Zasada i wprowadzenie ultradźwiękowego czujnika odległości

Co to jest ultradźwiękowy czujnik odległości

Ze względu na dużą kierunkowość fal ultradźwiękowych, powolne zużycie energii i duże odległości w ośrodku, do pomiaru odległości często wykorzystuje się fale ultradźwiękowe. Na przykład dalmierze ultradźwiękowe i przyrządy do pomiaru poziomu mogą być realizowane za pomocą fal ultradźwiękowych. Moduł ultradźwiękowego czujnika odległości jest często szybki, wygodny, prosty do obliczenia, łatwy do osiągnięcia w czasie rzeczywistym i może spełniać praktyczne wymagania przemysłowe pod względem dokładności pomiaru, dlatego jest również szeroko stosowany przy opracowywaniu robotów mobilnych.

Aby robot mobilny mógł automatycznie omijać przeszkody i chodzić, musi być wyposażony w system pomiaru odległości, dzięki któremu będzie w stanie w porę uzyskać informację o odległości (odległość i kierunek) od przeszkody. Wprowadzono trójkierunkowy (przód, lewy i prawy) ultradźwiękowy czujnik pomiaru odległości, którego zadaniem jest dostarczanie robotowi informacji o odległości ruchu w celu zrozumienia jego otoczenia z przodu, z lewej i prawej strony.

Zasada działania ultradźwiękowego czujnika odległości

1, generator ultradźwiękowy

 W celu badania i wykorzystania fal ultradźwiękowych zaprojektowano i wykonano wiele generatorów ultradźwiękowych. Ogólnie rzecz biorąc, generatory ultradźwiękowe można podzielić na dwie kategorie: jedna służy do generowania fal ultradźwiękowych w sposób elektryczny, a druga do generowania fal ultradźwiękowych w sposób mechaniczny. Metody elektryczne obejmują piezoelektryczne, magnetostrykcyjne i elektryczne itp.; metody mechaniczne obejmują flet galtonowy, gwizdek płynny i gwizdek powietrzny. Częstotliwość, moc i charakterystyka wytwarzanych przez nie fal ultradźwiękowych są różne, więc ich zastosowania również są różne. Obecnie piezoelektryczny ultradźwiękowy czujnik odległości . Częściej stosowany jest

2, zasada piezoelektrycznego generatora ultradźwiękowego

Piezoelektryczny generator ultradźwiękowy faktycznie wykorzystuje do pracy rezonans kryształu piezoelektrycznego. Wewnętrzną strukturę generatora ultradźwiękowego pokazano na rysunku . Posiada dwa wafle piezoelektryczne i płytkę rezonansową. Kiedy do jego dwóch biegunów zostanie przyłożony sygnał impulsowy, a częstotliwość jest równa naturalnej częstotliwości oscylacji płytki piezoelektrycznej, płytka piezoelektryczna będzie rezonować i wprawi płytkę rezonansową w drgania, generując fale ultradźwiękowe. I odwrotnie, jeśli między dwiema elektrodami nie zostanie przyłożone napięcie, a płyta rezonansowa odbierze fale ultradźwiękowe, dociśnie chip piezoelektryczny, aby wibrował i zamienił energię mechaniczną na sygnały elektryczne. Staje się wówczas odbiornikiem ultradźwiękowym.

3, zasada ultradźwiękowego czujnika odległości

 Nadajnik ultradźwiękowy emituje fale ultradźwiękowe w określonym kierunku i rozpoczyna odliczanie czasu w tym samym czasie, co czas uruchomienia. Fale ultradźwiękowe rozchodzą się w powietrzu i natychmiast powracają, gdy na swojej drodze napotkają przeszkodę. Odbiornik ultradźwiękowy natychmiast zatrzymuje odmierzanie czasu po odebraniu odbitych fal. Prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu wynosi 340 m/s. Na podstawie czasu t zarejestrowanego przez licznik czasu można obliczyć odległość(y) pomiędzy punktem startu a przeszkodą, czyli: s=340t/2. Jest to tak zwana metoda wyznaczania odległości różnicy czasu.

Zasada działania ultradźwiękowego czujnika odległości polega na wykorzystaniu znanej prędkości propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu do pomiaru czasu, w którym fala dźwiękowa napotyka przeszkody i odbija się po transmisji, oraz obliczenia rzeczywistej odległości od punktu nadawania do przeszkody na podstawie różnicy czasu między transmisją a odbiorem. Można zauważyć, że zasada pomiaru odległości ultradźwiękowej jest taka sama jak w przypadku radaru.

We wzorze L oznacza zmierzoną długość dystansu; C to prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu; T jest różnicą czasu propagacji odległości pomiarowej (T jest połową czasu transmisji do odbioru).

Ultradźwiękowe czujniki odległości Arduino są używane głównie do pomiaru odległości w przypomnieniach o cofaniu, na budowach, terenach przemysłowych itp. Chociaż bieżący zakres pomiaru odległości może sięgać 100 metrów, dokładność pomiaru może sięgać jedynie rzędu centymetrów.

Ze względu na zalety łatwej emisji kierunkowej, dobrą kierunkowość, łatwą kontrolę natężenia i brak bezpośredniego kontaktu z mierzonym obiektem, fale ultradźwiękowe są idealną metodą pomiaru wysokości cieczy. Przy precyzyjnym pomiarze poziomu cieczy konieczne jest osiągnięcie dokładności pomiaru na poziomie milimetra, ale obecne domowe specjalne układy scalone ultradźwiękowe zapewniają dokładność pomiaru tylko na poziomie centymetra. Analizując przyczyny błędu pomiaru ultradźwiękowego, poprawiając różnicę czasu pomiaru do poziomu mikrosekund i wykorzystując czujnik temperatury LM92 do kompensacji prędkości propagacji fali dźwiękowej, zaprojektowany przez nas precyzyjny dalmierz ultradźwiękowy może osiągnąć milimetrową dokładność pomiaru.