načelna analiza ultrazvučnog senzora dometa

Princip piezoelektričnog ultrazvučnog generatora

Piezoelektrični ultrazvučni generator zapravo koristi rezonanciju piezoelektričnog kristala za rad. Prikazana je unutarnja struktura ultrazvučnog generatora. Ima dvije piezoelektrične pločice i rezonantnu ploču. Kada se pulsni signal primijeni na njegova dva pola, čija je frekvencija jednaka prirodnoj frekvenciji oscilacija piezoelektrične pločice, piezoelektrična pločica će rezonirati i pokrenuti rezonantnu ploču da vibrira i generira ultrazvučne valove. Naprotiv, ako nema napona između dvije elektrode, kada rezonantna ploča primi ultrazvučne valove, ona će pritisnuti piezoelektrični čip da vibrira i pretvori mehaničku energiju u električne signale. Tada postaje ultrazvučni prijemnik.

 

Načelo od ultrazvučni pretvarač  udaljenosti ​​

Ultrazvučni odašiljač emitira ultrazvučne valove u određenom smjeru i počinje mjeriti vrijeme u isto vrijeme kada i vrijeme odašiljanja. Ultrazvučni valovi se šire u zraku i odmah se vraćaju kada naiđu na prepreke na putu. Ultrazvučni prijemnik prestaje mjeriti vrijeme odmah nakon primanja reflektiranih valova. Brzina širenja ultrazvučnih valova u zraku je 340m/s. Prema vremenu t koje je zabilježio mjerač vremena, može se izračunati udaljenost (s) između točke lansiranja i prepreke, i to: s=340t/2. Ovo je takozvana metoda rangiranja vremenske razlike.

 

Načelo od ultrazvučni senzor za domet koristi poznatu brzinu širenja ultrazvučnih valova u zraku za mjerenje vremena kada zvučni val naiđe na prepreke i reflektira se nakon prijenosa te izračuna stvarnu udaljenost od točke odašiljanja do prepreke na temelju vremenske razlike između prijenosa i prijema. Može se vidjeti da je princip ultrazvučnog određivanja udaljenosti isti kao kod radara.

Formula senzora dometa izražava se kao: L=C&TImes; T gdje je L izmjerena duljina udaljenosti; C je brzina širenja ultrazvučnih valova u zraku; T je vremenska razlika širenja izmjerene udaljenosti (T je polovica vrijednosti vremena od emisije do prijema).

Ultrazvučni senzor za mjerenje udaljenosti uglavnom se koristi za mjerenje udaljenosti u podsjetnicima za vožnju unazad, na gradilištima, industrijskim lokacijama itd. Iako trenutni raspon mjerenja udaljenosti može doseći 100 metara, točnost mjerenja može doseći samo redoslijed centimetara.

Zbog prednosti jednostavne usmjerene emisije, dobre usmjerenosti, jednostavne kontrole intenziteta i bez izravnog kontakta s mjerenim objektom, to je idealna metoda za mjerenje visine tekućine. Potrebno je postići milimetarsku točnost mjerenja u preciznom mjerenju razine tekućine, ali trenutni domaći ultrazvučni posebni integrirani krugovi imaju samo centimetarsku točnost mjerenja. Analizom uzroka greške ultrazvučnog određivanja udaljenosti, poboljšanjem vremenske razlike mjerenja na razinu mikrosekunde i upotrebom senzora temperature LM92 za kompenzaciju brzine širenja zvučnog vala, ultrazvučni daljinomjer visoke preciznosti koji smo dizajnirali može postići milimetarsku točnost mjerenja.

Analiza grešaka ultrazvučnog senzora za domet

Prema formuli ultrazvučnog mjerenja udaljenosti L=C&TImes;T, može se znati da je pogreška mjerenja udaljenosti uzrokovana pogreškom brzine širenja ultrazvuka i pogreškom vremena širenja udaljenosti mjerenja.

vremenska pogreška

Kada se zahtijeva da pogreška mjerenja udaljenosti bude manja od 1 mm, pretpostavite da je poznata ultrazvučna brzina C=344 m/s (20 ℃ sobna temperatura) i zanemarite pogrešku širenja brzine zvuka. Pogreška rangiranja s△t<(0,001/344) ≈0,000002907s je 2,907ms.

Pod pretpostavkom da je brzina širenja ultrazvučnog vala točna, sve dok točnost vremenske razlike širenja izmjerene udaljenosti dosegne razinu mikrosekunde, može osigurati da je pogreška određivanja dometa manja od 1 mm. 89C51 mjerač vremena s jednim čipom koji koristi kristal od 12MHz kao referentni sat može lako brojati do točnosti od 1 μs, tako da sustav usvaja 89C51 mjerač vremena kako bi osigurao da je vremenska pogreška unutar mjernog raspona od 1 mm.

Pogreška brzine širenja ultrazvuka

Na brzinu širenja ultrazvučnih valova u ultrazvučne  sonde  senzoru  utječe gustoća zraka. Što je veća gustoća zraka, veća je brzina širenja ultrazvučnih valova, a gustoća zraka je usko povezana s temperaturom, kao što je prikazano u tablici 1.

Odnos između brzine ultrazvuka i temperature poznat je na sljedeći način:

U formuli: r — omjer toplinskog kapaciteta plina pri stalnom tlaku prema toplinskom kapacitetu pri stalnom volumenu, koji za zrak iznosi 1,40,

R — Univerzalna konstanta plina, 8,314 kg·mol-1·K-1,

M—molekularna težina plina, zrak je 28,8&TImes;10-3kg·mol-1,

T—Apsolutna temperatura, 273K+T℃.

Približna formula je: C=C0+0,607&TImes;T℃

gdje je: C0 brzina zvučnog vala na nula stupnjeva 332 m/s;

T je stvarna temperatura (℃).

Kada se zahtijeva da točnost ultrazvučnog dometa dosegne 1 mm, mora se uzeti u obzir okolna temperatura širenja ultrazvuka. Na primjer, kada je temperatura 0°C, brzina ultrazvuka je 332m/s, a na 30°C je 350m/s, a promjena brzine ultrazvuka uzrokovana promjenom temperature je 18m/s. Ako se ultrazvuk koristi za mjerenje udaljenosti od 100 m pri brzini zvuka od 0°C u okolini od 30°C, pogreška mjerenja će doseći 5m, a pogreška mjerenja od 1m će dosegnuti 5mm.

Mjere opreza pri uporabi:

1. Budući da na ultrazvuk uvelike utječu okolišni i klimatski uvjeti, najbolje ga je koristiti kada je vedro vrijeme.

2. Ultrazvučni daljinomjer izračunava udaljenost na temelju načela vremena kada instrument emitira i prima reflektirani val mjerenog objekta, stoga obratite pozornost da izbjegavate druge objekte u prostoru mjerene udaljenosti kada ga koristite, inače će uzrokovati višestruke refleksije. Točnost mjerenja.

3. Budući da je valni kut ultrazvučnog vala relativno velik, obratite pozornost da tijekom mjerenja nemate predmete (kao što su stolna računala, itd.) oko prednjeg kraja instrumenta. Kada PVDF  kućište . u ultrazvučnom  pretvorniku )  mjeri u fiksnom položaju, prednji kraj instrumenta trebao bi stršati iz površine na kojoj je postavljen predmet (na primjer, stršiti iz točke izvan radne površine

4. Prilikom mjerenja držite instrument pod pravim kutom u odnosu na površinu objekta koji se mjeri, a sam instrument držite vodoravno ili okomito što je više moguće.

5. Kada koristite ultrazvučni daljinomjer ljeti, ako se radi o ručnom mjerenju, najbolje je da ga ne držite u ruci predugo, kako ne bi došlo do pregrijavanja instrumenta i utjecaja na njegov normalan rad.