analisi di principio del sensore di portata a ultrasuoni

Principio del generatore di ultrasuoni piezoelettrico

Il generatore di ultrasuoni piezoelettrico utilizza effettivamente la risonanza del cristallo piezoelettrico per funzionare. Viene mostrata la struttura interna del generatore di ultrasuoni. Ha due wafer piezoelettrici e una piastra di risonanza. Quando un segnale di impulso viene applicato ai suoi due poli, la cui frequenza è uguale alla frequenza di oscillazione naturale del wafer piezoelettrico, il wafer piezoelettrico entra in risonanza e fa vibrare la piastra di risonanza per generare onde ultrasoniche. Al contrario, se non viene applicata alcuna tensione tra i due elettrodi, quando la piastra di risonanza riceve onde ultrasoniche, spingerà il chip piezoelettrico a vibrare e convertirà l'energia meccanica in segnali elettrici. Quindi diventa un ricevitore ad ultrasuoni.

 

Principio di ultrasonico trasduttore  per  la distanza

Il trasmettitore a ultrasuoni emette onde ultrasoniche in una determinata direzione e inizia a cronometrare contemporaneamente al tempo di trasmissione. Le onde ultrasoniche si propagano nell'aria e ritornano immediatamente quando incontrano ostacoli sul percorso. Il ricevitore a ultrasuoni interrompe il cronometraggio immediatamente dopo aver ricevuto le onde riflesse. La velocità di propagazione delle onde ultrasoniche nell'aria è di 340 m/s. In base al tempo t registrato dal timer si può calcolare la distanza (s) tra il punto di lancio e l'ostacolo, ovvero: s=340t/2. Questo è il cosiddetto metodo della differenza di tempo.

 

Il principio di Il sensore di portata a ultrasuoni utilizza la velocità di propagazione nota delle onde ultrasoniche nell'aria per misurare il tempo in cui l'onda sonora incontra ostacoli e si riflette dopo la trasmissione e calcola la distanza effettiva dal punto di trasmissione all'ostacolo in base alla differenza di tempo tra trasmissione e ricezione. Si può vedere che il principio della misurazione ultrasonica è lo stesso di quello del radar.

La formula del sensore di portata è espressa come: L=C&TImes; T dove L è la lunghezza della distanza misurata; C è la velocità di propagazione delle onde ultrasoniche nell'aria; T è la differenza temporale della propagazione della distanza misurata (T è la metà del valore del tempo dall'emissione alla ricezione).

Il sensore di misurazione della distanza a ultrasuoni viene utilizzato principalmente per la misurazione della distanza in promemoria di retromarcia, cantieri, siti industriali, ecc. Sebbene l'intervallo di misurazione della distanza attuale possa raggiungere i 100 metri, la precisione della misurazione può raggiungere solo l'ordine dei centimetri.

Grazie ai vantaggi di una facile emissione direzionale, di una buona direttività, di un facile controllo dell'intensità e dell'assenza di contatto diretto con l'oggetto misurato, è un metodo ideale per la misurazione dell'altezza dei liquidi. È necessario ottenere una precisione di misurazione a livello millimetrico nella misurazione precisa del livello del liquido, ma gli attuali circuiti integrati speciali a portata di ultrasuoni domestici hanno solo una precisione di misurazione a livello centimetrico. Analizzando le cause dell'errore di portata ultrasonica, migliorando la differenza temporale di misurazione al livello dei microsecondi e utilizzando il sensore di temperatura LM92 per compensare la velocità di propagazione dell'onda sonora, il telemetro ultrasonico ad alta precisione da noi progettato può raggiungere una precisione di misurazione a livello millimetrico.

Analisi degli errori del sensore di portata a ultrasuoni

Secondo la formula di misurazione della distanza ultrasonica L=C&TImes;T, si può sapere che l'errore di misurazione della distanza è causato dall'errore della velocità di propagazione degli ultrasuoni e dall'errore del tempo di propagazione della distanza di misurazione.

errore temporale

Quando l'errore di misurazione della distanza deve essere inferiore a 1 mm, presupporre che la velocità ultrasonica nota C=344 m/s (temperatura ambiente 20 ℃) ​​e ignorare l'errore di propagazione della velocità del suono. L'errore di intervallo s△t<(0,001/344) ≈0,000002907s è 2,907 ms.

Partendo dalla premessa che la velocità di propagazione dell'onda ultrasonica è precisa, purché la precisione della differenza temporale di propagazione della distanza misurata raggiunga il livello del microsecondo, è possibile garantire che l'errore di portata sia inferiore a 1 mm. Il timer a chip singolo 89C51 che utilizza un cristallo da 12 MHz come riferimento dell'orologio può facilmente contare con una precisione di 1 μs, quindi il sistema adotta il timer 89C51 per garantire che l'errore temporale rientri nell'intervallo di misurazione di 1 mm.

Errore di velocità di propagazione degli ultrasuoni

La velocità di propagazione delle onde ultrasoniche del ultrasonico  trasduttore  sensore  è influenzata dalla densità dell'aria. Maggiore è la densità dell'aria, maggiore è la velocità di propagazione delle onde ultrasoniche e la densità dell'aria ha una stretta relazione con la temperatura, come mostrato nella Tabella 1.

La relazione tra velocità ultrasonica e temperatura è nota come segue:

Nella formula: r — il rapporto tra la capacità termica di un gas a pressione costante e la capacità termica a volume costante, che è 1,40 per l'aria,

R: la costante universale del gas, 8,314 kg·mol-1·K-1,

M—peso molecolare del gas, l'aria è 28,8&TImes;10-3kg·mol-1,

T—Temperatura assoluta, 273K+T℃.

La formula approssimativa è: C=C0+0,607&TImes;T℃

dove: C0 è la velocità dell'onda sonora a zero gradi 332m/s;

T è la temperatura effettiva (℃).

Quando si richiede che la precisione della misurazione ultrasonica raggiunga 1 mm, è necessario prendere in considerazione la temperatura ambiente della propagazione ultrasonica. Ad esempio, quando la temperatura è 0°C, la velocità ultrasonica è 332 m/s, e a 30°C è 350 m/s, e la variazione della velocità ultrasonica causata dalla variazione di temperatura è 18 m/s. Se gli ultrasuoni vengono utilizzati per misurare una distanza di 100 m a una velocità del suono di 0°C in un ambiente di 30°C, l'errore di misurazione raggiungerà 5 m e l'errore di misurazione di 1 m raggiungerà 5 mm.

Precauzioni per l'uso:

1. Poiché gli ultrasuoni sono fortemente influenzati dalle condizioni ambientali e climatiche, è meglio utilizzarli quando il tempo è sereno.

2. Il telemetro a ultrasuoni calcola la distanza in base al principio del tempo in cui lo strumento emette e riceve l'onda riflessa dell'oggetto misurato, quindi prestare attenzione a evitare altri oggetti nello spazio della distanza misurata quando lo si utilizza, altrimenti causerà riflessioni multiple. Precisione della misurazione.

3. Poiché l'angolo d'onda dell'onda ultrasonica è relativamente ampio, prestare attenzione a non posizionare oggetti (come scrivanie, ecc.) attorno all'estremità anteriore dello strumento durante la misurazione. Quando sta  alloggiamento in  con PVDF  ultrasonico Il trasduttore  misurando in una posizione fissa, l'estremità anteriore dello strumento dovrebbe sporgere dalla superficie su cui è posizionato l'oggetto (ad esempio, sporgere da un punto esterno al desktop).

4. Durante la misurazione, tenere lo strumento ad angolo retto rispetto alla superficie dell'oggetto da misurare e mantenere lo strumento stesso orizzontale o verticale il più possibile.

5. Quando si utilizza il telemetro a ultrasuoni in estate, se si tratta di una misurazione manuale, è meglio non tenerlo in mano troppo a lungo, per non causare il surriscaldamento dello strumento e comprometterne il normale funzionamento.