1. Nguyên tắc đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm.
Một dao động cơ học có tần số siêu âm phát ra từ biến tử phát sóng lan truyền vào môi trường cần đo. Khi gặp giới hạn phân cách hai môi trường một phần năng lượng truyền qua, một phần năng lượng phản xạ trở lại.Theo định luật phản xạ sóng nếu chùm tia phản xạ sẽ cùng phương nhưng ngược chiều với chùm tia tới. Thời gian đi và về của chùm tia phụ thuộc vào hai yếu tố vận tốc truyền âm của môi trường và đoạn đường dịch chuyển của chùm tia trong môi trường.
Xác định khoảng cách: Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s. Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về các sóng phản xạ đồng thời đo được khoảng thời gian từ lúc phát đi tới lúc thu về, thì máy tính
có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian. Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật, theo hướng phát của sóng siêu âm. Hay khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF: z = c.t/2
Trong đú: z là khoảng cỏch cần đo.
c là vận tốc súng siờu õm trong mụi trường truyền súng.
t là thời gian từ lỳc súng được phỏt đi đến lỳc súng được ghi nhận lại. Nguyên lý TOF (time of flight) là nguyên lý đo khoảng cách bằng thời gian truyền của sóng. Phương pháp này được đặc biệt ứng dụng với các thiết bị sử dụng sóng siêu âm do vận tốc di chuyển của sóng trong không khí và trong các vật liệu khác tương đối chậm, và người ta có thể đo được khoảng cách với sai số nhỏ (khoảng 343m/s trong không khí). Phương pháp này không được dùng trong các thiết bị thu nhận sóng điện từ, vì vận tốc sóng điện từ rất cao bằng với vận tốc ánh sáng (300.000 km/s). Khoảng cách từ thiết bị phát đến chướng ngại vật được tính bằng vận tốc của sóng trong môi trường tương ứng nhân với một nửa thời gian truyền của sóng.
2. Sơ đồ khối của thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm
Hình 2.38: Sơ đồ khối thiết bị đo khoảng cách sử dụng sóng siêu âm
Điều khiển phát –
thu – hiển thị - xóa Bộ đếm n số hiển thị bằng led 7 đoạn
Tạo xung đếm Dao động siêu âm
Điều chế tín hiệu Khuếch đại Biến tử phát sóng Biến tử thu sóng Chuyển mạch 1 Xử lý tín hiệu thu Khuếch đại chọn tần Chuyển mạch 2
3. Chức năng nhiệm vụ yêu cầu từng khối:
a. Dao động siêu âm: Có nhiệm vụ tạo ra chuỗi sóng vuông tuần hoàn có tần số điều chỉnh trong phạm vi từ vài chục KHz đến vài trăm KHz cho phù hợp với các môi trường truyền sóng khác nhau. Ngoài ra tần số dao động còn liên quan đến bề mặt phản xạ và độ chính xác của phép đo cũng như khoảng cách xa nhất mà phép đo có thể đạt tới. Tần số dao động càng cao phép đo càng chính xác nhưng tổn hao trong môi trường truyền sống càng lớn cự ly đo càng giảm và ngược lại tần số dao động thấp độ chính xác của phép đo giảm tổn hao trong môi trường truyền sóng giảm theo khoảng cách đo được tăng lên.
b. Khối điều chế tín hiệu: Nhằm tạo ra chuỗi xung phát có độ rộng định trước chiếm khoảng thời gian tương đương 5 -15 chu kì dao động. Khối này thường sử dụng cổng logic kết hợp với mạch vi phân để tạo ra chuỗi xung có độ rộng cần thiết.
c. Khối khuếch đại công suất: Nâng biên độ chuỗi xung phát với áp và dòng đủ lớn cung cấp cho biến tử phát sóng. Ngõ ra của mạch khuếch đại công suất đôi khi sử dụng biến áp nhằm tăng biên độ điện áp đồng thời phối hợp trở kháng giữa ngõ ra của mạch công suất và biến tử phát sóng.
d. Biến tử phát sóng: Chuyển đổi dao động điện thành dao động cơ học lan truyền trong môi trường. Tần số dao động riêng của biến tử phải phù hợp với tần số xung phát để dao động cơ học bức xạ đạt biên độ lớn nhất. Trong thiết bị đo khoảng cách biến tử được sử dụng là loại thẳng góc có hệ số chuyển đổi điện cơ cao với tần số hoạt động trong phạm vi từ 100 KHz-150KHz
e. Biến tử thu sóng: Chuyển đổi dao động cơ học phản xạ thành dao động điện. Biến tử thu sóng cần có độ nhạy cao để đo được khoảng cách xa cần thiết.
f. Khối khuếch đại chọn tần: Do tín hiệu thu được trên hai đầu biến tử thu sóng chỉ đạt giá trị từ V – mV nên yêu cầu mạch khuếch đại tín hiệu thu phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Tổng trở nhập phải cao
- Tính chọn lọc tần số tốt tránh ảnh hưởng các nguồn âm bên ngoài - Tính kháng nhiễu tốt
Hệ số khuếch đại lớn sao cho biên độ ngõ ra đạt giá trị từ vài trăm mV-1V. Để đáp ứng các yêu cầu trên cần sử dụng hai đến ba tầng khuếch đại chọn tần với ngõ vào vi sai, Opam với các dạng mạch khuếch đại thích hợp. Hiện nay người ta thường sử dụng các vi mạch khuếch đại và nhận dạng âm thanh chuyên dùng như SL468, LM567…
g. Xử lí tín hiệu thu: Tín hiệu thu sau khi khuếch đạu và chọn tần sẽ được xử lý để có dạng xung cần thiết. Việc xử lí tín hiệu thu có thể do các mạch so sánh, các cổng logic để đạt mức điện áp chuẩn và ổn định đưa đến chuyển mạch 1 và 2 phục vụ cho việc chốt dữ liệu
h. Bộ hiển thị số: Tùy theo yêu cầu chỉ thị ta có thể dùng các bộ đếm 3 số, 6 số hoặc 9 số. Bộ số đếm được hiển thị bởi các đèn 7 đoạn dạng Diod phát quang hay tinh thể lỏng có thể hiển thị các số từ 0000… đến 9999… theo tốc độ đếm của xung đồng hồ. Bộ đếm số được xây dựng theo phương án tuần tự hoặc phương pháp quét.
i. Mạch tạo xung đếm: Mạch tạo xung đếm là mạch tạo ra chuỗi xung vuông tuần hoàn có tần số thay đổi được cung cấp cho bộ đếm số. Tần số xung phụ thuộc vào vận tốc truyền sóng trong môi trường cũng như độ phân giải của phép đo. Ví dụ:
Môi trường truyền sóng là không khí có c = 330 m/s. Nếu bộ đếm hiển thị với số đếm là mm thì tần số xung phải là: f = 330.2.103 = 660KHz
Môi trường truyền sóng là thép có c = 5000m/s. Nếu bộ đếm hiển thị với số đếm là cm thì tần số xung phải là: f = 5.102.2.103 = 1MHz
Tùy theo thiết kế xung đếm có thể sử dụng các vi mạch họ TTL, CMOS hoặc các vi mạch tạo xung chuyên dùng.
k. Khối chuyển mạch 2: Khối chuyển mạch 2 có nhiệm vụ đưa xung đếm đến bộ đếm số ngay tại thời điểm phát sóng siêu âm vào môi trường và khóa bộ đếm số khi nhận được xung phản xạ. Một chuỗi xung phản xạ được biến tử thu sóng sau khi khuếch đại và xử lí sẽ được biến đổi thành một xung duy nhất thực hiện việc chốt bộ đếm số.
l. Khối chuyển mạch 1: Khối chuyển mạch 1 có nhiệm vụ khóa tín hiệu thu trong suốt thời gian phát sóng nhằm tránh hiện tượng xung truyền trực tiếp từ biến tử phát đến biến tử thu khi hai biến tử này đặt gần nhau dẫn đến kết quả đo sai (trong trường hợp này kết quả đo được chính là khoảng cách từ biến tử phát đến biến tử thu). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
m. Mạch điều khiển xóa – phát – thu – hiển thị: Mạch có chức năng điều khiển toàn hệ thống làm việc theo chu trình định trước. Với phương thức hoạt động như trên mạch còn có chức năng luôn luôn cập nhật hóa dữ liệu đo khi thay đổi khoảng cách đo mà không cần tắt máy để lập lại phép đo từ đầu.
4. Giản đồ dạng sóng
Dao động siêu âm
Chùm xung phát
Chùm xung phản xạ
Xung chốt
Dao động tạo xung đếm
Chuỗi xung đếm tác dụng
5. Nguyên lí hoạt động của toàn hệ thống
Khi mới cấp điện mạch tạo xung điều khiển xóa bộ đếm về 0. Tại thời điểm t1 khi vừa dứt xung xóa bộ phát xung kết hợp với mạch điều chế và khuếch đại công suất tạo ra 1 chùm xung điện đưa đến biến tử phát sóng. Biến tử phát sóng sẽ tạo ra 1 chuỗi xung siêu âm có tần số tương ứng và độ rộng định trước lan truyền thẳng góc với bề mặt biến tử vào trong môi trường.
Cũng tại thời điểm t1, mạch thu tín hiệu bị khóa; chuyển mạch số 2 đưa xung đếm đến bộ đếm. Bộ đếm bắt đầu đếm từ các số đếm tăng dần theo tốc độ của xung đếm.
Khi chuỗi xung siêu âm đến mặt phân cách của hai môi trường (khoảng cách cần đo), theo định luật phản xạ sóng một phần năng lượng sẽ phản xạ lại cùng phương đến biến tử thu sóng đặt cùng phía với biến tử phát.
Biến tử phát sóng sẽ chuyển đổi dao động cơ thành dao động điện đưa đến mạch khuếch đại và xử lí để tạo nên xung chốt. Tại thời điểm t2, chuyển mạch 1 làm việc đưa xung chốt đến điều khiển chuyển mạch 2. Chuyển mạch 2 tác động như một bộ khóa cắt xung đếm. Như vậy, bộ đếm sẽ hiển thị được số đếm tương ứng với đoạn đường dịch chuyển của chùm tia siêu âm trong môi trường và tốc độ xung đếm
Bằng cách hiệu chỉnh tần số làm việc của chuỗi xung đếm với một khoảng cách chuẩn được định trước, số hiển thị trên bộ đếm chính là khoảng cách cần đo. Sau một khoảng thời gian định trước (phụ thuộc vào tần số của xung điều khiển) mạch lại làm việc từ đầu, cập nhật giá trị đo mới.