Mit der Schaltung können auch Abstände zwischen zwei Flächen oder Wänden gemessen werden.
Grundlegendes Arbeiten
Ultraschall gehört zu den Geräuschen, die aufgrund ihrer Frequenz von mehr als 25 kHz für das menschliche Ohr nicht hörbar sind. Allerdings handelt es sich tatsächlich um Schallwellen, deren Kompressionsschwankungen sich von einem Medium zum anderen mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten wie hörbarer Schall.
Dabei ist zu beachten, dass diese Geschwindigkeit bei etwa 20 Grad Celsius 330 m/s beträgt. Der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Druckmaxima wird Wellenlänge genannt und hängt in erster Linie von der Frequenz des Ultraschalls ab.
In der vorliegenden Anwendung beträgt die Frequenz 40 kHz, was einer Periode von 25 Mikrosekunden entspricht. Daraus ergibt sich die Wellenlänge (λ) durch die Formel λ = V × T, die bei 20 °C etwa 8,25 mm beträgt.
Ähnlich wie Schall wird Ultraschall von Hindernissen reflektiert. Durch genaue Messung der Zeit, die ein Ultraschallsignal benötigt, um zwischen einem Punkt und einem Hindernis hin und her (in Form eines Echos) zu wandern, lässt sich leicht der Abstand (d) zwischen der Quelle und dem Hindernis bestimmen.
Wenn dt in diesem Fall die gemessene Zeit darstellt, kann die Beziehung als 2d = V × dt geschrieben werden, woraus der Wert von d abgeleitet werden kann. Diese Eigenschaft des Ultraschalls wird in der in diesem Artikel beschriebenen elektronischen Maßbandschaltung ausgenutzt.
Schaltpläne
Funktionsprinzip
Ein Gerät besteht aus einem Ultraschallsender und -empfänger in Form einer Kapsel, die nebeneinander und nach unten gerichtet angeordnet sind.
Sie befinden sich in einer Ebene, die 2 Meter vom Boden entfernt ist. Ultraschallwellen werden vom Schädel des Individuums reflektiert, dessen Größe wir messen möchten.
Diese Signale werden periodisch ausgesendet.
Ein Zeitmessgerät misst die Zeit und damit den Abstand zwischen der Positionsebene der Ultraschallwandler und dem Schädel der Person.
Diese durch proportionale Zeitzählung ermittelte Distanz wird von 2 Metern abgezogen.
Wenn dieser Abstand beispielsweise 17 cm beträgt, hat die Person eine Körpergröße von 1,83 m.
Die Höhenanzeige ist über drei 7-Segment-Anzeigen, die in einem zweiten Gehäuse vor den Augen platziert sind, direkt ablesbar.
Stromversorgung
Die Energiegewinnung erfolgt über einen über Schalter I aktivierten Transformator aus dem 220-V-Netz.
Auf der Sekundärseite entsteht eine Wechselspannung von 12V, die durch eine Diodenbrücke gleichgerichtet wird. Der Kondensator C1 führt die anfängliche Filterung durch.
Am Ausgang eines 7809-Reglers wird ein konstantes Potential von 9 V erhalten, und der Kondensator C2 sorgt für zusätzliche Filterung.
Der Kondensator C3 koppelt die Stromversorgung an den Rest der Schaltung.
Zeitbasis
Die NOR-Gatter III und IV von IC1 bilden einen astabilen Multivibrator.
Eine solche Schaltung erzeugt an ihrem Ausgang Rechteckimpulse, deren Periode hauptsächlich durch die Werte von R2 und C4 bestimmt wird.
Im vorliegenden Fall beträgt dieser Zeitraum etwa 0,5 Sekunden.
Sie bildet die Grundlage für die Periodizität der Messungen.
Der Kondensator C5, der Widerstand R4 und die Diode D1 bilden ein Zeitmessgerät.
An der Kathode von D1 werden alle 0,5 Sekunden kurze positive Impulse beobachtet, die aus der schnellen Aufladung von C5 über R4 während der Anstiegsflanken der vom Multivibrator erzeugten Signale resultieren.
Befehl des Ultraschallsignals
Die NOR-Gatter I und II von IC1 sind als monostabiles Flip-Flop konfiguriert. Bei jedem Befehlsimpuls wird am Ausgang dieses Flip-Flops ein High-Zustand beobachtet, dessen Dauer hauptsächlich durch die Werte von R10 und C7 kalibriert wird.
In der vorliegenden Anwendung wird diese Dauer auf 150 Mikrosekunden festgelegt.
Periodische Emission von Ultraschall
Die NAND-Gatter III und IV von IC3 sind als befehlsgesteuerter astabiler Multivibrator konfiguriert. Solange der Steuereingang niedrig bleibt, bleibt auch der Ausgang niedrig.
Liegt jedoch am Steuereingang ein High-Zustand an, werden am Ausgang Rechteckimpulse beobachtet. Durch Verstellung des einstellbaren Anteils A1 wird die Periode dieser Impulse auf 25 Mikrosekunden eingestellt, was einer Frequenz von 40 kHz entspricht.
An die Ein-/Ausgänge des NAND-Gatters III wird der auf Piezo-Technologie basierende Ultraschall-Sendewandler angeschlossen.
An den Anschlüssen dieses Wandlers werden Rechteckimpulse mit einer Frequenz von 40 kHz erhalten, jedoch mit einer Amplitude (d. h. der Differenz zwischen Maximum und Minimum) von 18 V, was die Intensität der Ultraschallübertragung erhöht.
