Analiza zasad działania ultradźwiękowego czujnika odległości

Zasada działania piezoelektrycznego generatora ultradźwiękowego

Piezoelektryczny generator ultradźwiękowy faktycznie wykorzystuje do pracy rezonans kryształu piezoelektrycznego. Pokazano wewnętrzną strukturę generatora ultradźwiękowego. Posiada dwa wafle piezoelektryczne i płytkę rezonansową. Kiedy do jego dwóch biegunów zostanie przyłożony sygnał impulsowy, którego 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.

 

Zasada ultradźwiękowy przetwornik  odległości ​​

Nadajnik ultradźwiękowy emituje fale ultradźwiękowe w określonym kierunku i rozpoczyna odmierzanie czasu w tym samym czasie, co czas transmisji. Fale ultradźwiękowe rozchodzą się w powietrzu i natychmiast powracają, gdy na swojej drodze napotkają przeszkodę. Odbiornik ultradźwiękowy zatrzymuje odmierzanie czasu natychmiast po odebraniu fal odbitych. 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 ultradźwiękowy czujnik 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.

Wzór czujnika odległości jest wyrażony jako: L=C&TImes; T gdzie L jest zmierzoną długością dystansu; C to prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu; T jest różnicą czasu zmierzonej propagacji odległości (T jest połową wartości czasu od emisji do odbioru).

Ultradźwiękowy czujnik pomiaru odległości służy głównie do pomiaru odległości w przypomnieniach o cofaniu, na budowach, terenach przemysłowych itp. Chociaż bieżący zakres pomiaru odległości może osiągnąć 100 metrów, dokładność pomiaru może osiągnąć jedynie rząd centymetrów.

Ze względu na zalety łatwej emisji kierunkowej, dobrą kierunkowość, łatwą kontrolę natężenia i brak bezpośredniego kontaktu z mierzonym obiektem, jest to idealna metoda 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.

Analiza błędów ultradźwiękowego czujnika odległości

Zgodnie ze wzorem na ultradźwiękowy pomiar odległości L=C&TImes;T można wiedzieć, że błąd pomiaru odległości jest spowodowany błędem prędkości propagacji ultradźwiękowej i błędem czasu propagacji odległości pomiaru.

błąd czasu

Jeżeli wymagany jest błąd pomiaru odległości mniejszy niż 1 mm, należy założyć, że znana prędkość ultradźwiękowa C=344 m/s (temperatura pokojowa 20℃) i zignorować błąd propagacji prędkości dźwięku. Błąd zakresu s△t<(0,001/344) ≈0,000002907s wynosi 2,907ms.

Przy założeniu, że prędkość propagacji fali ultradźwiękowej jest dokładna, o ile dokładność różnicy czasu propagacji zmierzonej odległości osiąga poziom mikrosekund, można zapewnić, że błąd pomiaru będzie mniejszy niż 1 mm. Jednoukładowy timer 89C51 wykorzystujący kryształ 12 MHz jako zegar odniesienia może z łatwością liczyć z dokładnością do 1 μs, dlatego w systemie zastosowano timer 89C51, aby zapewnić, że błąd czasu mieści się w zakresie pomiarowym 1 mm.

Błąd prędkości propagacji ultradźwiękowej

Na prędkość propagacji fal ultradźwiękowych czujnik ma  ultradźwiękowy  .  wpływ gęstość powietrza Im większa gęstość powietrza, tym większa prędkość propagacji fal ultradźwiękowych, a gęstość powietrza ma ścisły związek z temperaturą, co pokazano w tabeli 1.

Zależność między prędkością ultradźwiękową i temperaturą jest znana w następujący sposób:

We wzorze: r — stosunek pojemności cieplnej gazu przy stałym ciśnieniu do pojemności cieplnej gazu przy stałej objętości, który dla powietrza wynosi 1,40,

R — uniwersalna stała gazu, 8,314kg·mol-1·K-1,

M – masa cząsteczkowa gazu, powietrza wynosi 28,8&TImes;10-3kg·mol-1,

T — temperatura absolutna, 273 K+T℃.

Przybliżony wzór to: C=C0+0,607&TImes;T℃

gdzie: C0 to prędkość fali dźwiękowej przy zerowym stopniu 332m/s;

T to rzeczywista temperatura (℃).

Gdy wymagana jest dokładność pomiaru ultradźwiękowego na poziomie 1 mm, należy wziąć pod uwagę temperaturę otoczenia, w której następuje propagacja ultradźwięków. Na przykład, gdy temperatura wynosi 0°C, prędkość ultradźwiękowa wynosi 332 m/s, a przy 30°C 350 m/s, a zmiana prędkości ultradźwiękowej spowodowana zmianą temperatury wynosi 18 m/s. Jeśli do pomiaru odległości 100 m przy prędkości dźwięku 0°C w temperaturze 30°C zostanie użyty ultradźwiękowy, błąd pomiaru osiągnie 5 m, a błąd pomiaru 1 m osiągnie 5 mm.

Środki ostrożności dotyczące stosowania:

1. Ponieważ warunki środowiskowe i klimatyczne w dużym stopniu wpływają na ultradźwięki, najlepiej używać ich przy dobrej pogodzie.

2. Dalmierz ultradźwiękowy oblicza odległość w oparciu o zasadę czasu, w którym przyrząd emituje i odbiera falę odbitą od mierzonego obiektu, dlatego podczas korzystania z niego należy zwrócić uwagę, aby unikać innych obiektów w przestrzeni mierzonej odległości, w przeciwnym razie spowoduje to wielokrotne odbicia. Dokładność pomiaru.

3. Ponieważ kąt fali ultradźwiękowej jest stosunkowo duży, należy zwrócić uwagę, aby podczas pomiaru nie znajdowały się żadne przedmioty (takie jak komputery stacjonarne itp.) w pobliżu przedniej części przyrządu. Gdy mierzy  PVDF w obudowie  ultradźwiękowy )  Przetwornik . w ustalonej pozycji, przedni koniec przyrządu powinien wystawać ponad powierzchnię, na której umieszczony jest obiekt (np. wystawać z punktu poza biurkiem

4. Podczas pomiaru trzymaj przyrząd pod kątem prostym do powierzchni mierzonego obiektu, a sam przyrząd trzymaj poziomo lub pionowo, o ile to możliwe.

5. W przypadku korzystania z dalmierza ultradźwiękowego latem, jeśli jest to pomiar ręczny, najlepiej nie trzymać go zbyt długo w dłoni, aby nie spowodować przegrzania przyrządu i nie wpłynąć na jego normalną pracę.