prinsip pengukuran jarak ultrasonik dan sistem pengukuran paras cecair berketepatan tinggi

pengukuran jarak ultrasonik  Sensor  mempunyai beberapa kelebihan, tetapi terdapat banyak faktor yang mempengaruhi ketepatan pengukuran, jadi sukar untuk mencapai ketepatan yang lebih tinggi. Berdasarkan prinsip pengukuran jarak ultrasonik, suhu, dan program pampasan kelembapan  transduser ultrasonik  adalah tunggal, yang tidak dapat mencapai ukuran jarak ketepatan tinggi dalam persekitaran yang boleh berubah dan keras, dan program pampasan penyekat standard untuk transduser ultrasonik dwi .Kosnya tinggi dan tidak boleh digunakan secara meluas untuk kecacatan dalam pelbagai bidang. Skim pampasan penyekat piawai tunggal  bagi p iezoelektrik u ltrasonik  sensor  direka yang menggunakan gear stereng untuk mengawal arah transduser ultrasonik. Sebagai tindak balas kepada keperluan bahawa hadapan gema pertama tidak dapat ditangkap dengan tepat, penguat perolehan boleh atur cara dicadangkan untuk menangkap bahagian hadapan gema pada jarak yang berbeza. Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa dalam julat 7 m, apabila udara digunakan sebagai medium perambatan dan permukaan reflektif adalah air dengan sifat pelepasan yang baik, ralat pengukuran dikawal dalam 0.4%. Kaedah yang lebih baik ini boleh mencapai kos rendah di bawah persekitaran yang keras dan boleh berubah.

 

pengenalan

Pada masa ini, terdapat banyak kaedah pengukuran aras cecair, seperti pengukuran aras apungan, pengukuran aras berbantukan tekanan input, pengukuran aras radar gelombang mikro, pengukuran aras inframerah, pengukuran aras laser dan pengukuran aras ultrasonik. Antaranya, sensor tekanan  diwakili  oleh pengukuran sentuhan , yang akan tercemar apabila digunakan dalam adegan seperti sedimen berat, dan kemudian menyebabkan ralat besar. Untuk sistem julat bukan hubungan, pengukuran paras cecair radar gelombang mikro secara teknikalnya sukar dan mahal; pengukuran paras cecair inframerah adalah rendah dalam kos dan mudah dilaksanakan, tetapi mempunyai kearah yang lemah dan ketepatan yang rendah; manakala pengukuran tahap cecair ultrasonik boleh dilakukan tanpa c ontacting permukaan cecair , yang  mengelakkan pengaruh pencemaran cecair dan kakisan pada peralatan pengukur, ia  tidak tertakluk kepada cahaya, asap, gangguan elektromagnet, dan mempunyai kelebihan resolusi tinggi, struktur sistem mudah, pemasangan yang mudah, dan kos rendah.

Kaedah julat ultrasonik terutamanya termasuk kaedah pengesanan fasa, kaedah pengesanan amplitud gelombang akustik dan kaedah pengesanan masa transit. Walaupun kaedah pengesanan fasa mempunyai ketepatan yang tinggi, julat pengukuran adalah terhad, jadi ia kurang digunakan; kaedah pengesanan amplitud gelombang akustik mempunyai ketepatan yang rendah dan mudah dipengaruhi oleh gelombang pantulan; manakala kaedah masa transit adalah antara dua kaedah pertama, dengan ketepatan dan ukuran yang lebih tinggi Ia mempunyai julat yang luas dan digunakan secara meluas.

Dalam aplikasi praktikal, reka bentuk sistem julat mempunyai pengaruh yang besar terhadap ketepatan julat. Oleh itu, menganalisis prinsip kerja dan proses julat ultrasonik, menambah baik kaedah dan kaedah julat, dan meningkatkan ketepatan transduser julat ultrasonik telah menarik lebih banyak perhatian. Mengikut persekitaran khusus sistem julat, kaedah meningkatkan ketepatan adalah sedikit berbeza. Artikel ini memberi tumpuan kepada mengurangkan pengaruh persekitaran luaran, pilihan transduser ultrasonik digabungkan dengan realisasi sistem tertentu, untuk meningkatkan ketepatan pengukuran tahap ultrasonik.

 

Prinsip u ltrasonik r anging

Gelombang ultrasonik yang digunakan untuk pengukuran jarak biasanya dihasilkan oleh kesan piezoelektrik seramik piezoelektrik. Penderia seramik piezoelektrik ini mempunyai dua wafer piezoelektrik dan plat resonans. Apabila kekerapan isyarat nadi luaran dua peringkat adalah sama dengan wafer piezoelektrik yang wujud Pada frekuensi ayunan, wafer piezoelektrik akan bergema dan memacu plat resonans untuk bergetar, dengan itu menghasilkan gelombang ultrasonik; apabila plat resonans menerima gelombang ultrasonik, ia akan menekan wafer piezoelektrik untuk bergetar dan menukar tenaga mekanikal kepada isyarat elektrik.

Prinsip  transduser julat ultrasonik  ditunjukkan. Menggunakan halaju perambatan v gelombang ultrasonik yang diketahui di udara, transduser ultrasonik memancarkan gelombang ultrasonik secara menegak ke permukaan cecair, dan gelombang bunyi dipantulkan pada antara muka antara permukaan air dan gas dan dihantar kembali ke transduser ultrasonik, dan masa perambatan t direkodkan, iaitu, dari Masa dari menghantar isyarat ultrasonik kepada menerima isyarat ultrasonik, dan jarak transducer cecair antara gelombang ultrasonik. L=0.5vt, dan kemudian paras cecair sebenar ialah:

S=HL=H-0.5vt(1)

 

Mempengaruhi faktor pengukuran dan penyelesaian

Menurut formula (1), faktor utama yang mempengaruhi ketepatan julat ultrasonik adalah kelajuan penyebaran ultrasonik dan masa penyebaran ultrasonik. Di samping itu, terdapat frekuensi ultrasonik yang mempengaruhi julat pengukuran dan ketepatan. Di sini, masa penyebaran tidak dikaji dan dibincangkan, hanya kesilapan dalam dua aspek lain dikaji dan dianalisis, dan penyelesaian yang munasabah dicadangkan.

 

Halaju perambatan ultrasonik

Kebanyakan literatur mencadangkan untuk menggunakan kaedah pembetulan suhu untuk mengimbangi kelajuan bunyi, dan formula kelajuan perambatan ialah v=331.5+0.607T, dengan T ialah suhu (℃). Kemudian, kaedah pampasan dwi suhu dan kelembapan telah dicadangkan, dan formula kelajuan perambatan ialah:

Antaranya, pw ialah tekanan separa wap air, p ialah tekanan atmosfera, T0 ialah suhu mutlak, t ialah suhu udara yang diukur, dan v ialah halaju gelombang ultrasonik selepas pampasan. Penulis percaya bahawa udara sebenar tidak kering sepenuhnya, dan purata jisim molar dan nisbah haba tentu udara diperbetulkan. Walaupun kaedah ini mengambil kira pengaruh kelembapan pada kelajuan bunyi, kelajuan perambatan juga berkaitan dengan medium perambatan, kelajuan angin, dan tekanan di bawah keadaan persekitaran sebenar. Faktor lain adalah berkaitan, jadi hasil pengukuran masih mempunyai ralat yang besar.

 

Berdasarkan pengaruh persekitaran terhadap kelajuan penyebaran, beberapa literatur mencadangkan kaedah pengukuran penanda aras. Prinsipnya ialah menggunakan kaedah dua saluran. Satu saluran digunakan untuk mengukur kelajuan perambatan ultrasonik. Penyekat standard dengan jarak yang diketahui diletakkan di hadapan transduser ultrasonik. Mengukur perbezaan  masa gelombang ultrasonik yang mencapai penyekat untuk mengira kelajuan perambatan gelombang ultrasonik dalam persekitaran; saluran yang satu lagi masih mengukur jarak mengikut kaedah pengukuran biasa. Oleh itu, kaedah pemasangan penyekat standard yang ditunjukkan adalah dicadangkan. Kaedah ini boleh mencapai ukuran ketepatan yang lebih tinggi dan menyesuaikan diri dengan pelbagai persekitaran yang kompleks. Walau bagaimanapun, terdapat keperluan yang ketat untuk pemasangan penyekat standard. Oleh itu, pengiraan yang sepadan adalah dua kali ganda . peta kedudukan pemasangan transduser ultrasonik adalah rumit, dan ketidakpastian persekitaran sebenar boleh menyebabkan gelombang ultrasonik mencapai penyekat untuk menghasilkan gelombang ultrasonik yang tidak berguna melalui pelbagai pantulan, yang menjejaskan ketepatan pengukuran. Oleh itu, transduser ultrasonik dwi dicadangkan .Satu digunakan untuk mengukur kelajuan perambatan, dan satu lagi digunakan untuk mengukur masa perambatan, tanpa menjejaskan satu sama lain. Walaupun kaedah ini mengurangkan kerumitan pengiraan, menghapuskan gelombang ultrasonik yang tidak berguna, dan meningkatkan ketepatan pengukuran, kos kedua-dua transduser adalah agak besar, yang tidak kondusif untuk popularisasi.

 

Berdasarkan penyelidikan dan analisis di atas, kertas ini mencadangkan kaedah menggunakan gear stereng untuk mengawal arah transduser ultrasonik tunggal, yang bukan sahaja mengambil kira faktor yang mempengaruhi kelajuan penyebaran, tetapi juga mengurangkan kos, yang bermanfaat untuk popularisasi dalam pelbagai bidang. penyekat piawai diletakkan secara menegak dan diletakkan pada garisan mendatar yang sama dengan transduser ultrasonik. Jarak antara keduanya adalah tetap dan lebih besar daripada zon buta transduser ultrasonik; gear stereng mengawal transduser ultrasonik Dalam arah, mikrokomputer cip tunggal menghantar arahan untuk membuat gear stereng mengawal transduser untuk menghadap permukaan cecair secara menegak, dan menghantar gelombang ultrasonik untuk mengukur masa perambatan, kemudian mengawal transduser untuk berputar 90°, menghadap penyekat standard secara menegak, dan menghantar gelombang ultrasonik untuk mengukur kelajuan perambatan.

 

 

Kekerapan ultrasonik

Persamaan gelombang perambatan ultrasonik di udara, di mana A ialah amplitud yang diterima oleh transduser ultrasonik, A0 ialah amplitud awal yang dipancarkan oleh transduser ultrasonik, x ialah jarak perambatan gelombang ultrasonik, ω ialah frekuensi sudut gelombang ultrasonik, dan t ialah gelombang ultrasonik Masa perambatan, λ ialah panjang gelombang pada ultrabunyi, λ ialah panjang gelombang ultrasonik, λ ialah panjang gelombang ultrasonik α=bf2, dengan b ialah pemalar dielektrik dan f ialah kekerapan ultrasound.

Menurut persamaan (3), dapat dilihat bahawa apabila jarak perambatan gelombang ultrasonik di udara mencapai 0.5α, amplitud gelombang ultrasonik dilemahkan kepada 1/e daripada asal. Semakin tinggi frekuensi ultrasonik, semakin teruk pengecilan dan semakin kecil julat jarak yang boleh dikesan, tetapi semakin kecil sudut hamparan gelombang ultrasonik yang dipancarkan, semakin nipis pancaran dan semakin baik kearaharahnya.

mencadangkan penggunaan pembentuk dwi pembanding untuk menentukan pinggir hadapan gema, tetapi disebabkan ketidakpastian persekitaran pengukuran sebenar, kedua-dua ambang pembanding mungkin ditetapkan terlalu kecil atau terlalu besar, menyebabkan ketepatan pengukuran berkurangan. Berdasarkan ini, artikel ini mencadangkan untuk menggunakan penguat keuntungan boleh atur cara PGA112 untuk meningkatkan ketepatan menangkap tepi hadapan gema pertama melalui pembetulan berbilang keuntungan.

reka bentuk perisian

3.1 Idea reka bentuk program dan titik perhatian yang berkaitan

Untuk mencapai pengukuran paras cecair berketepatan tinggi, kerja yang perlu diselesaikan oleh perisian:

(1) Hasilkan ultrasound 40 kHz;

(2) Mengukur masa perambatan gelombang ultrasonik;

(3) Kawal stereng gear stereng untuk mengawal arah pemancar dan penerimaan hujung transduser ultrasonik;

(4) Ukur kelajuan perambatan gelombang ultrasonik;

(5) Pilih frekuensi ultrasonik yang sesuai sebagai objek ujian mengikut jarak;

(6) Kira ketinggian paras cecair dan lakukan tindakan yang sepadan seperti paparan data. Kereta api nadi 40 kHz peranti dijana oleh perisian; pengukuran masa perambatan dan kelajuan gelombang ultrasonik, dan kawalan stereng gear stereng diselesaikan oleh pemasaan/kaunter mikrokomputer cip tunggal.

Semasa menulis program sistem, pertimbangkan sambungan perkakasan, tetapi pertimbangkan juga untuk menetapkan ruang storan, penggunaan daftar dan pin gangguan luaran. Di samping itu, kerana kewujudan selepas getaran dan pembelauan gelombang terbias, ia mengambil satu tempoh masa untuk menerima gema selepas tamat penghantaran gelombang ultrasonik untuk pemprosesan yang sepadan.

Aliran program utama

Sistem ini menggunakan pengaturcaraan modular, termasuk modul program utama, modul pengukuran masa perambatan ultrasonik, modul stereng gear stereng, modul pengukuran kelajuan perambatan ultrasonik, modul pengiraan paras cecair, paparan data dan lain-lain yang sepadan. u sensor jarak modul ltrasonik . Selepas sistem dimulakan, gunakan pernyataan while(1) untuk mencapai gelung tak terhingga berikut: mula-mula panggil modul pengukuran masa perambatan ultrasonik, dan pada masa yang sama hantar ultrasonik, hidupkan kaunter untuk memulakan pemasaan, dan matikan gangguan luaran. Lengah 1 ms, kemudian hidupkan gangguan luaran dan tunggu gema. Apabila gema dikesan, hentikan pemasa dalam program gangguan luaran, simpan nilai pemasa, dan bendera penerimaan gema ditetapkan kepada 1. Kemudian panggil modul stereng gear stereng, hidupkan kaunter untuk memulakan pemasaan, dan kawal kedudukan 1, apabila lebar nadi lebih besar daripada 2.5 ms, kawalan kedudukan 0; apabila kiraan mencecah 3 ms, kaunter dikosongkan untuk menjadikan gear stereng 90°. Kemudian panggil modul pengukuran halaju perambatan ultrasonik, dan hitung halaju bunyi melalui jarak tetap penyekat standard. Dalam modul stereng gear stereng, tetapkan lebar nadi kepada 1.5 ms untuk menjadikan gear stereng bertukar kepada 0°. Akhir sekali, mikropengawal memanggil program pengiraan paras cecair dan melakukan tindakan yang sepadan seperti paparan data.

Keputusan dan analisis eksperimen

Sistem ini mengukuhkan perisian pada mikrokomputer cip tunggal STC12C5A60S2. Untuk mengesahkan kesan pengukuran sistem pengukuran paras cecair ultrasonik, tangki air dengan kadar aliran yang agak stabil telah dipilih di luar untuk pengukuran, dan paras air ditukar dengan mengawal injap. Sistem dipasang 7 m dari bahagian bawah tangki. Kaedah mengambil purata 3 ukuran diguna pakai untuk mengurangkan ralat rawak sistem.

Hasil pengukuran bagi dibandingkan Transduser jarak ltrasonik dengan data ukuran tolok air, seperti yang ditunjukkan dalam Jadual 1. Menurut pengukuran eksperimen dan analisis ralat, sistem ini mempunyai zon buta ukuran 30 mm, dan ralat pengukuran pada dasarnya dikawal pada 0.4%, mencapai julat ketepatan tinggi, yang boleh memenuhi keperluan pengukuran dalam pengeluaran perindustrian dan pertanian.

Ucapan penutup

Dalam sistem pengukuran paras cecair ultrasonik, berdasarkan analisis penuh punca-punca u sensor transduser ltrasonik , untuk pengukuran kelajuan perambatan ultrasonik, mengikut pengaruh faktor persekitaran dan pertimbangan isu kos, adalah dicadangkan untuk menggunakan gear stereng untuk mengawal arah transduser ultrasonik untuk mencapai Kaedah pembetulan pampasan sekat yang menjimatkan kos, memudahkan reka bentuk dan mempertimbangkan sepenuhnya faktor kesan alam sekitar adalah kaedah dan kaedah tahap teknikal yang tidak dinyatakan dalam literatur yang relevan. Untuk tangkapan tepat tepi hadapan gema ultrasonik pertama, kaedah boleh atur cara perolehan digunakan untuk menambah baik tangkapan tepi hadapan gema pertama, dengan itu meningkatkan ketepatan julat. Dalam aplikasi perindustrian dan pertanian dengan tema penjimatan tenaga, perlindungan alam sekitar dan kesederhanaan, kaedah yang dipertingkatkan ini telah menjadi idea baharu untuk pengukuran tahap ultrasonik dengan kelebihannya yang unik.