Osnovna načela ultrazvočnega daljinomera
1. Ultrazvočni generator
Za preučevanje in uporabo ultrazvočnih valov je bilo zasnovanih in izdelanih veliko ultrazvočnih generatorjev. Na splošno lahko ultrazvočne generatorje razdelimo v dve kategoriji: ena je ustvarjanje ultrazvočnih valov z električnimi sredstvi, druga pa je ustvarjanje ultrazvočnih valov z mehanskimi sredstvi. Električne metode vključujejo piezoelektrične, magnetostrikcijske in električne vrste; mehanske metode vključujejo garnizonske piščali, tekoče piščalke in piščalke za pretok zraka. Ultrazvočni valovi, ki jih ustvarjajo, se razlikujejo po frekvenci, moči in zvočnih značilnostih, zato imajo različne uporabe. Najpogosteje uporabljen je piezoelektrični ultrazvočni generator.
2. Princip piezoelektričnega ultrazvočnega generatorja
Piezoelektrični ultrazvočni generatorji za delo dejansko uporabljajo resonanco piezoelektričnih kristalov. Notranja struktura ultrazvočnega generatorja je prikazana na sliki 1. Ima dve piezoelektrični rezini in resonančno ploščo. Ko se na njegova dva pola uporabi impulzni signal, katerega frekvenca je enaka naravni frekvenci nihanja piezoelektričnega čipa, bo piezoelektrični čip resoniral in pognal resonančno ploščo k vibriranju ter tako ustvaril ultrazvočne valove. Nasprotno, če med obema elektrodama ni napetosti, bo resonančna plošča, ko prejme ultrazvočne valove, pritisnila na piezoelektrični čip, da bo zavibriral, pri čemer se bo mehanska energija pretvorila v električne signale, nato pa bo postala ultrazvočni sprejemnik.
3. Osnovni princip ultrazvočnega daljinomera
Ultrazvočni oddajnik oddaja ultrazvočne valove v določeni smeri in začne meriti čas hkrati s časom oddajanja. Ultrazvočni valovi se širijo po zraku in se takoj vrnejo, ko naletijo na ovire na poti, ultrazvočni sprejemnik pa preneha meriti čas takoj po sprejemu odbitih valov. Hitrost širjenja ultrazvočnih valov v zraku je 340m/s. Glede na čas t, ki ga zabeleži merilnik časa, je mogoče izračunati razdaljo (s) med točko emisije in oviro, in sicer: s=340t/2. To je tako imenovana metoda časovne razlike.
Načelo ultrazvočnega merjenja razdalje je uporaba znane hitrosti širjenja ultrazvočnih valov v zraku za merjenje časa, ki je potreben, da zvočni valovi naletijo na ovire in se odbijejo nazaj, potem ko so oddani, ter za izračun dejanske razdalje od točke emisije. na oviro na podlagi časovne razlike med oddajanjem in sprejemom. Vidimo lahko, da je princip ultrazvočnega določanja razdalje enak kot pri radarju.
Formula za rangiranje je izražena kot: L=C×T
V formuli je L izmerjena dolžina razdalje; C je hitrost širjenja ultrazvočnih valov v zraku; T je časovna razlika širjenja izmerjene razdalje (T je polovica časovne vrednosti od prenosa do sprejema).
Ultrazvočno merjenje razdalje se uporablja predvsem za merjenje razdalje opomnikov za vzvratno vožnjo, gradbišč, industrijskih območij itd. Čeprav lahko trenutno območje dosega 100 metrov, lahko natančnost merjenja doseže le red centimetrov.
Zaradi prednosti enostavnega usmerjenega oddajanja ultrazvočnih valov, dobre usmerjenosti, enostavnega nadzora jakosti in brez neposrednega stika z merjenim objektom je idealno sredstvo za merjenje višine tekočine. Pri natančnem merjenju nivoja tekočine je treba doseči milimetrsko natančnost merjenja, vendar imajo trenutno domači ultrazvočni ASIC-ji le centimetrsko natančnost merjenja. Z analizo vzrokov za napake ultrazvočnega določanja razdalje, izboljšanjem časovne razlike merjenja na mikrosekundno raven in uporabo temperaturnega senzorja LM92 za kompenzacijo hitrosti širjenja zvočnega valovanja lahko visoko natančni ultrazvočni merilnik razdalj, ki smo ga zasnovali, doseže milimetrsko natančnost merjenja.
