При разработке различных специальных систем часто возникает необходимость измерения расстояния до объекта. В настоящее время существует несколько методов измерения расстояния: индуктивный, оптический, ультразвуковой. Датчики, в основе которых лежит ультразвуковой метод, отличаются простотой устройства и удобством эксплуатации, a также обладают высокой надежностью и достаточно высокой точностью. Ультразвук является бесконтактным способом измерения, поэтому охватывает большое количество сфер для использования в повседневной жизни. В настоящее время ультразвук широко применяется в медицинских, военных и промышленных сферах.
Ультразвук представляет собой колебательный процесс, распространяющийся в упругой среде, так как такая среда способна восстанавливать свою первоначальную форму, деформированную в результате кратковременного действия на нее возмущающей силы. Звуковые колебания, как известно из физики, характеризуются амплитудой, частотой и фазой. Частота ультразвука выше уровня частот, слышимых человеческим ухом, так как его диапазон находится в пределах от 20 кГц и выше. В качестве устройства для получения ультразвука часто используют электроакустические преобразователи, которые преобразуют колебания электрического переменного напряжения или тока с заданной частотой в механические колебания пьезоэлемента (пьезоэлектрик). К числу материалов, обладающих пьезоэлектрическим эффектом, относятся кристаллы кварца, турмалина, сегнетовой соли, титаната бария и др. В промышленности чаще используют кварц, нежели другие виды кристаллов. За счет изменения знака деформации при сжатии или растяжении кварцевой пластинки по оси а и ОО, возникают связанные заряды (рисунок 1) [4].
Рис. 1. Пластинка из кварца
Чтобы использовать связанные (поляризационные) заряды, кварцевые пластинки снабжают металлическими обкладками. На таких обкладках индуцируются заряды, равные и противоположные по знаку поляризационным, а во внешних проводах, соединяющих обкладки, возникает импульсы тока. Если на металлические обкладки подать переменное электрическое напряжение, то пластинка будет попеременно растягиваться и сжиматься вдоль оси а, то есть в ней возбудятся механические колебания. Этот пьезоэффект или «обратный пьезоэфект» был экспериментально открыт братьями Кюри. С помощью обратного пьезоэффекта и возникающего в цепи явления, как резонанс, можно возбуждать ультразвуковые волны в передатчиках, ведь датчик, включенный в электрическую цепь, эквивалентен последовательному колебательному контуру с такой же высокой добротностью, какая характеризует резонансные свойства упругих колебаний (рисунок 2).
Рис. 2. Эквивалентная схема ультразвукового передатчика
Конденсатор С0 называется шунтирующей емкостью и является эквивалентной емкостью электродов, нанесенных на пьезоэлемент, проводники, а также кристалодержатель. Ёмкость С, индуктивность L и резистор R являются параметрами колебательного контура, эквивалентного пьезоэлектрическому резонатору. Эти три величины называются динамическими параметрами пьезорезонатора. Принцип действия резонанса следующий: на колебательную систему или резонансный контур (рисунок 3) подают переменное напряжение определенной частоты и на реактивном сопротивлении контура получают напряжение при резонансе, в Q раз больше подаваемого на систему. Большое напряжение на индуктивности или емкости получается за счет постепенного накапливания энергии из-за колебаний в контуре. ЭДС источника возбуждает в контуре колебания, амплитуда которых нарастает, пока энергия источника не станет равной потерям энергии в активном сопротивлении контура. Затем в контуре происходят мощные колебания, характеризующиеся большой величиной тока и большими напряжениями, а источник напряжения использует небольшую мощность только для компенсации потери энергии [4, 5].
Рис. 3. Последовательный колебательный контур
На практике, свободные колебания в контуре являются затухающими, так как энергия заряженного конденсатора постепенно тратиться и преобразуется в тепловую энергию. Полное сопротивление последовательного колебательного контура равняется геометрической сумме емкостного, индуктивного и активного сопротивлений [1,3]:
(1)
где 
— реактивное сопротивление индуктивности;
— реактивное сопротивление емкости.
С помощью генератора можно получить незатухающие колебания, за счет пополнения электрической энергии на активном сопротивлении контура в такт с частотой колебаний контура. Сейчас, можно найти микроконтроллеры с функцией подачи импульсов, в качестве примера можно взять микроконтроллер из семейства MSP430. Принцип измерения с использованием импульсного метода следующий: на вход передатчика поступают импульсы через промежутки времени 
(период повторения импульса). Передатчик формирует на промежутке времени 
(длительность импульса) сигнал требуемой мощности амплитуды и частоты посылает в пространство. Затем отраженный сигнал от объекта, приходит на вход приемника. Приемник выдает огибающую принятого сигнала на вход оконечного устройства. Ниже, на рисунке 4 представлены схематические зависимости напряжения сигнала на разных элементах системы:
Рис. 4. График зависимости напряжения U(t) на разных элементах системы
Ультразвуковые датчики
Ультразвуковые датчики бывают двух типов режима работы: диффузионные и оппозитные. Для минимизации размеров схемы обычно используют диффузионный режим работы устройства, когда передатчик и приемник находятся в одном корпусе (рисунок 5) [5].
Рис. 5. Диффузионный режим работы
У такого режима есть один недостаток: время срабатывания занимает некоторое время. Причина этому следующая: после излучения пачки импульсов мембрана передатчика должна немного успокоиться, чтобы начать работать на прием. А это может занять некоторое время. Такой интервал времени приводит к возникновению «слепой зоны». Для измерения маленьких расстояний это существенный недостаток, но в случае, когда необходимо измерять расстояния до двух-трех метров этим можно пренебречь. «Слепую зону» можно существенно сократить путем применения схемы, в которой излучатель и приемник разделенные в схеме (рисунок 6). При этом необходимо максимально обеспечить чувствительность схемы за счет правильного выбора одной и той же резонансной частоты для передатчика и приемника [2].
Рис. 6. Оппозитный режим работы
Диаграмма направленности ультразвукового датчика — это зависимость распределения интенсивности ультразвукового пучка от угла расхождения 
, представленной в полярных координатах. Чем диаграмма острее, тем точность измерения на больших расстояниях падает.
Погрешности измерения
Любое измерительное устройство обладает некоторой погрешностью. Точность измерения ультразвуковых датчиков напрямую зависит от температуры и давления окружающей среды (рисунок 7).
Рис. 7. График зависимости скорости звука от температуры
Как видно из графика, скорость распространения звуковых волн с понижением температуры воздуха снижается. Например, при температуре 
скорость звуковой волны C(t)
305,8 м/с, а при температуре +45 C(t) 357,2 м/с. В таблице 1 представлена зависимость скорости звука от высоты. Чем больше высота, тем меньше давление и температура, а значит и скорость звука пропорционально уменьшается.
Таблица 1
Таблица зависимости скорости звука от давления
Почти нет материалов, которые не смог бы обнаружить ультразвуковой датчик. Поэтому интеллектуальные ультразвуковые измерители — идеальный вариант для решения задач автоматизации технологических процессов и определения положения и удаленности объекта в различных промышленных областях. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.
Литература:
- Колебательный последовательный контур // В помощь изучающему электронику. URL: http://www.electrosad.ru/Electronics/SFRadiohob/SFRadiohob6.htm (дата обращения: 9.05.2016).
- Общие характеристики импульсных сигналов // Библиотека учебной информации. URL: http://kyrator.com.ua/index.php?catid=10&id=631:4–1-impulsnye-ustrojstva&Itemid=119&option=com_content&view=article (дата обращения: 9.05.2016).
- Резонанс // Универсальная энциклопедия. URL: http://unienc.ru/282/1597-rezonans.html (дата обращения: 9.05.2016).
- Источники ультразвука // URL: https://www.drive2.ru/l/1110770/ (дата обращения: 9.05.2016).
- Ультразвук // Википедия. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/ %D0 %A3 %D0 %BB %D1 %8C %D1 %82 %D1 %80 %D0 %B0 %D0 %B7 %D0 %B2 %D1 %83 %D0 %BA (дата обращения: 9.05.2016).
