Osnovni principi ultrazvučnog daljinomjera
1. Ultrazvučni generator
Kako bi se proučavali i koristili ultrazvučni valovi, dizajnirani su i proizvedeni mnogi ultrazvučni generatori. Općenito govoreći, ultrazvučni generatori mogu se podijeliti u dvije kategorije: jedna je za generiranje ultrazvučnih valova električnim putem, a druga za generiranje ultrazvučnih valova mehaničkim sredstvima. Električne metode uključuju piezoelektrične, magnetostrikcijske i električne vrste; mehaničke metode uključuju garnizonske frule, zviždaljke za tekućinu i zviždaljke za protok zraka. Ultrazvučni valovi koje generiraju razlikuju se po frekvenciji, snazi i zvučnim karakteristikama, pa stoga imaju različite namjene. Najčešće se koristi piezoelektrični ultrazvučni generator.
2. Princip piezoelektričnog ultrazvučnog generatora
Piezoelektrični ultrazvučni generatori zapravo koriste rezonanciju piezoelektričnih kristala za rad. Unutarnja struktura ultrazvučnog generatora prikazana je na slici 1. Ima dvije piezoelektrične pločice i rezonantnu ploču. Kada se na njegova dva pola primijeni pulsni signal, čija je frekvencija jednaka prirodnoj frekvenciji osciliranja piezoelektričnog čipa, piezoelektrični čip će rezonirati i pokrenuti rezonantnu ploču da vibrira, stvarajući tako ultrazvučne valove. Suprotno tome, ako se između dviju elektroda ne primijeni napon, kada rezonantna ploča primi ultrazvučne valove, ona će pritisnuti piezoelektrični čip da vibrira, pretvarajući mehaničku energiju u električne signale, a zatim postaje ultrazvučni prijamnik.
3. Osnovni princip rada ultrazvučnog daljinomjera
Ultrazvučni odašiljač emitira ultrazvučne valove u određenom smjeru i počinje mjeriti vrijeme u isto vrijeme kada i vrijeme emisije. Ultrazvučni valovi se šire u zraku i odmah se vraćaju kada naiđu na prepreke na putu, a ultrazvučni prijemnik prestaje mjeriti vrijeme odmah nakon primanja reflektiranih valova. Brzina širenja ultrazvučnih valova u zraku je 340m/s. Prema vremenu t koje je zabilježio mjerač vremena, može se izračunati udaljenost (s) između točke emisije i prepreke, naime: s=340t/2. Ovo je takozvana metoda rangiranja vremenske razlike.
Načelo ultrazvučnog mjerenja udaljenosti je korištenje poznate brzine širenja ultrazvučnih valova u zraku za mjerenje vremena koje je potrebno zvučnim valovima da naiđu na prepreke i reflektiraju se nakon što su emitirani, te za izračunavanje stvarne udaljenosti od točke emisije. na prepreku na temelju vremenske razlike između emisije i prijema. Može se vidjeti da je princip ultrazvučnog određivanja udaljenosti isti kao kod radara.
Formula za rangiranje izražava se kao: L=C×T
U formuli, L je izmjerena duljina udaljenosti; C je brzina širenja ultrazvučnih valova u zraku; T je vremenska razlika širenja izmjerene udaljenosti (T je polovica vremenske vrijednosti od prijenosa do prijema).
Ultrazvučno mjerenje udaljenosti uglavnom se koristi za mjerenje udaljenosti podsjetnika za vožnju unazad, gradilišta, industrijskih lokacija itd. Iako trenutni raspon raspona može doseći 100 metara, točnost mjerenja može doseći samo red centimetra.
Zbog prednosti lakog usmjerenog emitiranja ultrazvučnih valova, dobre usmjerenosti, jednostavne kontrole intenziteta, te bez izravnog kontakta s mjerenim objektom, idealno je sredstvo za mjerenje visine tekućine. U preciznom mjerenju razine tekućine, potrebno je postići milimetarsku točnost mjerenja, ali trenutačno domaći ultrazvučni ASIC-ovi imaju samo centimetarsku točnost mjerenja. Analizom uzroka grešaka ultrazvučnog određivanja raspona, poboljšanjem vremenske razlike mjerenja na razinu mikrosekunde i upotrebom senzora temperature LM92 za kompenzaciju brzine širenja zvučnog vala, ultrazvučni daljinomjer visoke preciznosti koji smo dizajnirali može postići milimetarsku točnost mjerenja.
