принцип аналізу ультразвукового датчика дальності

Принцип роботи п'єзоелектричного ультразвукового генератора

П'єзоелектричний ультразвуковий генератор фактично використовує для роботи резонанс п'єзоелектричного кристала. Показано внутрішню будову ультразвукового генератора. Він має дві п'єзоелектричні пластини та резонансну пластину. Коли до двох полюсів подається імпульсний сигнал, частота якого дорівнює власній частоті коливань п’єзоелектричної пластини, п’єзоелектрична пластина резонує і змушує резонансну пластину вібрувати, створюючи ультразвукові хвилі. Навпаки, якщо між двома електродами не подається напруга, коли резонансна пластина отримує ультразвукові хвилі, вона буде тиснути на п’єзоелектричний чіп, щоб вібрувати та перетворювати механічну енергію в електричні сигнали. Потім він стає ультразвуковим приймачем.

 

Принцип ультразвуковий перетворювач  відстані ​​

Ультразвуковий передавач випромінює ультразвукові хвилі в певному напрямку та починає вимірювати час одночасно з часом передачі. Ультразвукові хвилі поширюються в повітрі і миттєво повертаються при зустрічі з перешкодами на шляху. Ультразвуковий приймач припиняє вимірювання часу відразу після отримання відбитих хвиль. 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 Ультразвуковий датчик дальності використовує відому швидкість 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.

Формула датчика дальності виражається так: L=C&TImes; T де L - виміряна довжина відстані; С – швидкість поширення ультразвукових хвиль у повітрі; T — різниця в часі виміряної відстані поширення (T — половина значення часу від випромінювання до прийому).

Ультразвуковий датчик вимірювання відстані в основному використовується для вимірювання відстані в реверсивних нагадуваннях, 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 вимірюваним об’єктом, це ідеальний метод 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.

Аналіз помилок ультразвукового датчика дальності

Відповідно до формули ультразвукового вимірювання відстані L=C&TImes;T, можна знати, що помилка вимірювання відстані спричинена помилкою швидкості поширення ультразвуку та помилкою часу поширення відстані вимірювання.

помилка часу

Якщо похибка вимірювання відстані повинна бути меншою за 1 мм, припустіть, що відома швидкість ультразвуку C=344 м/с (кімнатна температура 20 ℃), і ігноруйте похибку поширення швидкості звуку. Помилка визначення діапазону s△t<(0,001/344) ≈0,000002907s становить 2,907 мс.

За передумови, що швидкість поширення ультразвукової хвилі є точною, якщо точність різниці часу поширення виміряної відстані досягає рівня мікросекунд, це може гарантувати, що похибка вимірювання дальності буде менше 1 мм. Однокристальний таймер 89C51, який використовує кристал 12 МГц як еталон годинника, може легко рахувати з точністю до 1 мкс, тому система використовує таймер 89C51, щоб гарантувати, що похибка часу знаходиться в межах діапазону вимірювання 1 мм.

Похибка швидкості розповсюдження ультразвуку

На швидкість розповсюдження ультразвукових хвиль у ультразвукового  перетворювача  датчику  впливає щільність повітря. Чим вища щільність повітря, тим швидше швидкість поширення ультразвукових хвиль, а щільність повітря тісно пов’язана з температурою, як показано в таблиці 1.

Відношення між швидкістю ультразвуку та температурою відоме таким чином:

У формулі: r — відношення теплоємності газу при постійному тиску до теплоємності при постійному об’ємі, яке для повітря становить 1,40,

R — універсальна константа газу, 8,314 кг·моль-1·K-1,

M — молекулярна маса газу, повітря 28,8&TImes;10-3кг·моль-1,

T—Абсолютна температура, 273K+T℃.

Приблизна формула: C=C0+0,607&TImes;T℃

де: C0 – швидкість звукової хвилі в нуль градусів 332 м/с;

T - фактична температура (℃).

Коли необхідна точність визначення дальності ультразвуку, щоб досягти 1 мм, необхідно враховувати температуру навколишнього середовища поширення ультразвуку. Наприклад, при температурі 0 °C швидкість ультразвуку становить 332 м/с, а при 30 °C – 350 м/с, а зміна швидкості ультразвуку, викликана зміною температури, становить 18 м/с. Якщо ультразвук використовується для вимірювання відстані 100 м при швидкості звуку 0°C в навколишньому середовищі 30°C, похибка вимірювання досягне 5 м, а похибка вимірювання 1 м досягне 5 мм.

Застереження при застосуванні:

1. Оскільки на ультразвук сильно впливають навколишні та кліматичні умови, найкраще використовувати його, коли погода ясна.

2. Ультразвуковий далекомір обчислює відстань на основі принципу часу, коли прилад випромінює та приймає відображену хвилю вимірюваного об’єкта, тому, будь ласка, зверніть увагу, щоб уникати інших об’єктів у просторі вимірюваної відстані під час використання, інакше це спричинить численні відбиття. Точність вимірювання.

3. Оскільки кут хвилі ультразвукової хвилі відносно великий, зверніть увагу, щоб під час вимірювання не було предметів (таких як робочі столи тощо) навколо передньої частини приладу. Коли вимірює  PVDF у корпусі  Ультразвуковий )  перетворювач . у фіксованому положенні, передній кінець приладу має виступати з поверхні, на якій розміщено об’єкт (наприклад, виступати з точки за межами робочого столу

4. Під час вимірювання тримайте прилад під прямим кутом до поверхні об’єкта, який потрібно виміряти, а сам інструмент тримайте горизонтально або вертикально, наскільки це можливо.

5. Під час використання ультразвукового далекоміра влітку, якщо це ручне вимірювання, найкраще не тримати його в руці надто довго, щоб не спричинити перегрів приладу та вплинути на його нормальну роботу.