Принцип і введення ультразвукового датчика дальності

Що таке ультразвуковий датчик дальності

Через сильну спрямованість ультразвукових хвиль, повільне споживання енергії та великі відстані в середовищі ультразвукові хвилі часто використовують для вимірювання відстані. Наприклад, ультразвукові далекоміри та рівнеміри можуть бути реалізовані за допомогою ультразвукових хвиль. Модуль ультразвукового датчика відстані часто є швидким, зручним, простим для розрахунків, легким для досягнення контролю в режимі реального часу та може відповідати промисловим практичним вимогам щодо точності вимірювань, тому він також широко використовується у розробці мобільних роботів.

Для того, щоб мобільний робот міг автоматично уникати перешкод і йти, він повинен бути оснащений системою вимірювання відстані, щоб він міг вчасно отримати інформацію про відстань (відстань і напрямок) від перешкоди. Ультразвуковий датчик відстані в трьох напрямках (спереду, ліворуч і праворуч) представлений для надання інформації про відстань руху, щоб робот міг зрозуміти його оточення спереду, ліворуч і праворуч.

Принцип дії ультразвукового датчика дальності

1, ультразвуковий генератор

 Для дослідження та використання ультразвукових хвиль було розроблено та виготовлено багато ультразвукових генераторів. Загалом, ультразвукові генератори можна розділити на дві категорії: одна для генерації ультразвукових хвиль електричним способом, а інша для механічної генерації ультразвукових хвиль. Електричні методи — п'єзоелектричні, магнітострикційні, електричні та ін.; механічні методи включають флейту гальтона, рідинний свисток і повітряний свисток. Частота, потужність і характеристики ультразвукових хвиль, які вони виробляють, різні, тому їх використання також різне. В даний час п'єзоелектричні ультразвуковий датчик відстані . частіше використовується

2, принцип роботи п'єзоелектричного ультразвукового генератора

П'єзоелектричний ультразвуковий генератор фактично використовує для роботи резонанс п'єзоелектричного кристала. Внутрішня структура ультразвукового генератора показана на малюнку. Він має дві п'єзоелектричні пластини та резонансну пластину. Коли імпульсний сигнал подається на два його полюси, а частота дорівнює власній частоті коливань п’єзоелектричної пластини, п’єзоелектрична пластина резонує та змушує резонансну пластину вібрувати, створюючи ультразвукові хвилі. Навпаки, якщо між двома електродами не подається напруга, коли резонансна пластина отримує ультразвукові хвилі, вона тисне на п’єзоелектричний чіп, щоб вібрувати та перетворювати механічну енергію в електричні сигнали. Потім він стає ультразвуковим приймачем.

3, принцип ультразвукового датчика дальності

 Ультразвуковий передавач випромінює ультразвукові хвилі в певному напрямку та починає відлік часу одночасно з часом запуску. Ультразвукові хвилі поширюються в повітрі і миттєво повертаються при зустрічі з перешкодами на шляху. Приймаючи відбиті хвилі, ультразвуковий приймач негайно припиняє вимірювання часу. Швидкість поширення ультразвукових хвиль у повітрі становить 340 м/с. За часом t, зафіксованим таймером, можна розрахувати відстань (s) між точкою старту та перешкодою, а саме: s=340t/2. Це так званий метод ранжування різниці в часі.

Принцип ультразвукового датчика дальності полягає у використанні відомої швидкості поширення ультразвукових хвиль у повітрі для вимірювання часу, коли звукова хвиля стикається з перешкодами та відбивається після передачі, і обчислює фактичну відстань від точки передачі до перешкоди на основі різниці в часі між передачею та прийомом. Як видно, принцип ультразвукової локації такий самий, як і в радіолокації.

У формулі L — виміряна довжина відстані; С – швидкість поширення ультразвукових хвиль у повітрі; T — різниця в часі поширення вимірювальної відстані (T — половина значення часу від передачі до прийому).

Ультразвукові датчики відстані Arduino в основному використовуються для вимірювання відстані в нагадуваннях про рух заднім ходом, на будівельних майданчиках, промислових майданчиках тощо. Хоча поточний діапазон вимірювання відстані може досягати 100 метрів, точність вимірювання може досягати лише порядку сантиметрів.

Завдяки таким перевагам, як легке спрямоване випромінювання, хороша спрямованість, легкий контроль інтенсивності та відсутність прямого контакту з об’єктом вимірювання, ультразвукові хвилі є ідеальним методом для вимірювання висоти рідини. Для точного вимірювання рівня рідини необхідно досягти міліметрової точності вимірювання, але поточні вітчизняні ультразвукові спеціальні інтегральні схеми мають лише сантиметрову точність вимірювання. Аналізуючи причини ультразвукової похибки визначення дальності, покращуючи різницю часу вимірювання до мікросекундного рівня та використовуючи датчик температури LM92 для компенсації швидкості поширення звукової хвилі, розроблений нами високоточний ультразвуковий далекомір може досягти міліметрової точності вимірювань.