עקרונות בסיסיים של מד טווח קולי
1. מחולל אולטרסאונד
על מנת ללמוד ולנצל גלים קוליים, תוכננו ויוצרו גנרטורים קוליים רבים. באופן כללי ניתן לחלק את הגנרטורים האולטראסוניים לשתי קטגוריות: האחת היא יצירת גלים אולטרסאונדים באמצעים חשמליים, והשנייה היא יצירת גלים אולטראסוניים באמצעים מכניים. שיטות חשמל כוללות סוגים פיזואלקטריים, מגנטוסטריקטיבים וחשמליים; שיטות מכניות כוללות חלילי מצב, שריקות נוזל ושריקות זרימת אוויר. הגלים האולטראסוניים שהם יוצרים משתנים בתדירות, בעוצמה ובמאפיינים הקוליים, ולכן יש להם שימושים שונים. הנפוץ ביותר הוא מחולל אולטרסאונד פיזואלקטרי.
2. עיקרון של מחולל אולטרסאונד פיזואלקטרי
גנרטורים קוליים פיזואלקטריים למעשה משתמשים בתהודה של גבישים פיזואלקטריים כדי לעבוד. המבנה הפנימי של הגנרטור האולטראסוני מוצג באיור 1. יש לו שני פרוסות פיזואלקטריות וצלחת תהודה. כאשר מופעל אות פולס על שני הקטבים שלו, שתדירותו שווה לתדר התנודה הטבעי של השבב הפיאזואלקטרי, השבב הפייזואלקטרי יהדהד, ויניע את לוח התהודה לרטוט, ובכך ייצור גלים קוליים. לעומת זאת, אם לא מופעל מתח בין שתי האלקטרודות, כאשר צלחת התהודה קולטת גלים קוליים, היא תלחץ על השבב הפייזואלקטרי לרטוט, תוך המרת אנרגיה מכנית לאותות חשמליים, ואז היא הופכת למקלט קולי.
3. עקרון בסיסי של מד טווח קולי
המשדר הקולי פולט גלים קוליים בכיוון מסוים, ומתחיל בתזמון במקביל לזמן הפליטה. הגלים האולטראסוניים מתפשטים באוויר, וחוזרים מיד כאשר נתקלים במכשולים בדרך, והמקלט האולטראסוני מפסיק לתזמן מיד לאחר קבלת הגלים המוחזרים. מהירות ההתפשטות של גלים קוליים באוויר היא 340m/s. לפי הזמן t שנרשם על ידי הטיימר, ניתן לחשב את המרחק (ים) בין נקודת הפליטה למכשול, כלומר: s=340t/2. זוהי מה שנקרא שיטת טווח הפרשי זמן.
העיקרון של מדידת מרחק קולי הוא להשתמש במהירות ההתפשטות הידועה של גלים קוליים באוויר כדי למדוד את הזמן שלוקח לגלי הקול להיתקל במכשולים ולהחזיר אותם לאחר פליטתם, ולחשב את המרחק בפועל מנקודת הפליטה. למכשול בהתבסס על הפרש הזמן בין פליטה לקליטה. ניתן לראות שהעיקרון של טווח קולי זהה לזה של מכ"ם.
הנוסחה לטווחים מבוטאת כך: L=C×T
בנוסחה, L הוא אורך המרחק הנמדד; C היא מהירות ההתפשטות של גלים קוליים באוויר; T הוא הפרש הזמן של התפשטות המרחק הנמדד (T הוא מחצית מערך הזמן מהשידור לקבלה).
מטווח אולטרסאונד משמש בעיקר למדידת מרחק של תזכורות נסיעה לאחור, אתרי בנייה, אתרי תעשייה וכו'. למרות שטווח הטווח הנוכחי יכול להגיע ל-100 מטר, דיוק המדידה יכול להגיע רק לסדר סנטימטרים.
בשל היתרונות של פליטת כיוונית קלה של גלים קוליים, כיווניות טובה, שליטה קלה בעוצמה, וללא מגע ישיר עם האובייקט הנמדד, זהו אמצעי אידיאלי למדידת גובה נוזל. במדידה מדויקת של רמת נוזל, יש צורך להגיע לדיוק מדידה ברמת מילימטר, אך כיום, ASICs ביתי עם טווח אולטרסאונד יש רק דיוק מדידה ברמת סנטימטר. על ידי ניתוח הגורמים לשגיאות טווח קולי, שיפור הפרש זמני המדידה לרמת המיקרו-שנייה ושימוש בחיישן הטמפרטורה LM92 כדי לפצות על מהירות התפשטות גלי הקול, מד הטווח האולטראסוני בעל הדיוק הגבוה שתכננו יכול להשיג דיוק מדידה ברמת מילימטר.
