Автор: Емельянова Анастасия Андреевна

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №13 (117) июль-1 2016 г.

Дата публикации: 29.06.2016

Статья просмотрена: 325 раз

Библиографическое описание:

Емельянова А. А. Использование ультразвуковых волн для измерения расстояния до объектов // Молодой ученый. — 2016. — №13. — С. 161-165.



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:

  1. Колебательный последовательный контур // В помощь изучающему электронику. URL: http://www.electrosad.ru/Electronics/SFRadiohob/SFRadiohob6.htm (дата обращения: 9.05.2016).
  2. 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).
  3. Резонанс // Универсальная энциклопедия. URL: http://unienc.ru/282/1597-rezonans.html (дата обращения: 9.05.2016).
  4. Источники ультразвука // URL: https://www.drive2.ru/l/1110770/ (дата обращения: 9.05.2016).
  5. 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).
Основные термины (генерируются автоматически): сопротивлении контура, измерения расстояния, активном сопротивлении контура, дата обращения, механические колебания, колебательного контура, режим работы, методов измерения расстояния, необходимость измерения расстояния, частотой колебаний контура, контуре колебания, механические колебания пьезоэлемента, реактивном сопротивлении контура, колебания электрического переменного, параметрами колебательного контура, бесконтактным способом измерения, последовательного колебательного контура, Звуковые колебания, измерения ультразвуковых датчиков, переменное электрическое напряжение.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос