Základné princípy ultrazvukového diaľkomeru
1. Ultrazvukový generátor
Na štúdium a využitie ultrazvukových vĺn bolo navrhnutých a vyrobených mnoho ultrazvukových generátorov. Všeobecne povedané, ultrazvukové generátory možno rozdeliť do dvoch kategórií: jednou je generovať ultrazvukové vlny elektrickými prostriedkami a druhou je generovať ultrazvukové vlny mechanickými prostriedkami. Elektrické metódy zahŕňajú piezoelektrické, magnetostrikčné a elektrické typy; mechanické metódy zahŕňajú posádkové píšťaly, píšťaly na kvapaliny a píšťaly s prúdením vzduchu. Ultrazvukové vlny, ktoré vytvárajú, sa líšia frekvenciou, výkonom a zvukovými charakteristikami, a preto majú rôzne využitie. Najčastejšie sa používa piezoelektrický ultrazvukový generátor.
2. Princíp piezoelektrického ultrazvukového generátora
Piezoelektrické ultrazvukové generátory v skutočnosti využívajú na prácu rezonanciu piezoelektrických kryštálov. Vnútorná štruktúra ultrazvukového generátora je znázornená na obrázku 1. Má dve piezoelektrické doštičky a rezonančnú dosku. Keď sa na jeho dva póly privedie impulzný signál, ktorého frekvencia sa rovná frekvencii vlastnej oscilácie piezoelektrického čipu, piezoelektrický čip bude rezonovať a prinúti rezonančnú dosku vibrovať, čím sa generujú ultrazvukové vlny. Naopak, ak medzi dve elektródy nie je aplikované žiadne napätie, keď rezonančná doska prijíma ultrazvukové vlny, stlačí piezoelektrický čip, aby vibroval, premieňajúc mechanickú energiu na elektrické signály, a potom sa stane ultrazvukovým prijímačom.
3. Základný princíp ultrazvukového diaľkomeru
Ultrazvukový vysielač vyžaruje ultrazvukové vlny v určitom smere a spustí časovanie v rovnakom čase ako čas vyžarovania. Ultrazvukové vlny sa šíria vzduchom a vracajú sa okamžite, keď narazia na prekážky na ceste, a ultrazvukový prijímač zastaví časovanie ihneď po prijatí odrazených vĺn. Rýchlosť šírenia ultrazvukových vĺn vo vzduchu je 340 m/s. Podľa času t zaznamenaného časovačom možno vypočítať vzdialenosť (s) medzi bodom vyžarovania a prekážkou, konkrétne: s=340t/2. Ide o takzvanú metódu časového rozdielu.
Princípom merania ultrazvukovej vzdialenosti je použitie známej rýchlosti šírenia ultrazvukových vĺn vo vzduchu na meranie času, ktorý trvá, kým zvukové vlny narazia na prekážky a odrazia sa späť po ich vyžarovaní, a na výpočet skutočnej vzdialenosti od bodu emisie. na prekážku na základe časového rozdielu medzi vysielaním a príjmom. Je vidieť, že princíp ultrazvukového určovania vzdialenosti je rovnaký ako princíp radaru.
Vzorec pre rozsah je vyjadrený ako: L=C×T
Vo vzorci je L nameraná dĺžka vzdialenosti; C je rýchlosť šírenia ultrazvukových vĺn vo vzduchu; T je časový rozdiel šírenia nameranej vzdialenosti (T je polovica hodnoty času od vysielania po príjem).
Ultrazvukové meranie rozsahu sa používa hlavne na meranie vzdialenosti pri pripomienkach o cúvaní, staveniskách, priemyselných areáloch atď. Aj keď súčasný dosah môže dosiahnuť 100 metrov, presnosť merania môže dosiahnuť len rádovo centimetre.
Vďaka výhodám ľahkej smerovej emisie ultrazvukových vĺn, dobrej smerovosti, ľahkej regulácii intenzity a bez priameho kontaktu s meraným objektom je ideálnym prostriedkom na meranie výšky kvapaliny. Pri presnom meraní hladiny kvapalín je potrebné dosiahnuť presnosť merania na úrovni milimetra, ale v súčasnosti majú domáce ASIC s ultrazvukovým rozsahom len presnosť merania na úrovni centimetrov. Analýzou príčin chýb ultrazvukového určovania vzdialenosti, zlepšením časového rozdielu merania na mikrosekundovú úroveň a použitím teplotného senzora LM92 na kompenzáciu rýchlosti šírenia zvukových vĺn môže nami navrhnutý vysoko presný ultrazvukový diaľkomer dosiahnuť presnosť merania na milimetrovej úrovni.
