Ultralydstransducer til afstandsmåling

Hyppigheden af ultrasonisk transducersensor , som folk kan høre, er 20Hz~2KHz, det vil sige hørbare lydbølger. Lyden ud over dette frekvensområde, ultralyden under 20Hz kaldes lavfrekvent lydbølge, og ultralyden over 20KHz kaldes u ltralyd ( u ltralyd), frekvensen for generel tale. .Området er 10Hz-8KHz. u ltralyd har god retningsevne, stærk gennemtrængningsevne, let at opnå koncentreret lydenergi, og den har lang afstand i vand. Ultralyd er navngivet, fordi dens nedre frekvensgrænse er omtrent lig med den øvre grænse for menneskelig hørelse.

 

Ultralyds frekvensfordeling

Ultralydsbølger kan forplante sig i gasser, væsker og faste stoffer med forskellige hastigheder. Bølgeformen af ​​ultralydsbølger, der udbreder sig i et medium, afhænger af, hvilken slags kraft mediet kan modstå, og hvordan man exciterer ultralydsbølger på mediet.

 

Normalt er der tre typer:

(1) Langsgående bølgetype

Når partikelvibrationsretningen i mediet er i overensstemmelse med udbredelsesretningen af ​​ultralydsbølgen, er ultralydsbølgen i den langsgående bølgetilstand. Ethvert fast medium kan producere langsgående bølger, når dets volumen ændres skiftevis. Anvendelsen i industrien vedtager hovedsageligt langsgående oscillation.

(2) Forskydningsbølgetype

Når vibrationsretningen af ​​partiklen i mediet er vinkelret på udbredelsesretningen af ​​ultralydsbølgen, er ultralydsbølgen en tværgående bølge. Da det faste medium kan bære forskydningsdeformation ud over volumendeformation, kan der genereres forskydningsbølger, når forskydningskraften skiftevis virker på det faste medium. Forskydningsbølger kan kun forplante sig i de faste medier.

 

(3) Overfladebølgetilstand

Det er en bølge med dobbelte egenskaber af langsgående bølge og tværgående bølge, der forplanter sig langs den faste overflade. Overfladebølgen kan betragtes som en syntese af langsgående bølger parallelt med overfladen og tværgående bølger vinkelret på overfladen. Den vibrerende partikels bane er en ellipse. Amplituden er den stærkeste i dybden af ​​1/4 bølgelængde fra overfladen, og den dæmpes hurtigt, når dybden øges . Faktisk er amplituden af ​​partikelvibration allerede meget svag, når den er mere end én bølgelængde væk fra overfladen. Derudover har ultralydsbølger også refraktions- og reflektionsfænomener, og de dæmpes under udbredelsen. Ultralyd forplanter sig i luften, og dens frekvens er lav, generelt titusindvis af KHz, mens den  er  fast og flydende, kan frekvensen være højere. Det dæmpes hurtigere i luften, men forplanter sig i væsker og faste stoffer med mindre dæmpning og længere udbredelse.

Udnyttelse af egenskaberne ved ultralydsområdesensor , den kan laves om til forskellige ultralydssensorer, koblet med forskellige kredsløb og omdannes til forskellige ultralydsmåleinstrumenter og -enheder, som kan bruges til afstandsmåling, hastighedsmåling, rengøring, svejsning, grus, sterilisering osv., og i kommunikation, medicin , husholdningsapparater, militær, industri, landbrug og andre aspekter er meget brugt. Der er mange metoder, der kan generere ultralydsbølger, almindeligvis anvendte er piezoelektrisk effektmetode, magnetostriktiv effektmetode, elektrostatisk effektmetode og elektromagnetisk effektmetode. Når en kort spændingsimpuls påføres de to poler af den piezoelektriske wafer, på grund af den omvendte piezoelektriske effekt, vil den piezokeramiske wafer undergå elastisk deformation og producere elastisk oscillation. Oscillationsfrekvensen er relateret til tykkelsen af ​​waferen og lydens hastighed. korrekt valg af tykkelsen af ​​waferen kan opnå elastiske bølger i ultralydsfrekvensområdet, det vil sige ultralydsbølger. Det, der udsendes på denne måde, er en ultralydsbølgepakke, normalt kaldet en pulsbølge.

 

Ultrasonisk  afstandstransducer

Ultralydsafstandsmålingssensor bruges hovedsageligt i bilreverseringsradar, robot automatisk forhindringsvandring, byggeplads og nogle industrielle steder såsom  væskeniveau, brønddybde, rørledningslængde og andre lejligheder. Der er i øjeblikket to almindeligt anvendte ultralydsafstandstransducere den  ene er en ultralydsafstandstransducer ,  baseret på en enkelt-chip eller indlejret enhed, og den anden er et ultralydsafstandssystem baseret på en CPLD (Complex Programmable Logic Device). Adskillige skemaer blev brugt i eksperimentet ved  at bruge indlejret enhedsprogrammering til at generere en firkantbølge med en frekvens på 40KHz  transducer  , som blev forstærket af det transmitterende drivkredsløb for at få den transmitterende ende af ultralydssensoren til at oscillere og udsende ultralydsbølger. Ultralydsbølgen reflekteres tilbage af senderen, modtages af sensorens modtagende ende og forstærkes og formes derefter af modtagerkredsløbet. Ultralydsafstandstransduceren  .  med indlejret mikrokerne registrerer tidspunktet for ultralydsemission og tidspunktet for reflekteret bølge gennem indlejret udstyr Når den reflekterede bølge af ultralydsbølgen modtages, sker der et spring ved udgangsenden af ​​det modtagende kredsløb. Ved at tælle timeren og beregne tidsforskellen kan den tilsvarende distance beregnes.

 

Princippet for u ltrasonic r anging  transducer

Princippet for til ultralydsafstandsmåling  en transducer er at bruge den kendte udbredelseshastighed af ultralydsbølger i luften til at måle den tid, det tager for lydbølgerne at støde på forhindringer og reflektere tilbage, efter at de er udsendt, og for at beregne den faktiske afstand fra emissionspunktet til forhindringen baseret på tidsforskellen mellem emission og modtagelse. Først og fremmest udsender ultralydstransduceren ultralydsbølger i en bestemt retning og starter timing på samme tid som emissionstiden. Ultralydsbølgerne forplanter sig i luften, og den vender tilbage med det samme, når den støder på forhindringer på vejen, og ultralydsmodtageren stopper med timingen umiddelbart efter at have modtaget de reflekterede bølger. Udbredelseshastigheden af ​​ultralydsbølger i luften er C=340m/s. I henhold til tiden T sekunder registreret af timeren, kan afstanden L mellem emissionspunktet og forhindringen beregnes, nemlig: L= C×T /2. Dette er den såkaldte tidsdifferencemetode. Da ultralyd også  er en slags lydbølge, er dens lydhastighed C relateret til temperaturen. Tabel 1 viser lydhastigheden ved flere forskellige temperaturer. I brug, hvis temperaturen ikke ændrer sig meget, kan det anses for, at lydens hastighed som udgangspunkt er konstant. Hvis afstandsmålenøjagtigheden er meget høj, bør den korrigeres ved temperaturkompensation.

 

Forholdet mellem ultralydsbølgehastighed og temperatur

På grund af fordelene ved let retningsbestemt emission af ultralydsbølger, god retningsbestemthed, nem kontrol af intensiteten og intet behov for direkte kontakt med det målte objekt, er det et ideelt valg til måling af vendeafstanden. Ultralyd forplanter sig i en lige linje. Jo højere frekvensen er, jo svagere er diffraktionsevnen, men jo stærkere er reflektionsevnen. Derfor, ultralydssensorer mug kan fremstilles ved at bruge denne egenskab af ultralydsbølger. Derudover bevæger ultralydsbølger sig langsomt i luften, hvilket gør brugen af ​​ultralydssensorer enkel. Ultralydssensorer er sensorer udviklet ved hjælp af egenskaberne for ultralydsbølger. Ultralyd er en mekanisk bølge med en højere vibrationsfrekvens end lydbølger, som genereres af vibrationen fra transducerchippen under excitation af spænding. Den har høj frekvens, kort bølgelængde, lille diffraktionsfænomen, især god retningsbestemthed, og kan orienteres som strålespredningskarakteristika. Ultralyd har en stor gennemtrængningsevne til væsker og faste stoffer, især i faste stoffer, der er uigennemsigtige for sollys, kan den trænge ned til en dybde på snesevis af meter. Ultralydsbølger vil producere betydelige refleksioner, når de støder på urenheder eller grænseflader for at danne ekkoer, og når de støder på objekter i bevægelse, vil de producere Doppler-effekter. Derfor er ultralydsdetektion meget udbredt i industri, nationalt forsvar, biomedicin osv. u ltralyd bruges som detektionsmetode, og ultralydsbølger skal genereres og modtages. Enheden, der udfører denne funktion, er en ultralydssensor, som sædvanligvis kaldes en ultralydstransducer eller en ultralydssonde.

 

Ultralydssensoren er hovedsageligt sammensat af en bimorf vibrator, en konisk resonansplade og elektroder. Når der påføres en vis spænding mellem de to elektroder, vil piezoelektrisk keramisk wafer vil blive komprimeret for at producere mekanisk deformation, og den piezoelektriske wafer vil vende tilbage til sin oprindelige form, efter at spændingen er fjernet. Hvis der påføres en spænding mellem de to poler ved en bestemt frekvens, vil den piezoelektriske keramik  også vibrere ved en bestemt frekvens. Det er testet, at egenfrekvensen for denne type piezoelektrisk transducer  er 38,4 KHz, og et firkantbølgepulssignal med en frekvens på 40 KHz  transducer  tilføres de to poler. På dette tidspunkt resonerer den piezoelektriske chip og udsender ultralydsbølger. På samme måde vil en ultralydssensor uden eksternt pulssignal også give resonans, når resonanspladen modtager ultralydsbølger, og der vil blive genereret et elektrisk signal mellem de to poler. Ultralydssonden er hovedsageligt sammensat af piezoelektriske wafere, som både kan transmittere og modtage ultralydsbølger. med lav effekt Ultralydstransducere bruges mest til detektion. Den har mange forskellige strukturer, som kan opdeles i lige probe (langsgående bølge), skrå probe (forskydningsbølge), overfladebølgesonde (overfladebølge), lammebølgesonde (lambølge), dobbeltsonde (én probereflektion, én probemodtagelse) vente.