المبدأ الفني وتطبيق محول المدى بالموجات فوق الصوتية

         المبدأ الفني وتطبيق محول المدى بالموجات فوق الصوتية

محولات الطاقة بالموجات فوق الصوتية هي أجهزة استشعار تم تطويرها باستخدام خصائص الموجات فوق الصوتية. الموجات فوق الصوتية هي موجة ميكانيكية ذات تردد اهتزاز أعلى من تردد الموجات الصوتية، والتي يتم إنشاؤها بواسطة اهتزاز شريحة محول الطاقة تحت إثارة الجهد. لديها تردد عالي، طول موجي قصير، ظاهرة حيود صغيرة، اتجاه جيد بشكل خاص، ويمكن توجيهها كخصائص نشر الأشعة. تتمتع الموجات فوق الصوتية بقدرة كبيرة على اختراق السوائل والمواد الصلبة، وخاصة المواد الصلبة غير الشفافة لأشعة الشمس، ويمكن أن تصل إلى عمق عشرات الأمتار. ستنتج الموجات فوق الصوتية انعكاسات كبيرة عندما تواجه شوائب أو واجهات لتكوين أصداء، وعندما تواجه أجسامًا متحركة، ستنتج تأثيرات دوبلر. ولذلك، يتم استخدام الكشف بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في الصناعة، والدفاع الوطني، والطب الحيوي، وما إلى ذلك. يتم استخدام محول الموجات فوق الصوتية للمسافة كوسيلة للكشف، ويجب توليد واستقبال الموجات فوق الصوتية. الجهاز الذي يكمل هذه الوظيفة هو جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية، والذي يسمى عادة جهاز طبي، أو مسبار الموجات فوق الصوتية.

ال يتكون مسبار محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي من السيراميك الكهرضغطي، والذي يمكنه إرسال واستقبال الموجات فوق الصوتية. تستخدم مجسات الموجات فوق الصوتية منخفضة الطاقة في الغالب للكشف. لديها العديد من الهياكل المختلفة، والتي يمكن تقسيمها إلى مسبار مستقيم (موجة طولية)، مسبار مائل (موجة قص)، مسبار موجة سطحية (موجة سطحية)، مسبار موجة لامب (موجة لامب)، مسبار مزدوج (انعكاس مسبار واحد، استقبال مسبار واحد) انتظر.

جوهر ان محول مستوى الموجات فوق الصوتية عبارة عن سيراميك كهرضغطية في غلافه البلاستيكي أو المعدني. هناك أنواع عديدة من المواد التي تشكل الرقاقة. ويختلف أيضًا حجم الشريحة، مثل القطر والسمك، لذلك يختلف أداء كل مسبار، ويجب أن نعرف أداءه مسبقًا قبل استخدامه. تشمل مؤشرات الأداء الرئيسية لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية ما يلي:

(1) تردد العمل. تردد التشغيل لمحول الطاقة عن بعد بالموجات فوق الصوتية هو تردد الرنين لبلورة السيراميك الكهرضغطية. عندما يكون تردد جهد التيار المتردد المطبق على طرفيه مساوياً لتردد الرنين للرقاقة، فإن طاقة الخرج تكون الأكبر والحساسية هي الأعلى.

(2) درجة حرارة العمل. نظرًا لأن نقطة كوري للمواد الكهرضغطية تكون مرتفعة نسبيًا بشكل عام، خاصة عندما تكون قوة مسبار الموجات فوق الصوتية الكهروإجهادية للتشخيص صغير نسبيًا، ودرجة حرارة العمل منخفضة نسبيًا، ويمكن أن يعمل لفترة طويلة دون فشل. درجة حرارة مسبار الموجات فوق الصوتية المستخدم في العلاج الطبي مرتفعة نسبيًا، ويتطلب جهاز تبريد منفصل.

(3) الحساسية. يعتمد الكثير على صنع الرقاقة نفسها. كلما زاد معامل الاقتران الكهروميكانيكي، زادت الحساسية؛ وبخلاف ذلك، انخفضت الحساسية.

الهيكل ومبدأ العمل

عندما يتم تطبيق الجهد على محول الطاقة الخزفي الكهرضغطي ، سوف يحدث تشوه ميكانيكي مع تغيرات في الجهد والتردد. من ناحية أخرى، عندما يهتز السيراميك الكهرضغطي، تتولد شحنة كهربائية. باستخدام هذا المبدأ، عندما يتم تطبيق إشارة كهربائية على هزاز يتكون من اثنين من السيراميك الكهرضغطي أو السيراميك الكهرضغطي وصفيحة معدنية، ما يسمى بعنصر البيمورف، سوف تنبعث موجات فوق صوتية بسبب اهتزاز الانحناء. بدلا من ذلك، عندما يتم تطبيق الاهتزازات فوق الصوتية على عنصر ثنائي الشكل، يتم إنشاء إشارة كهربائية. بناءً على التأثيرات المذكورة أعلاه، يمكن استخدام السيراميك الكهرضغطي كأجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية.

مثل محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية، يتم تثبيت الهزاز المركب بمرونة على القاعدة. الهزاز المركب عبارة عن مزيج من الرنان وهزاز عنصر ثنائي الشكل يتكون من لوحة معدنية ولوحة خزفية كهرضغطية. الرنان على شكل بوق، والغرض منه هو إشعاع الموجات فوق الصوتية الناتجة عن الاهتزاز بشكل فعال، وتركيز الموجات فوق الصوتية بشكل فعال على الجزء الأكثر أهمية من الهزاز.

يجب أن يتمتع محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية للاستخدام الخارجي بختم جيد لمنع تسرب الندى والمطر والغبار. يتم تثبيت السيراميك الكهرضغطي في الجزء العلوي من الصندوق المعدني من الداخل. يتم تثبيت القاعدة على الطرف المفتوح للصندوق ومغطاة بالراتنج. بالنسبة لأجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية المستخدمة في الروبوتات الصناعية، يجب أن يصل سمكها إلى 1 مم، ولها إشعاع فوق صوتي قوي.

من المستحيل تحقيق ذلك عند ترددات أعلى من 70 كيلو هرتز باستخدام اهتزاز الانحناء لهزاز عنصر ثنائي الشكل التقليدي. لذلك، في الكشف عالي التردد، يجب استخدام السيراميك الكهرضغطي مع وضع الاهتزاز ذو السماكة العمودية. في هذه الحالة، تصبح مطابقة المعاوقة الصوتية للسيراميك الكهرضغطي والهواء أمرًا مهمًا للغاية. تبلغ المعاوقة الصوتية للسيراميك الكهرضغطي 2.6×107kg/m2s، بينما تبلغ المعاوقة الصوتية للهواء 4.3×102kg/m2s. تؤدي الاختلافات في القوى بمقدار 5 إلى خسائر كبيرة عند السطح المشع الاهتزازي الخزفي. تعمل مادة خاصة ملتصقة بالسيراميك الكهرضغطي كطبقة مطابقة صوتية، تتوافق مع المعاوقة الصوتية للهواء. يمكن لهذا الهيكل أن يمكّن جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية من العمل بشكل طبيعي حتى عندما يصل التردد إلى مئات كيلو هرتز.