اصل فنی و کاربرد مبدل برد اولتراسونیک

         اصل فنی و کاربرد مبدل برد اولتراسونیک

مبدل های اولتراسونیک حسگرهایی هستند که با استفاده از ویژگی های امواج اولتراسونیک توسعه یافته اند. اولتراسوند یک موج مکانیکی با فرکانس ارتعاش بالاتر از امواج صوتی است که توسط ارتعاش تراشه مبدل تحت تحریک ولتاژ ایجاد می شود. دارای فرکانس بالا، طول موج کوتاه، پدیده پراش کوچک، به ویژه جهت گیری خوب است و می تواند به عنوان ویژگی های انتشار پرتوها جهت گیری شود. اولتراسوند توانایی نفوذ زیادی به مایعات و جامدات دارد، به ویژه در جامداتی که در برابر نور خورشید کدر هستند، می تواند تا عمق ده ها متر نفوذ کند. امواج اولتراسونیک زمانی که با ناخالصی‌ها یا رابط‌هایی برای ایجاد پژواک مواجه می‌شوند، بازتاب‌های قابل‌توجهی ایجاد می‌کنند و زمانی که با اجسام متحرک مواجه می‌شوند، اثرات داپلر ایجاد می‌کنند. بنابراین، تشخیص اولتراسونیک به طور گسترده در صنعت، دفاع ملی، زیست پزشکی و غیره استفاده می شود. مبدل اولتراسوند برای فاصله به عنوان یک روش تشخیص استفاده می شود و امواج اولتراسونیک باید تولید و دریافت شود. دستگاهی که این عملکرد را تکمیل می کند یک حسگر اولتراسونیک است که معمولاً به آن دستگاه پزشکی یا پروب اولتراسونیک می گویند.

را پروب مبدل اولتراسونیک عمدتاً از سرامیک های پیزوالکتریک تشکیل شده است که می تواند امواج اولتراسونیک را هم ارسال و هم دریافت کند. پروب های اولتراسونیک کم توان بیشتر برای تشخیص استفاده می شود. دارای ساختارهای مختلفی است که می توان آنها را به پروب مستقیم (موج طولی)، پروب مایل (موج برشی)، پروب موج سطحی (موج سطحی)، پروب موج بره (موج بره)، پروب دوتایی (یک بازتاب پروب، یک دریافت پروب) تقسیم کرد.

هسته یک مبدل سطح اولتراسوند یک سرامیک پیزوالکتریک در کت پلاستیکی یا فلزی آن است. انواع مختلفی از مواد تشکیل دهنده ویفر وجود دارد. اندازه تراشه مانند قطر و ضخامت نیز متفاوت است، بنابراین عملکرد هر پروب متفاوت است و قبل از استفاده باید عملکرد آن را از قبل بدانیم. شاخص های اصلی عملکرد سنسورهای اولتراسونیک عبارتند از:

(1) فرکانس کاری. فرکانس کاری مبدل فاصله اولتراسونیک فرکانس رزونانس کریستال سرامیک پیزوالکتریک است. هنگامی که فرکانس ولتاژ AC اعمال شده به دو سر آن برابر با فرکانس تشدید تراشه باشد، انرژی خروجی بیشترین و حساسیت بالاترین است.

(2) دمای کار. از آنجایی که نقطه کوری مواد پیزوالکتریک به طور کلی نسبتاً بالا است، به ویژه هنگامی که قدرت پروب اولتراسونیک پیزوالکتریک برای تشخیص نسبتا کوچک است، دمای کار نسبتا پایین است و می تواند برای مدت طولانی بدون شکست کار کند. دمای پروب اولتراسونیک مورد استفاده در درمان پزشکی نسبتاً بالا است و یک دستگاه خنک کننده جداگانه مورد نیاز است.

(3) حساسیت خیلی به درست کردن خود ویفر بستگی دارد. هر چه ضریب جفت الکترومکانیکی بیشتر باشد، حساسیت بالاتر است. در غیر این صورت، حساسیت کمتر است.

ساختار و اصل کار

هنگامی که ولتاژ اعمال می شود مبدل سرامیک پیزوالکتریک ، تغییر شکل مکانیکی با تغییر در ولتاژ و فرکانس رخ می دهد. از طرف دیگر، هنگامی که سرامیک پیزوالکتریک ارتعاش می یابد، بار الکتریکی ایجاد می شود. با استفاده از این اصل، هنگامی که یک سیگنال الکتریکی به یک ویبراتور متشکل از دو سرامیک پیزوالکتریک یا یک سرامیک پیزوالکتریک و یک ورق فلزی، به اصطلاح عنصر بی‌مورف، اعمال می‌شود، امواج اولتراسونیک به دلیل ارتعاش خمشی منتشر می‌شود. در عوض، هنگامی که ارتعاشات اولتراسونیک به عنصر bimorph اعمال می شود، یک سیگنال الکتریکی تولید می شود. بر اساس اثرات فوق، سرامیک های پیزوالکتریک را می توان به عنوان حسگر اولتراسونیک استفاده کرد.

مانند یک مبدل اولتراسونیک، یک ویبراتور کامپوزیت به طور انعطاف پذیر روی پایه ثابت می شود. ویبراتور کامپوزیت ترکیبی از یک تشدید کننده و یک ویبراتور عنصر دو شکل است که از یک صفحه فلزی و یک صفحه سرامیکی پیزوالکتریک تشکیل شده است. تشدید کننده به شکل ترومپت است، هدف این است که امواج مافوق صوت تولید شده توسط ارتعاش را به طور مؤثر تابش کند و امواج اولتراسونیک را به طور مؤثر بر روی مهمترین قسمت ویبراتور متمرکز کند.

مبدل اولتراسونیک برای استفاده در فضای باز باید دارای آب بندی خوبی برای جلوگیری از نفوذ شبنم، باران و گرد و غبار باشد. سرامیک های پیزوالکتریک در قسمت داخلی بالای جعبه فلزی ثابت می شوند. پایه به انتهای باز جعبه ثابت شده و با رزین پوشیده شده است. برای سنسورهای اولتراسونیک مورد استفاده در ربات های صنعتی، ضخامت آن باید به 1 میلی متر برسد و دارای تشعشعات مافوق صوت قوی است.

دستیابی به این امر در فرکانس های بالاتر از 70 کیلوهرتز با استفاده از ارتعاش خمشی یک ویبراتور عنصر دو شکل معمولی غیرممکن است. بنابراین در تشخیص فرکانس بالا باید از سرامیک های پیزوالکتریک با حالت ارتعاش ضخامت عمودی استفاده شود. در این حالت، تطابق امپدانس صوتی سرامیک های پیزوالکتریک و هوا بسیار مهم می شود. امپدانس صوتی سرامیک های پیزوالکتریک 2.6×107 کیلوگرم بر متر مربع است، در حالی که امپدانس صوتی هوا 4.3×102 کیلوگرم بر متر مربع است. تفاوت توان های 5 منجر به تلفات قابل توجهی در سطح تابشی ارتعاشی پیزوسرامیک می شود. ماده خاصی که به سرامیک پیزوالکتریک چسبیده است به عنوان یک لایه تطبیق صوتی عمل می کند و با امپدانس صوتی هوا مطابقت دارد. این ساختار می‌تواند حسگر اولتراسونیک را قادر می‌سازد تا به طور معمول حتی زمانی که فرکانس آن به صدها کیلوهرتز می‌رسد، کار کند.