Grundlæggende principper for Ultrasonic Range Finder
1. Ultralydsgenerator
For at studere og udnytte ultralydsbølger er der designet og fremstillet mange ultralydsgeneratorer. Generelt kan ultralydsgeneratorer opdeles i to kategorier: den ene er at generere ultralydsbølger ved hjælp af elektriske midler, og den anden er at generere ultralydsbølger ved hjælp af mekaniske midler. Elektriske metoder omfatter piezoelektriske, magnetostriktive og elektriske typer; mekaniske metoder omfatter garnisonsfløjter, flydende fløjter og luftstrømsfløjter. De ultralydsbølger, de genererer, varierer i frekvens, effekt og lydegenskaber og har derfor forskellige anvendelser. Den mest almindeligt anvendte er den piezoelektriske ultralydsgenerator.
2. Princippet om piezoelektrisk ultralydsgenerator
Piezoelektriske ultralydsgeneratorer bruger faktisk resonansen fra piezoelektriske krystaller til at fungere. Den interne struktur af ultralydsgeneratoren er vist i figur 1. Den har to piezoelektriske wafere og en resonansplade. Når et pulssignal påføres dens to poler, hvis frekvens er lig med den piezoelektriske chips naturlige oscillationsfrekvens, vil den piezoelektriske chip give resonans og drive resonanspladen til at vibrere, og dermed generere ultralydsbølger. Omvendt, hvis der ikke påføres spænding mellem de to elektroder, når resonanspladen modtager ultralydsbølger, vil den presse den piezoelektriske chip til at vibrere, konvertere mekanisk energi til elektriske signaler, og så bliver den en ultralydsmodtager.
3. Grundprincippet for ultralydsafstandsmåler
Ultralydssenderen udsender ultralydsbølger i en bestemt retning og starter timingen samtidig med emissionstiden. Ultralydsbølgerne forplanter sig i luften og vender tilbage med det samme, når de støder på forhindringer på vejen, og ultralydsmodtageren stopper med timingen umiddelbart efter at have modtaget de reflekterede bølger. Udbredelseshastigheden af ultralydsbølger i luften er 340m/s. I henhold til tiden t registreret af timeren, kan afstanden (s) mellem emissionspunktet og forhindringen beregnes, nemlig: s=340t/2. Dette er den såkaldte tidsdifferencemetode.
Princippet for ultralydsafstandsmåling er at bruge den kendte udbredelseshastighed af ultralydsbølger i luften til at måle den tid, det tager for lydbølgerne at støde på forhindringer og reflektere tilbage, efter at de er udsendt, og til at beregne den faktiske afstand fra emissionspunktet til forhindringen baseret på tidsforskellen mellem emission og modtagelse. Det kan ses, at princippet om ultralydsafstand er det samme som radarens.
Formlen for interval er udtrykt som: L=C×T
I formlen er L den målte afstandslængde; C er udbredelseshastigheden af ultralydsbølger i luften; T er tidsforskellen for den målte afstandsudbredelse (T er halvdelen af tidsværdien fra transmission til modtagelse).
Ultralydsafstandsmåling bruges hovedsageligt til afstandsmåling af reverseringspåmindelser, byggepladser, industripladser osv. Selvom den aktuelle rækkevidde kan nå 100 meter, kan målenøjagtigheden kun nå størrelsesordenen centimeter.
På grund af fordelene ved let retningsbestemt emission af ultralydsbølger, god retningsbestemthed, nem kontrol af intensiteten og ingen direkte kontakt med det målte objekt, er det et ideelt middel til væskehøjdemåling. Ved præcis væskeniveaumåling er det nødvendigt at opnå målenøjagtighed på millimeterniveau, men på nuværende tidspunkt har indenlandske ultralydsafstands-ASIC'er kun målenøjagtighed på centimeterniveau. Ved at analysere årsagerne til ultralydsafstandsfejl, forbedre måletidsforskellen til mikrosekundniveauet og bruge LM92-temperatursensoren til at kompensere for lydbølgeudbredelseshastigheden, kan den ultralydsafstandsmåler med høj præcision, vi har designet, opnå målenøjagtighed på millimeterniveau.
