Mechanizm dalmierza ultradźwiękowego

Jako medium do przesyłania informacji, ultradźwięk staje się coraz ważniejszy w różnych dziedzinach, takich jak wykrywanie wad, określanie odległości i pomiar prędkości, ze względu na jego bezpośrednie i odblaskowe właściwości oraz jego charakterystykę, na którą niełatwo wpływają czynniki zewnętrzne, takie jak światło i fale elektromagnetyczne. Fala ultradźwiękowa to fala dźwiękowa o częstotliwości wyższej niż 20 kHz. Ma dobrą kierunkowość, silną zdolność penetracji, łatwą do uzyskania skoncentrowaną energię dźwiękową, która ma dużą odległość w wodzie. Przetworniki ultradźwiękowe mogą być stosowane do pomiaru odległości, pomiaru prędkości, czyszczenia, spawania, kruszenia, sterylizacji. dezynfekcja itp. Znajduje wiele zastosowań w medycynie, wojsku, przemyśle i rolnictwie. Nazwa ultradźwięków pochodzi od ich dolnej granicy częstotliwości, która jest w przybliżeniu równa górnej granicy ludzkiego słuchu.

W obwodzie detekcji ultradźwiękowej impuls wyjściowy jest serią fal prostokątnych na końcu nadawczym. Szerokość tej serii fal kwadratowych to odstęp czasu pomiędzy wysłaniem fal ultradźwiękowych i ich odbiorem. Oczywiście im większa odległość pomiędzy mierzonymi obiektami, tym większa jest szerokość impulsu i impuls wyjściowy. Liczba jest proporcjonalna do odległości pomiaru. Przetwornik ultradźwiękowy ma zazwyczaj następujące metody:

(1) biorąc średnie napięcie impulsu wyjściowego, napięcie (amplituda napięcia jest w zasadzie stała) jest proporcjonalne do odległości i można zmierzyć napięcie pomiarowe;

(2) Pomiar szerokości impulsu wyjściowego, czyli odstępu czasu t pomiędzy nadawczą falą ultradźwiękową a odbiorczą falą ultradźwiękową. Dlatego odległość pomiarowa wynosi S = 1/2 vt.

Nadajniki ultradźwiękowe przesyłają fale ultradźwiękowe w określonym kierunku i rozpoczynają odmierzanie czasu w tym samym czasie, w którym następuje czas transmisji. Kiedy fale ultradźwiękowe rozchodzą się w powietrzu, natychmiast powrócą do przeszkód, a odbiorniki ultradźwiękowe przestaną odmierzać czas natychmiast po otrzymaniu odbitych fal. Prędkość propagacji fali ultradźwiękowej w powietrzu wynosi V i na podstawie różnicy czasu zmierzonej przez timer do pomiaru echa nadawanego i odbieranego można obliczyć odległość S punktu emisji od przeszkody, czyli: S = V·Δt / 2 ,Jest to metoda określania odległości różnicy czasu. Ponieważ ultradźwiękowe czujniki odległości są również rodzajem fal dźwiękowych, ich prędkość dźwięku jest powiązana z temperaturą i podaje się prędkość dźwięku w kilku różnych temperaturach. Podczas użytkowania, jeśli temperatura nie zmienia się zbytnio, prędkość dźwięku można uznać za zasadniczo stałą. Prędkość propagacji fali ultradźwiękowej w normalnej temperaturze wynosi 334 m/s, ale na jej prędkość propagacji V łatwo wpływają takie czynniki, jak temperatura, wilgotność i ciśnienie w powietrzu, na które duży wpływ ma temperatura. Na każdy 1°C wzrostu temperatury prędkość dźwięku wzrasta o 0,6 m/s. Jeżeli dokładność pomiaru odległości jest bardzo duża, należy ją skorygować metodą kompensacji temperatury. Gdy znana jest temperatura otoczenia T, wzór na obliczenie prędkości propagacji ultradźwięków V jest następujący: V = 331,45 + 0,607 T

Po określeniu prędkości dźwięku odległość można określić, mierząc czas podróży ultradźwiękowej w obie strony. Taki jest mechanizm dalmierza ultradźwiękowego.

1. Użyj portu IO TRIG do wyzwalania zakresu, zapewniając sygnał o wysokim poziomie co najmniej 10 us (szerokość jednego impulsu wynosi 10 us/jeden wysokiej mocy, czas trwania płaskiego wynosi 10 us.

2. Moduł automatycznie wysyła fale kwadratowe o częstotliwości 840 kHz, aby automatycznie wykryć, czy występuje powrót sygnału.

3. Następuje powrót sygnału i wysoki poziom jest wyprowadzany przez port IO ECHO. Czas trwania wysokiego poziomu to czas od transmisji do powrotu fali ultradźwiękowej. Odległość testowa = (wysoki czas * prędkość dźwięku / 2), VCC GND to zasilanie, TRIG to koniec sterowania (wejście), a ECHO to koniec powrotny (wyjście). TRIG daje impuls o wysokim poziomie, a SR40 zaczyna wysyłać fale ultradźwiękowe. Po odebraniu fali odbitej ECHO wysyła prawidłowy sygnał. Odległość można przeliczyć, mierząc różnicę czasu od początku wyzwolenia TRIG do otrzymania ECHO.

Ultradźwiękowy moduł pomiaru odległości HCSR04, VCC zapewnia zasilanie 5 V, GND jest uziemieniem, wejście sygnału sterującego wyzwalaniem TRIG, wyjście sygnału echa ECHO i pozostałe cztery zaciski interfejsu. Dostarczany jest sygnał wyzwalający impuls o częstotliwości 10 us lub większej, a moduł wewnętrznie emituje poziomy cyklu 40 kHz i wykrywa echa. Po wykryciu sygnału echa wykrywany jest wyjściowy sygnał echa. Szerokość impulsu sygnału echa jest proporcjonalna do zmierzonej odległości, przy czym odległość można obliczyć poprzez przesłanie sygnału do odbierającego sygnału echa.