المبادئ الأساسية لجهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية
1. مولد بالموجات فوق الصوتية
من أجل دراسة واستخدام الموجات فوق الصوتية، تم تصميم وتصنيع العديد من مولدات الموجات فوق الصوتية. بشكل عام، يمكن تقسيم مولدات الموجات فوق الصوتية إلى فئتين: إحداهما لتوليد موجات فوق صوتية بالوسائل الكهربائية، والأخرى لتوليد موجات فوق صوتية بالوسائل الميكانيكية. تشمل الطرق الكهربائية الأنواع الكهرضغطية والمغناطيسية والكهربائية؛ تشمل الطرق الميكانيكية مزامير الحامية وصفارات السائل وصفارات تدفق الهواء. تختلف الموجات فوق الصوتية التي تولدها من حيث التردد والطاقة والخصائص الصوتية، وبالتالي لها استخدامات مختلفة. الأكثر استخدامًا هو مولد الموجات فوق الصوتية الكهرضغطية.
2. مبدأ مولد الموجات فوق الصوتية الكهرضغطية
تستخدم مولدات الموجات فوق الصوتية الكهرضغطية في الواقع رنين البلورات الكهرضغطية للعمل. يظهر الشكل 1 الهيكل الداخلي لمولد الموجات فوق الصوتية. وهو يحتوي على رقاقتين كهرضغطية ولوحة رنين. عندما يتم تطبيق إشارة نبضية على قطبيها، حيث يكون ترددها مساويًا لتردد التذبذب الطبيعي للرقاقة الكهرضغطية، فإن الرقاقة الكهرضغطية سوف يتردد صداها، وتدفع لوحة الرنين إلى الاهتزاز، وبالتالي توليد موجات فوق صوتية. على العكس من ذلك، إذا لم يتم تطبيق أي جهد بين القطبين الكهربائيين، فعندما تستقبل لوحة الرنين موجات فوق صوتية، فإنها ستضغط على الرقاقة الكهرضغطية لتهتز، وتحول الطاقة الميكانيكية إلى إشارات كهربائية، وبعد ذلك تصبح جهاز استقبال بالموجات فوق الصوتية.
3. المبدأ الأساسي لجهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية
يرسل جهاز الإرسال بالموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية في اتجاه معين، ويبدأ التوقيت في نفس وقت الانبعاث. تنتشر الموجات فوق الصوتية في الهواء، وتعود فورًا عند مواجهة عوائق في الطريق، ويتوقف جهاز استقبال الموجات فوق الصوتية عن التوقيت فورًا بعد استقبال الموجات المنعكسة. تبلغ سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء 340 م/ث. وفقًا للوقت t الذي سجله المؤقت، يمكن حساب المسافة (المسافة) بين نقطة الانبعاث والعائق، وهي: s=340t/2. وهذا ما يسمى بطريقة تحديد فرق التوقيت.
مبدأ قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية هو استخدام سرعة الانتشار المعروفة للموجات فوق الصوتية في الهواء لقياس الوقت الذي تستغرقه الموجات الصوتية في مواجهة العوائق والانعكاس بعد انبعاثها، وحساب المسافة الفعلية من نقطة الانبعاث للعائق على أساس الفارق الزمني بين الإرسال والاستقبال. ويمكن ملاحظة أن مبدأ النطاق بالموجات فوق الصوتية هو نفس مبدأ الرادار.
يتم التعبير عن صيغة النطاق على النحو التالي: L=C×T
في الصيغة، L هو طول المسافة المقاسة؛ C هي سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء؛ T هو الفارق الزمني لانتشار المسافة المقاسة (T هو نصف القيمة الزمنية من الإرسال إلى الاستقبال).
يستخدم النطاق بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي لقياس المسافة للتذكير العكسي، ومواقع البناء، والمواقع الصناعية، وما إلى ذلك. على الرغم من أن نطاق المدى الحالي يمكن أن يصل إلى 100 متر، إلا أن دقة القياس يمكن أن تصل إلى سنتيمترات فقط.
نظرًا لمزايا الانبعاث الاتجاهي السهل للموجات فوق الصوتية، والاتجاه الجيد، والتحكم السهل في الشدة، وعدم الاتصال المباشر بالجسم المقاس، فهي وسيلة مثالية لقياس ارتفاع السائل. في القياس الدقيق لمستوى السائل، من الضروري تحقيق دقة قياس مستوى المليمتر، ولكن في الوقت الحاضر، تتمتع أجهزة ASIC المحلية بالموجات فوق الصوتية بدقة قياس على مستوى السنتيمتر فقط. من خلال تحليل أسباب أخطاء النطاق بالموجات فوق الصوتية، وتحسين فرق وقت القياس إلى مستوى الميكروثانية، واستخدام مستشعر درجة الحرارة LM92 للتعويض عن سرعة انتشار موجة الصوت، يمكن لمحدد المدى بالموجات فوق الصوتية عالي الدقة الذي صممناه تحقيق دقة قياس على مستوى المليمتر.
