محول قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية

تردد ال فوق الصوتية مستشعر محول الطاقة بالموجات الذي يمكن للناس سماعه هو 20 هرتز ~ 2 كيلو هرتز، أي موجات صوتية مسموعة. الصوت الذي يتجاوز نطاق التردد هذا، الفائق أقل من 20 هرتز موجة صوتية منخفضة التردد، يسمى الصوت الفائق فوق 20 كيلو هرتز ويسمى الصوت u ltrasound ( u ltrasound)، وتردد التحدث العام .النطاق هو 10 هرتز-8 كيلو هرتز. تتمتع الموجات فوق الصوتية بتوجيهية جيدة وقدرة اختراق قوية وسهولة الحصول على طاقة صوتية مركزة ولها مسافة طويلة في الماء. تم تسمية الموجات فوق الصوتية بهذا الاسم لأن حد ترددها الأدنى يساوي تقريبًا الحد الأعلى للسمع البشري.

 

توزيع التردد بالموجات فوق الصوتية

يمكن أن تنتشر الموجات فوق الصوتية في الغازات والسوائل والمواد الصلبة بسرعات مختلفة. يعتمد الشكل الموجي للموجات فوق الصوتية التي تنتشر في وسط ما على نوع القوة التي يمكن أن يتحملها الوسط وكيفية إثارة الموجات فوق الصوتية على الوسط.

 

عادة هناك ثلاثة أنواع:

(1) نوع الموجة الطولية

عندما يكون اتجاه اهتزاز الجسيمات في الوسط متوافقًا مع اتجاه انتشار الموجات فوق الصوتية، تكون الموجات فوق الصوتية في وضع الموجة الطولية. يمكن لأي وسط صلب أن ينتج موجات طولية عندما يتغير حجمه بالتناوب. التطبيق في الصناعة يعتمد بشكل رئيسي على التذبذب الطولي.

(2) نوع موجة القص

عندما يكون اتجاه اهتزاز الجسيم في الوسط متعامدًا مع اتجاه انتشار الموجات فوق الصوتية، تكون الموجة فوق الصوتية موجة عرضية. وبما أن الوسط الصلب يمكن أن يتحمل تشوه القص بالإضافة إلى تشوه الحجم، فيمكن إنشاء موجات القص عندما تعمل قوة القص بالتناوب على الوسط الصلب. لا يمكن أن تنتشر موجات القص إلا في الوسائط الصلبة.

 

(3) وضع الموجة السطحية

إنها موجة ذات خصائص مزدوجة للموجة الطولية والموجة المستعرضة تنتشر على طول السطح الصلب. يمكن اعتبار الموجة السطحية بمثابة تجميع لموجات طولية موازية للسطح وموجات عرضية متعامدة مع السطح. مسار الجسيم المهتز هو القطع الناقص. تكون السعة هي الأقوى عند عمق 1/4 الطول الموجي من السطح، وتضعف بسرعة مع زيادة العمق . وفي الواقع، فإن سعة اهتزاز الجسيمات تكون بالفعل ضعيفة جدًا عندما تكون بعيدة عن السطح بأكثر من طول موجي واحد. وبالإضافة إلى ذلك، فإن الموجات فوق الصوتية لها أيضًا ظواهر انكسار وانعكاس، وتضعف أثناء الانتشار. تنتشر الموجات فوق الصوتية في الهواء، ويكون ترددها منخفضًا، عمومًا عشرات كيلوهرتز، بينما في  الحالة  الصلبة والسائلة، يمكن أن يكون التردد أعلى. وهو يضعف بشكل أسرع في الهواء، ولكنه ينتشر في السوائل والمواد الصلبة بتوهين أقل وانتشار أبعد.

الاستفادة من خصائص مستشعر نطاق الموجات فوق الصوتية ، يمكن تحويله إلى أجهزة استشعار بالموجات فوق الصوتية المختلفة، إلى جانب دوائر مختلفة، وتحويله إلى أدوات وأجهزة قياس بالموجات فوق الصوتية المختلفة، والتي يمكن استخدامها لقياس المسافة، وقياس السرعة، والتنظيف، واللحام، والحصى، والتعقيم، وما إلى ذلك، وفي الاتصالات، . تُستخدم الأجهزة الطبية والمنزلية والعسكرية والصناعة والزراعة والجوانب الأخرى على نطاق واسع هناك العديد من الطرق التي يمكن أن تولد موجات فوق صوتية، شائعة الاستخدام هي طريقة التأثير الكهروضغطي، وطريقة التأثير المغناطيسي، وطريقة التأثير الكهروستاتيكي، وطريقة التأثير الكهرومغناطيسي. عندما يتم تطبيق نبضة جهد قصير على قطبي الرقاقة الكهرضغطية، بسبب التأثير الكهرضغطي العكسي، فإن رقاقة السيراميك الانضغاطي ستخضع لتشوه مرن وتنتج تذبذبًا مرنًا. ويرتبط تردد التذبذب بسمك الرقاقة وسرعة الصوت. يمكن أن يؤدي الاختيار الصحيح لسمك الرقاقة إلى الحصول على موجات مرنة في نطاق تردد الموجات فوق الصوتية، أي الموجات فوق الصوتية. ما ينبعث بهذه الطريقة هو حزمة موجات فوق صوتية، تسمى عادة موجة نبضية.

 

بالموجات فوق الصوتية محول نطاق

يستخدم قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية مستشعر بشكل أساسي في رادار عكس السيارة والمشي لتجنب العوائق التلقائي للروبوت وموقع البناء وبعض المواقع الصناعية مثل  مستوى السائل وعمق البئر وطول خط الأنابيب وغيرها من المناسبات. يوجد حاليًا محولان نطاق بالموجات فوق الصوتية شائعان الاستخدام،  أحدهما عبارة عن محول نطاق بالموجات فوق الصوتية  يعتمد على شريحة واحدة أو جهاز مدمج، والآخر هو نظام نطاق بالموجات فوق الصوتية يعتمد على CPLD (جهاز منطقي قابل للبرمجة معقد). تم استخدام العديد من المخططات في التجربة، وذلك  باستخدام برمجة الجهاز المضمن لتوليد موجة مربعة بتردد  محول 40 كيلو هرتز  والتي تم تضخيمها بواسطة دائرة محرك الإرسال لجعل نهاية الإرسال لمستشعر الموجات فوق الصوتية تتأرجح وتنبعث منها موجات فوق صوتية. تنعكس الموجات فوق الصوتية مرة أخرى بواسطة جهاز الإرسال، ويستقبلها طرف استقبال المستشعر، ثم يتم تضخيمها وتشكيلها بواسطة دائرة الاستقبال. يسجل بالموجات فوق الصوتية  محول الطاقة  ذو النواة الدقيقة المدمجة وقت انبعاث الموجات فوق الصوتية ووقت الموجة المنعكسة من خلال المعدات المدمجة. عند استقبال الموجة المنعكسة من الموجات فوق الصوتية، يحدث قفز عند نهاية خرج دائرة الاستقبال. من خلال حساب الموقت وحساب الفارق الزمني، يمكن حساب المسافة المقابلة.

 

مبدأ الصوتيةفوق بالموجات الطاقة  محول

مبدأ  محول قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية هو استخدام سرعة الانتشار المعروفة للموجات فوق الصوتية في الهواء لقياس الوقت الذي تستغرقه الموجات الصوتية لمواجهة العوائق والانعكاس بعد انبعاثها، ومن أجل حساب المسافة الفعلية من نقطة الانبعاث إلى العائق على أساس الفارق الزمني بين الإرسال والاستقبال. أولاً وقبل كل شيء، يقوم محول طاقة الإرسال بالموجات فوق الصوتية بإصدار موجات فوق صوتية في اتجاه معين، ويبدأ التوقيت في نفس وقت الانبعاث. تنتشر الموجات فوق الصوتية في الهواء، وتعود فورًا عند مواجهة عوائق في الطريق، ويتوقف جهاز استقبال الموجات فوق الصوتية عن التوقيت فورًا بعد استقبال الموجات المنعكسة. سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء هي C=340m/s. وفقا للوقت T ثانية المسجل بواسطة المؤقت، يمكن حساب المسافة L بين نقطة الانبعاث والعائق، وهي: L= C×T /2. وهذا ما يسمى بطريقة تحديد فرق التوقيت. نظرًا لأن الموجات فوق الصوتية  هي أيضًا نوع من الموجات الصوتية، فإن سرعة الصوت C ترتبط بدرجة الحرارة. يسرد الجدول 1 سرعة الصوت عند عدة درجات حرارة مختلفة. في الاستخدام، إذا لم تتغير درجة الحرارة كثيرًا، فيمكن اعتبار أن سرعة الصوت ثابتة بشكل أساسي. إذا كانت دقة قياس المسافة عالية جدًا، فيجب تصحيحها عن طريق تعويض درجة الحرارة.

 

العلاقة بين سرعة الموجات فوق الصوتية ودرجة الحرارة

نظرًا لمزايا الانبعاث الاتجاهي السهل للموجات فوق الصوتية، والاتجاه الجيد، والتحكم السهل في الشدة، وعدم الحاجة إلى الاتصال المباشر بالجسم المقاس، فهو خيار مثالي لقياس مسافة الانعكاس. تنتشر الموجات فوق الصوتية في خط مستقيم. كلما زاد التردد، ضعفت قدرة الحيود، لكن قدرة الانعكاس أقوى. لذلك، يمكن صنع قالب أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية باستخدام خاصية الموجات فوق الصوتية هذه. بالإضافة إلى ذلك، تنتقل الموجات فوق الصوتية ببطء في الهواء، مما يجعل استخدام أجهزة الاستشعار فوق الصوتية أمرًا بسيطًا. أجهزة الاستشعار 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. لذلك، يتم استخدام الكشف بالموجات فوق الصوتية على نطاق واسع في الصناعة والدفاع الوطني والطب الحيوي، وما إلى ذلك. يتم استخدام الموجات فوق الصوتية كوسيلة للكشف، ويجب إنشاء الموجات فوق الصوتية واستقبالها. الجهاز الذي ينجز هذه الوظيفة هو جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية، والذي يسمى عادة محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية، أو مسبار الموجات فوق الصوتية.

 

يتكون المستشعر بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي من هزاز ثنائي الشكل ولوحة رنين مخروطية وأقطاب كهربائية. عندما يتم تطبيق جهد معين بين القطبين، فإن سيتم ضغط الكهرضغطية السيراميك رقاقة لإنتاج تشوه ميكانيكي، وستعود الرقاقة الكهرضغطية إلى شكلها الأصلي بعد إزالة الجهد. إذا تم تطبيق جهد بين القطبين بتردد معين، فإن السيراميك الكهرضغطي  سوف يهتز أيضًا بتردد معين. تم اختبار أن التردد الطبيعي لهذا النوع من محولات الطاقة الكهرضغطية هو 38.4 كيلو هرتز، ويتم تطبيق  نبضية ذات موجة مربعة بتردد 40 كيلو هرتز  إشارة  على القطبين. في هذا الوقت، يتردد صدى الشريحة الكهرضغطية وتنبعث منها موجات فوق صوتية. وبنفس الطريقة، فإن مستشعر الموجات فوق الصوتية بدون إشارة نبض خارجية سوف يتردد رنينه أيضًا عندما تتلقى لوحة الرنين موجات فوق صوتية، وسيتم إنشاء إشارة كهربائية بين القطبين. يتكون مسبار الموجات فوق الصوتية بشكل أساسي من رقائق كهرضغطية يمكنها إرسال واستقبال الموجات فوق الصوتية. تستخدم فوق الصوتية منخفضة الطاقة محولات الطاقة بالموجات 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.