्स सिग्नल है, जो निम्नलिखित प्रोग्राम को निष्पादित करने वाले सिंगल-चिप कंप्यूटर द्वारा उत्पन्न होता है।

फ्रंट रेंजिंग सर्किट का इनपुट टर्मिनल सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर के P1.0 पोर्ट से जुड़ा है। सिंगल-चिप माइक्रो कंप्यूटर उपरोक्त प्रोग्राम को निष्पादित करने के बाद, यह P1.0 पोर्ट पर 40kHz पल्स सिग्नल आउटपुट करता है, जो ट्रांजिस्टर T द्वारा प्रवर्धित होता है, अल्ट्रासोनिक ट्रांसमीटर UCM40T को चलाता है, और 40kHz स्पंदित अल्ट्रासोनिक तरंगें भेजता है। और 200ms प्रसारित करना जारी रखें। दाएं और बाएं रेंजिंग सर्किट के इनपुट सिरे क्रमशः P1.1 और P1.2 पोर्ट से जुड़े होते हैं, और कार्य सिद्धांत फ्रंट रेंजिंग सर्किट के समान होता है।

2. अल्ट्रासोनिक रिसेप्शन और प्रसंस्करण

प्राप्तकर्ता हेड ट्रांसमिटिंग हेड के साथ युग्मित UCM40R को अपनाता है, अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर सेंसर अल्ट्रासोनिक मॉड्यूलेटेड पल्स को एक वैकल्पिक वोल्टेज सिग्नल में परिवर्तित करता है, जिसे ऑपरेशनल एम्पलीफायरों IC1A और IC1B द्वारा बढ़ाया जाता है और फिर IC2 में जोड़ा जाता है। IC2 एक लॉक लूप के साथ एक ऑडियो डिकोडिंग एकीकृत ब्लॉक LM567 है। आंतरिक वोल्टेज-नियंत्रित ऑसिलेटर की केंद्र आवृत्ति f0=1/1.1R8C3 है, और कैपेसिटर C4 इसकी लॉकिंग बैंडविड्थ निर्धारित करता है। ट्रांसमिटिंग कैरियर फ़्रीक्वेंसी पर R8 को समायोजित करने पर, LM567 इनपुट सिग्नल 25mV से अधिक होता है, और आउटपुट पिन 8 उच्च स्तर से निम्न स्तर में बदल जाता है, जिसे इंटरप्ट अनुरोध सिग्नल के रूप में उपयोग किया जाता है और प्रसंस्करण के लिए माइक्रोकंट्रोलर को भेजा जाता है।

फ्रंट रेंजिंग सर्किट का आउटपुट टर्मिनल MCU INT0 पोर्ट से जुड़ा है, इंटरप्ट प्राथमिकता उच्चतम है, बाएं और दाएं रेंजिंग सर्किट का आउटपुट AND गेट IC3A के आउटपुट के माध्यम से MCU INT1 पोर्ट से जुड़ा है, जबकि MCU P1.3 और P1.4 IC3A के इनपुट से जुड़े हैं। अंत में, इंटरप्ट स्रोत की पहचान प्रोग्राम क्वेरी द्वारा नियंत्रित की जाती है, और इंटरप्ट प्राथमिकता पहले दाईं ओर और फिर बाईं ओर होती है।