Podstawowe zasady dalmierza ultradźwiękowego
1. Generator ultradźwiękowy
W celu badania i wykorzystania fal ultradźwiękowych zaprojektowano i wyprodukowano wiele generatorów ultradźwiękowych. Ogólnie rzecz biorąc, generatory ultradźwiękowe można podzielić na dwie kategorie: jedna polega na generowaniu fal ultradźwiękowych za pomocą środków elektrycznych, a druga polega na generowaniu fal ultradźwiękowych za pomocą środków mechanicznych. Metody elektryczne obejmują typy piezoelektryczne, magnetostrykcyjne i elektryczne; metody mechaniczne obejmują flety garnizonowe, gwizdki płynne i gwizdki przepływu powietrza. Generowane przez nie fale ultradźwiękowe różnią się częstotliwością, mocą i charakterystyką dźwiękową, a zatem mają różne zastosowania. Najczęściej stosowanym jest piezoelektryczny generator ultradźwiękowy.
2. Zasada działania piezoelektrycznego generatora ultradźwiękowego
Piezoelektryczne generatory ultradźwiękowe w rzeczywistości wykorzystują do pracy rezonans kryształów piezoelektrycznych. Budowę wewnętrzną generatora ultradźwiękowego pokazano na rysunku 1. Posiada on dwie płytki piezoelektryczne i płytkę rezonansową. Kiedy do jego dwóch biegunów zostanie przyłożony sygnał impulsowy, którego częstotliwość jest równa naturalnej częstotliwości oscylacji chipa piezoelektrycznego, chip piezoelektryczny zacznie rezonować i wprawi płytkę rezonansową w drgania, generując w ten sposób fale ultradźwiękowe. I odwrotnie, jeśli między dwiema elektrodami nie zostanie przyłożone napięcie, gdy płyta rezonansowa odbierze fale ultradźwiękowe, spowoduje wibrację chipa piezoelektrycznego, zamieniając energię mechaniczną na sygnały elektryczne, a następnie stanie się odbiornikiem ultradźwiękowym.
3. Podstawowa zasada działania dalmierza ultradźwiękowego
Nadajnik ultradźwiękowy emituje fale ultradźwiękowe w określonym kierunku i rozpoczyna odmierzanie czasu w tym samym czasie, co czas emisji. Fale ultradźwiękowe rozchodzą się w powietrzu i natychmiast powracają w przypadku napotkania na swojej drodze przeszkody, a odbiornik ultradźwiękowy przestaje odliczać czas natychmiast po odebraniu odbitych fal. Prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu wynosi 340m/s. Na podstawie czasu t zarejestrowanego przez licznik czasu można obliczyć odległość (y) pomiędzy punktem emisji a przeszkodą, czyli: s=340t/2. Jest to tak zwana metoda wyznaczania odległości różnicy czasu.
Zasada ultradźwiękowego pomiaru odległości polega na wykorzystaniu znanej prędkości propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu do pomiaru czasu potrzebnego falom dźwiękowym na napotkanie przeszkód i odbicie się po ich emisji oraz do obliczenia rzeczywistej odległości od punktu emisji do przeszkody w oparciu o różnicę czasu pomiędzy emisją a odbiorem. Można zauważyć, że zasada pomiaru odległości ultradźwiękowej jest taka sama jak w przypadku radaru.
Wzór na zakres jest wyrażony jako: L=C×T
We wzorze L oznacza zmierzoną długość dystansu; C to prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu; T jest różnicą czasu zmierzonej propagacji odległości (T jest połową wartości czasu od transmisji do odbioru).
Dalmierz ultradźwiękowy jest używany głównie do pomiaru odległości przypomnieniach o cofaniu, placach budowy, terenach przemysłowych itp. Chociaż bieżący zakres pomiaru może sięgać 100 metrów, dokładność pomiaru może sięgać jedynie rzędu centymetrów.
Ze względu na zalety łatwej kierunkowej emisji fal ultradźwiękowych, dobrą kierunkowość, łatwą kontrolę natężenia oraz brak bezpośredniego kontaktu z mierzonym obiektem, jest to idealny przyrząd do pomiaru wysokości cieczy. Przy precyzyjnym pomiarze poziomu cieczy konieczne jest osiągnięcie milimetrowej dokładności pomiaru, ale obecnie domowe układy ASIC z ultradźwiękowym pomiarem mają dokładność pomiaru jedynie na poziomie centymetra. Analizując przyczyny błędów pomiaru ultradźwiękowego, poprawiając różnicę czasu pomiaru do poziomu mikrosekund i wykorzystując czujnik temperatury LM92 do kompensacji prędkości propagacji fali dźwiękowej, zaprojektowany przez nas precyzyjny dalmierz ultradźwiękowy może osiągnąć milimetrową dokładność pomiaru.
