Grundprinzipien des Ultraschall-Entfernungsmessers
1. Ultraschallgenerator
Um Ultraschallwellen zu untersuchen und zu nutzen, wurden viele Ultraschallgeneratoren entwickelt und hergestellt. Generell lassen sich Ultraschallgeneratoren in zwei Kategorien einteilen: Die eine besteht darin, Ultraschallwellen auf elektrischem Wege zu erzeugen, die andere darin, Ultraschallwellen auf mechanischem Wege zu erzeugen. Zu den elektrischen Methoden gehören piezoelektrische, magnetostriktive und elektrische Methoden. Zu den mechanischen Methoden gehören Garnisonsflöten, Flüssigpfeifen und Luftstrompfeifen. Die von ihnen erzeugten Ultraschallwellen variieren in Frequenz, Leistung und Klangeigenschaften und haben daher unterschiedliche Verwendungszwecke. Am häufigsten wird der piezoelektrische Ultraschallgenerator verwendet.
2. Prinzip des piezoelektrischen Ultraschallgenerators
Piezoelektrische Ultraschallgeneratoren nutzen tatsächlich die Resonanz piezoelektrischer Kristalle. Der innere Aufbau des Ultraschallgenerators ist in Abbildung 1 dargestellt. Er besteht aus zwei piezoelektrischen Wafern und einer Resonanzplatte. Wenn an seine beiden Pole ein Impulssignal angelegt wird, dessen Frequenz der natürlichen Schwingungsfrequenz des piezoelektrischen Chips entspricht, schwingt der piezoelektrische Chip mit und versetzt die Resonanzplatte in Schwingungen, wodurch Ultraschallwellen erzeugt werden. Wenn umgekehrt zwischen den beiden Elektroden keine Spannung angelegt wird und die Resonanzplatte Ultraschallwellen empfängt, versetzt sie den piezoelektrischen Chip in Schwingungen, wandelt mechanische Energie in elektrische Signale um und wird dann zu einem Ultraschallempfänger.
3. Grundprinzip des Ultraschall-Entfernungsmessers
Der Ultraschallsender sendet Ultraschallwellen in eine bestimmte Richtung aus und startet gleichzeitig mit der Sendezeit die Zeitmessung. Die Ultraschallwellen breiten sich in der Luft aus und kehren sofort zurück, wenn unterwegs auf Hindernisse gestoßen wird. Der Ultraschallempfänger stoppt die Messung sofort nach dem Empfang der reflektierten Wellen. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in der Luft beträgt 340 m/s. Anhand der vom Timer aufgezeichneten Zeit t kann der Abstand (s) zwischen dem Emissionspunkt und dem Hindernis berechnet werden, nämlich: s=340t/2. Dabei handelt es sich um das sogenannte Time-Difference-Ranging-Verfahren.
Das Prinzip der Ultraschall-Entfernungsmessung besteht darin, die bekannte Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in der Luft zu nutzen, um die Zeit zu messen, die die Schallwellen benötigen, um auf Hindernisse zu treffen und nach ihrer Emission zurückzureflektieren, und um die tatsächliche Entfernung vom Emissionspunkt zu berechnen zum Hindernis basierend auf der Zeitdifferenz zwischen Aussendung und Empfang. Es ist ersichtlich, dass das Prinzip der Ultraschall-Entfernungsmessung das gleiche ist wie das des Radars.
Die Formel für die Entfernungsmessung lautet: L=C×T
In der Formel ist L die gemessene Distanzlänge; C ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Ultraschallwellen in der Luft; T ist die Zeitdifferenz der gemessenen Distanzausbreitung (T ist die Hälfte des Zeitwerts vom Senden bis zum Empfang).
Die Ultraschall-Entfernungsmessung wird hauptsächlich zur Entfernungsmessung von Rückfahrwarnanlagen, Baustellen, Industriestandorten usw. verwendet. Obwohl die aktuelle Entfernungsmessung 100 Meter erreichen kann, kann die Messgenauigkeit nur die Größenordnung von Zentimetern erreichen.
Aufgrund der Vorteile der einfachen gerichteten Emission von Ultraschallwellen, der guten Richtwirkung, der einfachen Steuerung der Intensität und des fehlenden direkten Kontakts mit dem Messobjekt ist es ein ideales Mittel zur Messung der Flüssigkeitshöhe. Bei der präzisen Messung des Flüssigkeitsstands ist es erforderlich, eine Messgenauigkeit im Millimeterbereich zu erreichen. Derzeit verfügen ASICs zur Ultraschallentfernung im Haushalt jedoch nur über eine Messgenauigkeit im Zentimeterbereich. Durch die Analyse der Ursachen von Ultraschall-Entfernungsmessfehlern, die Verbesserung der Messzeitdifferenz auf den Mikrosekundenbereich und die Verwendung des LM92-Temperatursensors zur Kompensation der Schallwellenausbreitungsgeschwindigkeit kann der von uns entwickelte hochpräzise Ultraschall-Entfernungsmesser eine Messgenauigkeit im Millimeterbereich erreichen.
