Technický princip a použití ultrazvukového snímače vzdálenosti

         Technický princip a použití ultrazvukového snímače vzdálenosti

Ultrazvukové převodníky jsou senzory vyvinuté s využitím charakteristik ultrazvukových vln. Ultrazvuk je mechanické vlnění s frekvencí vibrací vyšší než mají zvukové vlny, které vzniká vibrací čipu snímače při buzení napětí. Má vysokou frekvenci, krátkou vlnovou délku, malý difrakční jev, zvláště dobrou směrovost a může být orientován jako charakteristiky šíření paprsků. Ultrazvuk má velkou penetrační schopnost k kapalinám a pevným látkám, zvláště u pevných látek, které jsou neprůhledné pro sluneční záření, dokáže proniknout až do hloubky desítek metrů. Ultrazvukové vlny budou produkovat významné odrazy, když se setkají s nečistotami nebo rozhraními za účelem vytvoření ozvěny, a když se setkají s pohybujícími se objekty, budou produkovat Dopplerovy efekty. Proto je ultrazvuková detekce široce používána v průmyslu, národní obraně, biomedicíně atd. Ultrazvukový snímač vzdálenosti se používá jako metoda detekce a ultrazvukové vlny musí být generovány a přijímány. Zařízení, které tuto funkci doplňuje, je ultrazvukový senzor, který se obvykle nazývá lékařský přístroj nebo ultrazvuková sonda.

The Sonda ultrazvukového snímače se skládá hlavně z piezoelektrické keramiky, která může vysílat i přijímat ultrazvukové vlny. K detekci se většinou používají nízkovýkonové ultrazvukové sondy. Má mnoho různých struktur, které lze rozdělit na přímou sondu (podélná vlna), šikmou sondu (smyková vlna), povrchovou vlnovou sondu (povrchová vlna), Lamb vlnovou sondu (Lamb vlna), dvojitou sondu (jeden odraz sondy, jeden příjem sondy) čekat.

Jádro an ultrazvukový snímač hladiny je piezoelektrická keramika v plastovém nebo kovovém plášti. Existuje mnoho druhů materiálů, které tvoří oplatku. Rozdílná je i velikost čipu, jako je průměr a tloušťka, takže výkon každé sondy je jiný a před použitím musíme znát její výkon předem. Mezi hlavní výkonnostní ukazatele ultrazvukových senzorů patří:

(1) Pracovní frekvence. Pracovní frekvence ultrazvukového snímače vzdálenosti je rezonanční frekvence piezoelektrického keramického krystalu. Když se frekvence střídavého napětí přivedeného na jeho dva konce rovná rezonanční frekvenci čipu, výstupní energie je největší a citlivost je nejvyšší.

(2) Pracovní teplota. Vzhledem k tomu, že Curieův bod piezoelektrického materiálu je obecně relativně vysoký, zvláště když je výkon piezoelektrického materiálu piezoelektrická ultrazvuková sonda pro diagnostiku je relativně malá, pracovní teplota je relativně nízká a může pracovat po dlouhou dobu bez selhání. Teplota ultrazvukové sondy používané při lékařském ošetření je poměrně vysoká a je zapotřebí samostatné chladicí zařízení.

(3) Citlivost. Hodně záleží na samotné výrobě oplatky. Čím větší je koeficient elektromechanické vazby, tím vyšší je citlivost; jinak je citlivost nižší.

Struktura a princip činnosti

Při přivedení napětí na piezoelektrický keramický měnič , dojde při změnách napětí a frekvence k mechanické deformaci. Na druhé straně, když piezoelektrická keramika vibruje, vzniká elektrický náboj. Využitím tohoto principu, kdy je elektrický signál přiveden na vibrátor složený ze dvou piezoelektrických keramik nebo piezoelektrické keramiky a plechu, tzv. bimorfního prvku, budou emitovány ultrazvukové vlny v důsledku ohybové vibrace. Místo toho, když jsou na bimorfní prvek aplikovány ultrazvukové vibrace, je generován elektrický signál. Na základě výše uvedených efektů lze piezoelektrickou keramiku použít jako ultrazvukové senzory.

Kompozitní vibrátor je stejně jako ultrazvukový měnič pružně upevněn na základně. Kompozitní vibrátor je kombinací rezonátoru a vibrátoru s bimorfním prvkem, který se skládá z kovové desky a piezoelektrické keramické desky. Rezonátor je ve tvaru trubky, účelem je efektivně vyzařovat ultrazvukové vlny generované vibrací a efektivně soustředit ultrazvukové vlny na nejdůležitější část vibrátoru.

Ultrazvukový snímač pro venkovní použití musí mít dobré těsnění, aby se zabránilo vnikání rosy, deště a prachu. Piezoelektrická keramika je upevněna na vnitřní straně horní části kovové krabičky. Základna je připevněna k otevřenému konci krabice a pokryta pryskyřicí. U ultrazvukových senzorů používaných v průmyslových robotech je požadována tloušťka 1 mm a má silné ultrazvukové záření.

Toho nelze dosáhnout při frekvencích vyšších než 70 kHz pomocí ohybové vibrace konvenčního bimorfního vibrátoru. Proto se při vysokofrekvenční detekci musí používat piezoelektrická keramika s režimem vibrací s vertikální tloušťkou. V tomto případě je velmi důležité sladění akustické impedance piezoelektrické keramiky a vzduchu. Akustická impedance piezoelektrické keramiky je 2,6×107kg/m2s, zatímco akustická impedance vzduchu je 4,3×102kg/m2s. Rozdíly mocnin 5 vedou k podstatným ztrátám na piezokeramické vibrující vyzařovací ploše. Speciální materiál nalepený na piezoelektrické keramice působí jako akustická přizpůsobovací vrstva, která odpovídá akustické impedanci vzduchu. Tato struktura umožňuje ultrazvukovému senzoru pracovat normálně, i když je frekvence vysoká až stovky kHz.