Nguyên tắc cơ bản của công cụ tìm phạm vi siêu âm
1. Máy phát siêu âm
Để nghiên cứu và sử dụng sóng siêu âm, nhiều máy phát siêu âm đã được thiết kế và chế tạo. Nói chung, máy phát siêu âm có thể được chia thành hai loại: một là tạo ra sóng siêu âm bằng phương tiện điện, hai là tạo ra sóng siêu âm bằng phương tiện cơ học. Các phương pháp điện bao gồm các loại áp điện, từ giảo và điện; các phương pháp cơ học bao gồm sáo đồn trú, còi chất lỏng và còi luồng không khí. Sóng siêu âm mà chúng tạo ra có tần số, công suất và đặc tính âm thanh khác nhau và do đó có những cách sử dụng khác nhau. Được sử dụng phổ biến nhất là máy phát siêu âm áp điện.
2. Nguyên lý máy phát siêu âm áp điện
Máy phát siêu âm áp điện thực chất sử dụng sự cộng hưởng của tinh thể áp điện để hoạt động. Cấu trúc bên trong của máy phát siêu âm được thể hiện trong Hình 1. Nó có hai tấm áp điện và một tấm cộng hưởng. Khi một tín hiệu xung được đưa vào hai cực của nó, tần số bằng với tần số dao động tự nhiên của chip áp điện, chip áp điện sẽ cộng hưởng và khiến tấm cộng hưởng rung động, do đó tạo ra sóng siêu âm. Ngược lại, nếu không có điện áp đặt vào giữa hai điện cực thì khi tấm cộng hưởng nhận sóng siêu âm, nó sẽ ép chip áp điện dao động, chuyển đổi năng lượng cơ học thành tín hiệu điện, sau đó trở thành máy thu siêu âm.
3. Nguyên lý cơ bản của máy đo xa siêu âm
Máy phát siêu âm phát ra sóng siêu âm theo một hướng nhất định và bắt đầu tính thời gian cùng lúc với thời gian phát ra. Sóng siêu âm lan truyền trong không khí và quay trở lại ngay lập tức khi gặp chướng ngại vật trên đường đi, đồng thời máy thu siêu âm dừng tính thời gian ngay sau khi nhận được sóng phản xạ. Tốc độ truyền sóng siêu âm trong không khí là 340m/s. Theo thời gian t được đồng hồ ghi lại, có thể tính được (các) khoảng cách giữa điểm phát xạ và chướng ngại vật, cụ thể là: s=340t/2. Đây được gọi là phương pháp đo chênh lệch thời gian.
Nguyên lý đo khoảng cách siêu âm là sử dụng tốc độ lan truyền đã biết của sóng siêu âm trong không khí để đo thời gian sóng âm gặp chướng ngại vật và phản xạ trở lại sau khi phát ra, đồng thời tính khoảng cách thực tế đến điểm phát xạ. đến chướng ngại vật dựa trên sự khác biệt về thời gian giữa phát và thu. Có thể thấy nguyên lý đo cự ly siêu âm cũng giống như nguyên lý của radar.
Công thức tính khoảng được biểu diễn dưới dạng: L=C×T
Trong công thức, L là chiều dài khoảng cách đo được; C là tốc độ truyền sóng siêu âm trong không khí; T là chênh lệch thời gian của khoảng cách truyền lan đo được (T là một nửa giá trị thời gian từ lúc truyền đến lúc thu).
Phạm vi siêu âm chủ yếu được sử dụng để đo khoảng cách của lời nhắc lùi xe, công trường, khu công nghiệp, v.v. Mặc dù phạm vi phạm vi hiện tại có thể đạt tới 100 mét nhưng độ chính xác của phép đo chỉ có thể đạt đến thứ tự centimet.
Do ưu điểm là sóng siêu âm phát ra định hướng dễ dàng, tính định hướng tốt, dễ kiểm soát cường độ và không tiếp xúc trực tiếp với vật đo nên đây là phương tiện lý tưởng để đo chiều cao chất lỏng. Trong phép đo mức chất lỏng chính xác, cần phải đạt được độ chính xác đo ở mức milimet, nhưng hiện tại, ASIC đo phạm vi siêu âm trong nước chỉ có độ chính xác đo ở mức centimet. Bằng cách phân tích nguyên nhân gây ra lỗi phạm vi siêu âm, cải thiện chênh lệch thời gian đo đến mức micro giây và sử dụng cảm biến nhiệt độ LM92 để bù tốc độ truyền sóng âm, máy đo khoảng cách siêu âm có độ chính xác cao mà chúng tôi thiết kế có thể đạt được độ chính xác đo ở mức milimet.
