Principi di base del telemetro a ultrasuoni
1. Generatore di ultrasuoni
Per studiare e utilizzare le onde ultrasoniche, sono stati progettati e realizzati molti generatori di ultrasuoni. In generale, i generatori di ultrasuoni possono essere suddivisi in due categorie: uno è quello che genera onde ultrasoniche con mezzi elettrici, e l'altro è che genera onde ultrasoniche con mezzi meccanici. I metodi elettrici includono i tipi piezoelettrici, magnetostrittivi ed elettrici; i metodi meccanici includono flauti di guarnigione, fischietti liquidi e fischietti del flusso d'aria. Le onde ultrasoniche che generano variano in frequenza, potenza e caratteristiche sonore e quindi hanno usi diversi. Il più comunemente usato è il generatore di ultrasuoni piezoelettrico.
2. Principio del generatore di ultrasuoni piezoelettrico
I generatori di ultrasuoni piezoelettrici utilizzano effettivamente la risonanza dei cristalli piezoelettrici per funzionare. La struttura interna del generatore di ultrasuoni è mostrata nella Figura 1. Ha due wafer piezoelettrici e una piastra di risonanza. Quando ai suoi due poli viene applicato un segnale di impulso, la cui frequenza è uguale alla frequenza di oscillazione naturale del chip piezoelettrico, il chip piezoelettrico entra in risonanza e fa vibrare la piastra di risonanza, generando così onde ultrasoniche. Al contrario, se non viene applicata alcuna tensione tra i due elettrodi, quando la piastra risonante riceve onde ultrasoniche, spingerà il chip piezoelettrico a vibrare, convertendo l'energia meccanica in segnali elettrici, e quindi diventerà un ricevitore ultrasonico.
3. Principio di base del telemetro a ultrasuoni
Il trasmettitore a ultrasuoni emette onde ultrasoniche in una determinata direzione e inizia a cronometrare contemporaneamente al tempo di emissione. Le onde ultrasoniche si propagano nell'aria e ritornano immediatamente quando incontrano ostacoli sul percorso e il ricevitore ultrasonico interrompe il cronometraggio immediatamente dopo aver ricevuto le onde riflesse. La velocità di propagazione delle onde ultrasoniche nell'aria è di 340 m/s. In base al tempo t registrato dal timer si può calcolare la distanza (s) tra il punto di emissione e l'ostacolo, ovvero: s=340t/2. Questo è il cosiddetto metodo della differenza di tempo.
Il principio della misurazione della distanza a ultrasuoni consiste nell'utilizzare la velocità di propagazione nota delle onde ultrasoniche nell'aria per misurare il tempo impiegato dalle onde sonore per incontrare ostacoli e riflettersi dopo essere stati emessi, e per calcolare la distanza effettiva dal punto di emissione all’ostacolo in base alla differenza oraria tra emissione e ricezione. Si può vedere che il principio della misurazione ultrasonica è lo stesso di quello del radar.
La formula per l'intervallo è espressa come: L=C×T
Nella formula, L è la lunghezza della distanza misurata; C è la velocità di propagazione delle onde ultrasoniche nell'aria; T è la differenza temporale della propagazione della distanza misurata (T è la metà del valore temporale dalla trasmissione alla ricezione).
La portata a ultrasuoni viene utilizzata principalmente per la misurazione della distanza di promemoria di retromarcia, cantieri edili, siti industriali, ecc. Sebbene la portata attuale possa raggiungere i 100 metri, la precisione della misurazione può raggiungere solo l'ordine dei centimetri.
Grazie ai vantaggi della facile emissione direzionale delle onde ultrasoniche, della buona direzionalità, del facile controllo dell'intensità e dell'assenza di contatto diretto con l'oggetto misurato, è un mezzo ideale per la misurazione dell'altezza dei liquidi. Nella misurazione precisa del livello dei liquidi, è necessario ottenere una precisione di misurazione a livello millimetrico, ma attualmente gli ASIC domestici a portata ultrasonica hanno solo una precisione di misurazione a livello centimetrico. Analizzando le cause degli errori di portata degli ultrasuoni, migliorando la differenza temporale di misurazione al livello dei microsecondi e utilizzando il sensore di temperatura LM92 per compensare la velocità di propagazione dell'onda sonora, il telemetro a ultrasuoni ad alta precisione da noi progettato può raggiungere una precisione di misurazione a livello millimetrico.
