Digitaalinen ultraäänietäisyysmittari kehitetty
1. Esittely
Ultraääniaallot etenevät eri nopeuksilla kaasuissa, nesteissä ja kiinteissä aineissa, joilla on hyvä suuntaavuus, keskittynyt energia, minimaalinen vaimennus lähetyksen aikana ja vahva heijastuskyky. Ultraääniaallot voivat edetä tietyllä nopeudella ja muodostaa heijastuksia kohtaaessaan esteitä. Tätä ominaisuutta käyttämällä voidaan laskea todellinen etäisyys mittaamalla aika, joka kuluu ultraääniaaltojen kulkemiseen edestakaisin, jolloin saavutetaan kohteiden kosketukseton etäisyysmittaus. Ultraäänietäisyysmittaus on nopeaa, kätevää, eikä siihen vaikuta esimerkiksi valo. Sitä käytetään laajalti hydrologisessa nestetason mittauksessa, rakennustyömaamittauksessa, paikan päällä tapahtuvassa paikannusvalvonnassa, ajoneuvon peruutusesteen havaitsemisessa, liikkuvien koneiden havaitsemisessa ja paikantamisessa ja muilla aloilla. Tässä artikkelissa suunniteltu digitaalinen ultraäänietäisyysmittari laskee laskurin tietylle taajuudelle syötetyt kellopulssit ultraäänen edestakaisen matkan aikana ja näyttää vastaavan mittausetäisyyden.
2. Ultraäänietäisyysmittarin piirin koostumus ja toimintaperiaate
Ultraäänietäisyysmittari koostuu ultraäänigeneraattoripiiristä, ultraäänivastaanottovahvistuspiiristä, laskenta- ja näyttöpiiristä.
2.1 Ultraäänigenerointipiiri
Ultraäänituotantopiiri. Kaksoisajastin EN556 (U2b) muodostaa monostabiilin liipaisimen. R6 ja C6 muodostavat differentiaalipiirin, joka toimii seuraavasti: kun painiketta S2 painetaan, alhainen taso muuttuu positiiviseksi ja negatiiviseksi piikkipulssiksi, joka kulkee VD1:n läpi negatiivisen piikkipulssin aikaansaamiseksi ja laukaisee monostabiilin liipaisukäännöksen. Monostabiilin flip-lähdön korkean tason kesto on noin 1 ms, mikä on tw ≈ 1.1R5C5 ≈ 1 ms. EN556 (U2n) muodostaa moniharmonisen oskillaattorin, jonka värähtelytaajuus on f1=1/T1 ≈ 1/{0.7 [(R1+R2)+2 (R) 3+R4)] C3 ≈ 40 kHz. Oskillaattorin värähtelyä ohjataan monostabiilin liipaisimen lähtötasolla. Kun monostabiili liipaisin tuottaa korkean tason, moniharmoninen oskillaattori värähtelee, EN556:n nasta 5 tuottaa noin 40 suorakulmaista pulssia taajuudella 40 kHz ja toimintasuhteella noin 50 %. Ottaen huomioon moniharmonisen oskillaattorin aloitusasteen epävakauden, suunnitellaan suurempi määrä ulostulopulsseja. Jos lähtöpulssien määrä on liian pieni, emissiointensiteetti on alhainen ja mittausetäisyys lyhyt. Kosteusanturin anturi, ruostumattomasta teräksestä valmistettu sähkölämmitysputki PT100 anturi, alumiinivalettu lämmitin, lämmityspatterin nesteen solenoidiventtiili, mutta pulssien määrä on liian suuri ja päästön kesto pitkä. Kun etäisyys mitatusta kohteesta on lähellä, pulssijonoa ei ole lähetetty kokonaan, jolloin ensimmäisen lähetetyn pulssin synnyttämä kaiku saavuttaa vastaanottopään, mikä vaikuttaa etäisyystulokseen ja lisää etäisyyden kuolemaa pistettä. 74HC04:n (U1) U1a ~ U1e muodostaa ultraäänipulssiohjauspiirin, joka voi lisätä ajo-ultraäänianturin pulssijännitteen amplitudia, suorittaa tehokkaasti sähköisen/akustisen muunnoksen, parantaa kykyä lähettää ultraääniaaltoja ja lisätä mittausetäisyyttä. 40 kHz:n pulssijono käännetään ylösalaisin U1a:n kautta ja sitten rinnakkaisten invertterien U1b ja U1e kautta; Toinen tapa on rinnakkaisten invertterien U1c ja U1d käänteisvaihe etelässä.
