超音波距離計の基本原理

超音波距離計の基本原理

1.超音波発生器
超音波を研究し利用するために、多くの超音波発生器が設計、製造されてきました。 一般に、超音波発生器は 2 つのカテゴリに分類できます。1 つは電気的手段で超音波を発生させるもの、もう 1 つは機械的手段で超音波を発生させるものです。 電気式には圧電式、磁歪式、電気式などがあります。 機械的な方法には、駐屯笛、液体ホイッスル、エアフローホイッスルなどがあります。 生成される超音波は周波数、出力、音響特性が異なるため、さまざまな用途があります。 最も一般的に使用されるのは圧電超音波発生器です。

2. 圧電超音波発生器の原理
圧電超音波発生器は、実際には圧電結晶の共振を利用して動作します。 超音波発生器の内部構造を図 1 に示します。超音波発生器は 2 枚の圧電ウエハと 1 つの共振板を備えています。 圧電チップの固有振動数と同じ周波数のパルス信号を2つの極に印加すると、圧電チップが共振し、共振板が振動して超音波を発生します。 逆に、2つの電極間に電圧が印加されていない場合、共振板が超音波を受信すると、圧電チップが押されて振動し、機械エネルギーが電気信号に変換され、超音波受信器となります。

3. 超音波距離計の基本原理
超音波発信機は一定方向に超音波を発信し、発信時刻と同時に計時を開始します。 超音波は空中を伝播し、途中で障害物に遭遇するとすぐに戻ってきますが、超音波受信機は反射波を受信するとすぐに計時を停止します。 超音波の空気中の伝播速度は340m/sです。 タイマーによって記録された時間 t に従って、放出点と障害物との間の距離 (s)、つまり s=340 t/2 を計算できます。 いわゆる時差測距方式である。
超音波距離測定の原理は、空気中の超音波の既知の伝播速度を利用して、音波が放射されてから障害物に衝突して反射するまでの時間を測定し、放射点からの実際の距離を計算することです。発信と受信の時間差に基づいて障害物までの距離を測定します。 超音波測距の原理はレーダーの原理と同じであることがわかります。

測距の公式は次のように表されます: L=C×T
式中、L は測定された距離の長さです。 C は空気中の超音波の伝播速度です。 T は測定された距離の伝播の時間差です (T は送信から受信までの時間値の半分です)。
超音波測距は主に、後退リマインダー、建設現場、工業現場などの距離測定に使用されます。現在の測距範囲は100メートルに達しますが、測定精度はセンチメートル程度にすぎません。

超音波を指向的に放射しやすく、指向性が良く、強度の制御が容易で、測定対象物に直接接触しないなどの利点があるため、液高測定に最適な手段です。 精密な液面レベル測定では、ミリメートルレベルの測定精度が求められますが、現状、国内の超音波測距ASICはセンチメートルレベルの測定精度しかありません。 当社が設計した高精度超音波距離計は、超音波測距誤差の原因を分析し、測定時間の差をマイクロ秒レベルまで改善し、LM92温度センサーを使用して音波の伝播速度を補償することにより、ミリメートルレベルの測定精度を実現します。