Βασικές Αρχές του Υπερηχητικού Εύρους εύρεσης
1. Γεννήτρια υπερήχων
Προκειμένου να μελετηθούν και να αξιοποιηθούν τα υπερηχητικά κύματα, έχουν σχεδιαστεί και κατασκευαστεί πολλές γεννήτριες υπερήχων. Σε γενικές γραμμές, οι γεννήτριες υπερήχων μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: η μία είναι η παραγωγή υπερηχητικών κυμάτων με ηλεκτρικά μέσα και η άλλη είναι η παραγωγή υπερηχητικών κυμάτων με μηχανικά μέσα. Οι ηλεκτρικές μέθοδοι περιλαμβάνουν πιεζοηλεκτρικούς, μαγνητοσυσταλτικούς και ηλεκτρικούς τύπους. Οι μηχανικές μέθοδοι περιλαμβάνουν φλάουτα φρουράς, σφυρίχτρες υγρών και σφυρίχτρες ροής αέρα. Τα υπερηχητικά κύματα που παράγουν ποικίλλουν ως προς τη συχνότητα, την ισχύ και τα ηχητικά χαρακτηριστικά, και ως εκ τούτου έχουν διαφορετικές χρήσεις. Η πιο συχνά χρησιμοποιούμενη είναι η πιεζοηλεκτρική γεννήτρια υπερήχων.
2. Αρχή της πιεζοηλεκτρικής γεννήτριας υπερήχων
Οι πιεζοηλεκτρικές γεννήτριες υπερήχων χρησιμοποιούν στην πραγματικότητα τον συντονισμό πιεζοηλεκτρικών κρυστάλλων για να λειτουργήσουν. Η εσωτερική δομή της γεννήτριας υπερήχων φαίνεται στο Σχήμα 1. Διαθέτει δύο πιεζοηλεκτρικές γκοφρέτες και μια πλάκα συντονισμού. Όταν εφαρμόζεται ένα παλμικό σήμα στους δύο πόλους του, η συχνότητα του οποίου είναι ίση με τη φυσική συχνότητα ταλάντωσης του πιεζοηλεκτρικού τσιπ, το πιεζοηλεκτρικό τσιπ θα αντηχήσει και θα οδηγήσει την πλάκα συντονισμού σε δόνηση, δημιουργώντας έτσι υπερηχητικά κύματα. Αντίθετα, εάν δεν εφαρμόζεται τάση μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων, όταν η πλάκα συντονισμού δέχεται υπερηχητικά κύματα, θα πιέσει το πιεζοηλεκτρικό τσιπ για να δονηθεί, μετατρέποντας τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρικά σήματα και στη συνέχεια θα γίνει δέκτης υπερήχων.
3. Βασική αρχή του υπερηχητικού ανιχνευτή εύρους
Ο πομπός υπερήχων εκπέμπει υπερηχητικά κύματα προς μια συγκεκριμένη κατεύθυνση και ξεκινά το χρονισμό ταυτόχρονα με τον χρόνο εκπομπής. Τα υπερηχητικά κύματα διαδίδονται στον αέρα και επιστρέφουν αμέσως όταν συναντούν εμπόδια στο δρόμο, και ο υπερηχητικός δέκτης σταματά το χρονισμό αμέσως μετά τη λήψη των ανακλώμενων κυμάτων. Η ταχύτητα διάδοσης των υπερηχητικών κυμάτων στον αέρα είναι 340 m/s. Σύμφωνα με το χρόνο t που καταγράφεται από το χρονόμετρο, μπορεί να υπολογιστεί η απόσταση (s) μεταξύ του σημείου εκπομπής και του εμποδίου, δηλαδή: s=340t/2. Αυτή είναι η λεγόμενη μέθοδος χρονικής διαφοράς.
Η αρχή της μέτρησης της απόστασης με υπερήχους είναι η χρήση της γνωστής ταχύτητας διάδοσης των κυμάτων υπερήχων στον αέρα για τη μέτρηση του χρόνου που απαιτείται για τα ηχητικά κύματα να συναντήσουν εμπόδια και να ανακληθούν μετά την εκπομπή τους και να υπολογίσει την πραγματική απόσταση από το σημείο εκπομπής στο εμπόδιο με βάση τη διαφορά ώρας μεταξύ εκπομπής και λήψης. Μπορεί να φανεί ότι η αρχή της εμβέλειας υπερήχων είναι η ίδια με αυτή του ραντάρ.
Ο τύπος για το εύρος τιμών εκφράζεται ως: L=C×T
Στον τύπο, L είναι το μετρούμενο μήκος απόστασης. C είναι η ταχύτητα διάδοσης των υπερηχητικών κυμάτων στον αέρα. Το T είναι η χρονική διαφορά της μετρούμενης διάδοσης της απόστασης (T είναι το ήμισυ της χρονικής τιμής από τη μετάδοση έως τη λήψη).
Η εμβέλεια υπερήχων χρησιμοποιείται κυρίως για τη μέτρηση απόστασης υπενθυμίσεων αντιστροφής, εργοταξίων, βιομηχανικών χώρων κ.λπ. Αν και η τρέχουσα εμβέλεια μπορεί να φτάσει τα 100 μέτρα, η ακρίβεια μέτρησης μπορεί να φτάσει μόνο την τάξη των εκατοστών.
Λόγω των πλεονεκτημάτων της εύκολης κατευθυντικής εκπομπής υπερηχητικών κυμάτων, της καλής κατευθυντικότητας, του εύκολου ελέγχου της έντασης και της μη άμεσης επαφής με το μετρούμενο αντικείμενο, είναι ιδανικό μέσο για μέτρηση ύψους υγρού. Στην ακριβή μέτρηση της στάθμης του υγρού, είναι απαραίτητο να επιτευχθεί ακρίβεια μέτρησης σε επίπεδο χιλιοστού, αλλά προς το παρόν, τα εγχώρια ASIC εμβέλειας υπερήχων έχουν ακρίβεια μέτρησης μόνο σε επίπεδο εκατοστών. Αναλύοντας τα αίτια των σφαλμάτων εμβέλειας υπερήχων, βελτιώνοντας τη διαφορά χρόνου μέτρησης σε επίπεδο μικροδευτερόλεπτου και χρησιμοποιώντας τον αισθητήρα θερμοκρασίας LM92 για αντιστάθμιση της ταχύτητας διάδοσης του ηχητικού κύματος, ο υπερηχητικός αποστασιόμετρο υψηλής ακρίβειας που σχεδιάσαμε μπορεί να επιτύχει ακρίβεια μέτρησης σε επίπεδο χιλιοστών.
