Ультрагукавы датчык для вымярэння адлегласці

Частата ў Ультрагукавы датчык пераўтваральніка , які людзі чуюць, мае частату 20 Гц ~ 2 кГц, гэта значыць чутныя гукавыя хвалі. Гук за межамі гэтага частотнага дыяпазону, ультрагук ніжэй за 20 Гц, называецца нізкачашчыннай гукавой хваляй, а ультрагук вышэй за 20 кГц называецца ультрагукам ( u ltrasound), агульная частата .дыяпазону складае 10 Гц-8 кГц. u ультрагук мае добрую накіраванасць, моцную пранікальную здольнасць, лёгка атрымаць канцэнтраваную гукавую энергію, і ён мае вялікую адлегласць у вадзе. Ультрагук названы таму, што яго ніжняя мяжа частаты прыкладна роўная верхняй мяжы слыху чалавека.

 

Ультрагукавое размеркаванне частоты

Ультрагукавыя хвалі могуць распаўсюджвацца ў газах, вадкасцях і цвёрдых целах з рознай хуткасцю. Форма хвалі ультрагукавых хваль, якія распаўсюджваюцца ў асяроддзі, залежыць ад таго, якую сілу можа вытрымаць асяроддзе і як узбуджаць ультрагукавыя хвалі ў асяроддзі.

 

Звычайна бывае трох відаў:

(1) Тып падоўжнай хвалі

Калі кірунак ваганняў часціц у асяроддзі супадае з кірункам распаўсюджвання ультрагукавой хвалі, ультрагукавая хваля знаходзіцца ў рэжыме падоўжнай хвалі. Любое цвёрдае асяроддзе можа ствараць падоўжныя хвалі, калі яго аб'ём па чарзе змяняецца. Прымяненне ў прамысловасці ў асноўным прымае падоўжнае ваганне.

(2) Тып хвалі зруху

Калі кірунак вібрацыі часціцы ў асяроддзі перпендыкулярны кірунку распаўсюджвання ультрагукавой хвалі, ультрагукавая хваля з'яўляецца папярочнай. Паколькі цвёрдае асяроддзе можа несці дэфармацыю зруху ў дадатак да аб'ёмнай дэфармацыі, хвалі зруху могуць узнікаць, калі сіла зруху па чарзе дзейнічае на цвёрдае асяроддзе. Зрухавыя хвалі могуць распаўсюджвацца толькі ў цвёрдых асяроддзях.

 

(3) Рэжым паверхневай хвалі

Гэта хваля з падвойнымі ўласцівасцямі падоўжнай хвалі і папярочнай хвалі, якая распаўсюджваецца ўздоўж паверхні цвёрдага цела. Павярхоўную хвалю можна разглядаць як сінтэз падоўжных хваль, паралельных паверхні, і папярочных хваль, перпендыкулярных паверхні. Траекторыя вагальнай часціцы ўяўляе сабой эліпс. Амплітуда найбольш моцная на глыбіні 1/4 даўжыні хвалі ад паверхні і хутка змяншаецца па меры павелічэння глыбіні . Фактычна, амплітуда вібрацыі часціцы ўжо вельмі слабая, калі яна аддалена ад паверхні больш чым на адну даўжыню хвалі. Акрамя таго, ультрагукавыя хвалі таксама маюць з'явы праламлення і адлюстравання, і яны слабеюць падчас распаўсюджвання. Ультрагук распаўсюджваецца ў паветры, і яго частата нізкая, звычайна складае дзесяткі кГц, у той час як у  цвёрдым  і вадкім стане частата можа быць вышэй. Ён хутчэй згасае ў паветры, але распаўсюджваецца ў вадкасцях і цвёрдых рэчывах з меншым згасаннем і далейшым распаўсюджваннем.

Выкарыстоўваючы характарыстыкі Ультрагукавы датчык дыяпазону можа быць зроблены ў розных ультрагукавых датчыках, звязаных з рознымі схемамі, а таксама ў розных ультрагукавых вымяральных прыборах і прыладах, якія можна выкарыстоўваць для вымярэння адлегласці, вымярэння хуткасці, ачысткі, зваркі, жвіру, стэрылізацыі і г.д., а таксама . шырока выкарыстоўваюцца ў галіне сувязі, медыцыны, бытавой тэхнікі, ваеннай, прамысловасці, сельскай гаспадаркі і іншых аспектаў Ёсць шмат метадаў, якія могуць генераваць ультрагукавыя хвалі, звычайна выкарыстоўваюцца метад п'езаэлектрычнага эфекту, метад магнітастрыкцыйнага эфекту, метад электрастатычнага эфекту і метад электрамагнітнага эфекту. Калі кароткі імпульс напружання прыкладваецца да двух полюсаў п'езаэлектрычнай пласціны, з-за адваротнага п'езаэлектрычнага эфекту п'езакерамічная пласціна падвяргаецца пругкай дэфармацыі і стварае пругкія ваганні. Частата ваганняў звязана з таўшчынёй пласціны і хуткасцю гуку. Пры правільным падборы таўшчыні пласціны можна атрымаць пругкія хвалі ультрагукавога дыяпазону частот, гэта значыць ультрагукавыя хвалі. Тое, што выпраменьваецца такім чынам, - гэта пакет ультрагукавых хваль, які звычайна называюць пульсавай хваляй.

 

Ультрагукавы дальнасці пераўтваральнік

Ультрагукавы датчык для вымярэння адлегласці ў асноўным выкарыстоўваецца ў радарах для аўтамабіляў задняга ходу, робатах, якія аўтаматычна пазбягаюць перашкод, на будаўнічых пляцоўках і некаторых прамысловых аб'ектах, такіх як  узровень вадкасці, глыбіня свідравіны, даўжыня трубаправода і ў іншых выпадках. У цяперашні час шырока выкарыстоўваюцца два ультрагукавыя датчыкі дальнасці:  адзін - гэта ультрагукавы датчык,  заснаваны на адначыпавай або ўбудаванай прыладзе, а другі - ультрагукавая сістэма дальнасці, заснаваная на CPLD (складанай праграмуемай лагічнай прыладзе). У эксперыменце было выкарыстана некалькі схем з  выкарыстаннем праграмавання ўбудаванай прылады для стварэння квадратнай хвалі з частатой  пераўтваральніка 40 кГц  , якая ўзмацнялася ланцугом перадаючага прывада, каб прымусіць перадаючы канец ультрагукавога датчыка вагацца і выпраменьваць ультрагукавыя хвалі. Ультрагукавая хваля адлюстроўваецца назад перадатчыкам, прымаецца прыёмным канцом датчыка, а затым узмацняецца і фармуецца прыёмнай ланцугом. Ультрагукавы  пераўтваральнік дыяпазону  з убудаваным мікраядром запісвае час ультрагукавога выпраменьвання і час адлюстраванай хвалі праз убудаванае абсталяванне. Пры прыёме адлюстраванай ультрагукавой хвалі скачок . на выхадным канцы прыёмнага контуру адбываецца Падлічыўшы таймер і вылічыўшы розніцу ў часе, можна вылічыць адпаведную адлегласць.

 

Прынцып ультрагукавога ​ ​пераўтваральніка ​

Прынцып ультрагукавога  пераўтваральніка адлегласці заключаецца ў выкарыстанні вядомай хуткасці распаўсюджвання ультрагукавых хваль у паветры для вымярэння часу, які патрабуецца гукавым хвалям, каб сутыкнуцца з перашкодамі і адбіцца пасля іх выпраменьвання, а таксама для разліку фактычнай адлегласці ад кропкі выпраменьвання да перашкоды на аснове розніцы ў часе паміж выпраменьваннем і прыёмам. Перш за ўсё, пераўтваральнік ультрагукавога перадатчыка выпраменьвае ультрагукавыя хвалі ў пэўным кірунку і пачынае адлік часу адначасова з часам выпраменьвання. Ультрагукавыя хвалі распаўсюджваюцца ў паветры і неадкладна вяртаюцца , калі сустракаюцца перашкоды на шляху, а ультрагукавой прыёмнік спыняе адлік часу адразу пасля атрымання адлюстраваных хваль. Хуткасць распаўсюджвання ультрагукавых хваль у паветры С=340м/с. У адпаведнасці з часам T секунд, запісаным таймерам, можна вылічыць адлегласць L паміж кропкай выпраменьвання і перашкодай, а менавіта: L= C×T /2. Гэта так званы метад ранжыравання розніцы ў часе. Паколькі ультрагук таксама  з'яўляецца разнавіднасцю гукавой хвалі, яе хуткасць гуку C звязана з тэмпературай. У табліцы 1 прыведзены хуткасці гуку пры некалькіх розных тэмпературах. Пры выкарыстанні, калі тэмпература не моцна змяняецца, можна лічыць, што хуткасць гуку ў асноўным пастаянная. Калі дакладнасць вымярэння адлегласці вельмі высокая, яе трэба скарэктаваць з дапамогай тэмпературнай кампенсацыі.

 

Сувязь паміж хуткасцю ультрагукавой хвалі і тэмпературай

Дзякуючы перавагам лёгкага накіраванага выпраменьвання ультрагукавых хваль, добрай накіраванасці, лёгкага кантролю інтэнсіўнасці і адсутнасці непасрэднага кантакту з вымяраным аб'ектам, гэта ідэальны выбар для вымярэння адлегласці задняга ходу. Ультрагук распаўсюджваецца прамалінейна. Чым вышэй частата, тым слабейшая здольнасць да дыфракцыі, але тым мацней здольнасць да адлюстравання. таму, ультрагукавыя датчыкі формы могуць быць зроблены з дапамогай гэтага ўласцівасці ультрагукавых хваль. Акрамя таго, ультрагукавыя хвалі павольна распаўсюджваюцца ў паветры, што робіць выкарыстанне ультрагукавых датчыкаў простым. Ультрагукавыя датчыкі - гэта датчыкі, распрацаваныя з выкарыстаннем характарыстык ультрагукавых хваль. Ультрагук - гэта механічная хваля з частатой вібрацыі вышэй, чым у гукавых хваль, якая ствараецца ў выніку вібрацыі мікрасхемы пераўтваральніка пад дзеяннем напружання. Ён мае высокую частату, кароткую даўжыню хвалі, невялікую дыфракцыйную з'яву, асабліва добрую накіраванасць і можа быць арыентаваны як характарыстыкі распаўсюджвання прамянёў. Ультрагук мае вялікую пранікальную здольнасць вадкасцяў і цвёрдых цел, асабліва ў цвёрдых целах, непразрыстых для сонечнага святла, ён можа пранікаць на глыбіню ў дзесяткі метраў. Ультрагукавыя хвалі будуць ствараць значныя адлюстраванні, калі яны сутыкаюцца з прымешкамі або межамі падзелу, утвараючы рэха, а калі яны сутыкаюцца з рухомымі аб'ектамі, яны ствараюць эфект Доплера. Такім чынам, ультрагукавое выяўленне шырока выкарыстоўваецца ў прамысловасці, нацыянальнай абароне, біямедыцыне і г. д. Ультрагук выкарыстоўваецца ў якасці метаду выяўлення, і ультрагукавыя хвалі павінны генеравацца і прымацца. Прыладай, якое выконвае гэтую функцыю, з'яўляецца ультрагукавой датчык, які прынята называць ультрагукавым датчыкам, або ультрагукавым зондам.

 

Ультрагукавой датчык у асноўным складаецца з біморфнага вібратара, канічнай рэзананснай пласціны і электродаў. Калі паміж двума электродамі падаецца пэўнае напружанне, то п'езаэлектрычная керамічная пласціна будзе сціснута для атрымання механічнай дэфармацыі, і п'езаэлектрычная пласціна вернецца да сваёй першапачатковай формы пасля зняцця напружання. Калі паміж двума полюсамі падаць напружанне з пэўнай частатой, п'езаэлектрычная кераміка  таксама будзе вібраваць з пэўнай частатой. Праверана, што ўласная частата п'езаэлектрычнага пераўтваральніка гэтага тыпу складае 38,4 кГц, а на два полюса  квадратны імпульсны сігнал з частатой 40 кГц .  пераўтваральніка  падаецца У гэты час п'езаэлектрычны чып рэзаніруе і выпраменьвае ультрагукавыя хвалі. Такім жа чынам ультрагукавы датчык без знешняга імпульснага сігналу таксама будзе рэзанаваць, калі рэзанансная пласціна прымае ультрагукавыя хвалі, і электрычны сігнал будзе генеравацца паміж двума полюсамі. Ультрагукавы зонд у асноўным складаецца з п'езаэлектрычных пласцін, якія могуць як перадаваць, так і прымаць ультрагукавыя хвалі. маламагутныя ультрагукавыя датчыкі . Для выяўлення ў асноўным выкарыстоўваюцца Ён мае мноства розных структур, якія можна падзяліць на прамы зонд (падоўжная хваля), касы зонд (зруховая хваля), зонд павярхоўнай хвалі (павярхоўная хваля), зонд хвалі Лэмба (хваля Лэмба), двайны зонд (адзін зонд адлюстравання, адзін зонд прыём) чакаць.