Principes de base du télémètre à ultrasons
1. Générateur d'ultrasons
Afin d'étudier et d'utiliser les ondes ultrasonores, de nombreux générateurs d'ultrasons ont été conçus et fabriqués. D'une manière générale, les générateurs d'ultrasons peuvent être divisés en deux catégories : l'une consiste à générer des ondes ultrasonores par des moyens électriques et l'autre consiste à générer des ondes ultrasonores par des moyens mécaniques. Les méthodes électriques comprennent les types piézoélectriques, magnétostrictifs et électriques ; les méthodes mécaniques comprennent les flûtes de garnison, les sifflets à liquide et les sifflets à flux d'air. Les ondes ultrasonores qu’ils génèrent varient en fréquence, en puissance et en caractéristiques sonores et ont donc des utilisations différentes. Le plus couramment utilisé est le générateur d’ultrasons piézoélectrique.
2. Principe du générateur ultrasonique piézoélectrique
Les générateurs d'ultrasons piézoélectriques utilisent en fait la résonance des cristaux piézoélectriques pour fonctionner. La structure interne du générateur d'ultrasons est illustrée à la figure 1. Il comporte deux plaquettes piézoélectriques et une plaque de résonance. Lorsqu'un signal d'impulsion est appliqué à ses deux pôles, dont la fréquence est égale à la fréquence d'oscillation naturelle de la puce piézoélectrique, la puce piézoélectrique résonnera et fera vibrer la plaque de résonance, générant ainsi des ondes ultrasonores. À l’inverse, si aucune tension n’est appliquée entre les deux électrodes, lorsque la plaque résonante reçoit des ondes ultrasonores, elle poussera la puce piézoélectrique à vibrer, convertissant l’énergie mécanique en signaux électriques, puis elle deviendra un récepteur ultrasonique.
3. Principe de base du télémètre à ultrasons
L'émetteur ultrasonique émet des ondes ultrasonores dans une certaine direction et commence à chronométrer en même temps que le temps d'émission. Les ondes ultrasonores se propagent dans l'air et reviennent immédiatement lorsqu'elles rencontrent des obstacles sur le chemin, et le récepteur ultrasonique arrête de chronométrer immédiatement après avoir reçu les ondes réfléchies. La vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans l’air est de 340 m/s. En fonction du temps t enregistré par le chronomètre, on peut calculer la ou les distances entre le point d'émission et l'obstacle, à savoir : s=340t/2. Il s’agit de la méthode dite de télémétrie par décalage horaire.
Le principe de la mesure de distance par ultrasons consiste à utiliser la vitesse de propagation connue des ondes ultrasonores dans l'air pour mesurer le temps nécessaire aux ondes sonores pour rencontrer des obstacles et se refléter après leur émission, et pour calculer la distance réelle du point d'émission. à l'obstacle en fonction du décalage horaire entre l'émission et la réception. On constate que le principe de la télémétrie ultrasonique est le même que celui du radar.
La formule de télémétrie est exprimée comme suit : L=C×T
Dans la formule, L est la longueur de la distance mesurée ; C est la vitesse de propagation des ondes ultrasonores dans l'air ; T est la différence de temps de propagation de la distance mesurée (T est la moitié de la valeur temporelle de l'émission à la réception).
La télémétrie par ultrasons est principalement utilisée pour la mesure de distance des rappels de marche arrière, des chantiers de construction, des sites industriels, etc. Bien que la portée actuelle puisse atteindre 100 mètres, la précision de la mesure ne peut atteindre que l'ordre des centimètres.
En raison des avantages d'une émission directionnelle facile d'ondes ultrasonores, d'une bonne directivité, d'un contrôle facile de l'intensité et de l'absence de contact direct avec l'objet mesuré, c'est un moyen idéal pour mesurer la hauteur du liquide. Pour une mesure précise du niveau de liquide, il est nécessaire d'obtenir une précision de mesure au niveau millimétrique, mais à l'heure actuelle, les ASIC de mesure par ultrasons domestiques n'ont qu'une précision de mesure au niveau centimétrique. En analysant les causes des erreurs de télémétrie ultrasonique, en améliorant la différence de temps de mesure jusqu'au niveau de la microseconde et en utilisant le capteur de température LM92 pour compenser la vitesse de propagation des ondes sonores, le télémètre ultrasonique de haute précision que nous avons conçu peut atteindre une précision de mesure au niveau millimétrique.
