اصل کار و ساختار سنسور سطح مایع اولتراسونیک

اصل کار  

سنسورهای اولتراسونیک حسگرهایی هستند که با استفاده از ویژگی های امواج اولتراسونیک توسعه یافته اند. مبدل اولتراسونیک زیر آب یک موج مکانیکی با فرکانس ارتعاش بالاتر از امواج صوتی است. این توسط ارتعاش تراشه مبدل تحت تحریک ولتاژ تولید می شود. دارای فرکانس بالا، طول موج کوتاه، پدیده پراش کوچک، به ویژه جهت گیری خوب است و می تواند به پرتوها هدایت شود. انتشار و سایر خصوصیات امواج اولتراسونیک توانایی زیادی در نفوذ به مایعات و جامدات دارند، به خصوص در جامداتی که در برابر نور خورشید کدر هستند. می تواند تا عمق ده ها متر نفوذ کند. هنگامی که موج اولتراسونیک به ناخالصی یا رابط برخورد می کند،مبدل اولتراسونیک پیزوالکتریک  انعکاس قابل توجهی برای تشکیل یک اکو ایجاد می کند و می تواند اثر داپلر را هنگام برخورد با یک جسم متحرک ایجاد کند. بنابراین، آزمایش اولتراسونیک به طور گسترده در صنعت، دفاع ملی، زیست پزشکی و سایر جنبه ها استفاده می شود. اولتراسوند به عنوان یک روش تشخیص استفاده می شود و برای تولید و دریافت امواج اولتراسونیک ضروری است. دستگاهی که این عملکرد را انجام می دهد یک حسگر اولتراسونیک است که معمولاً به آن مبدل اولتراسونیک یا پروب اولتراسونیک می گویند. 

ساختار و ترکیب  

اندازه گیری عمق مبدل اولتراسونیک  عمدتاً از ویفرهای پیزوالکتریک تشکیل شده است که می توانند امواج اولتراسونیک را ارسال و دریافت کنند. پروب های سونوگرافی کم توان بیشتر برای تشخیص استفاده می شوند. دارای ساختارهای مختلفی است که می توان آنها را به کاوشگر مستقیم (موج طولی)، پروب مورب (موج عرضی)، پروب موج سطحی (موج سطحی)، پروب موج بره (موج لام)، پروب دوتایی (یک انعکاس پروب، یک دریافت پروب) تقسیم کرد. هسته سنسور اولتراسونیک یک تراشه پیزوالکتریک در کت پلاستیکی یا فلزی آن است. انواع مختلفی از مواد وجود دارد که ویفر را تشکیل می دهند. اندازه ویفر مانند قطر و ضخامت نیز متفاوت است، بنابراین عملکرد هر سنسور متفاوت است، قبل از استفاده باید عملکرد آن را بدانیم. 

شاخص های اصلی عملکرد سنسورهای اولتراسونیک

(1) فرکانس عملیاتی. فرکانس کاری فرکانس رزونانس ویفر پیزوالکتریک است. هنگامی که فرکانس ولتاژ AC اعمال شده به دو سر آن برابر با فرکانس تشدید تراشه باشد، انرژی خروجی بالاترین و حساسیت بالاترین است. 

(2) دمای کار. از آنجایی که نقطه کوری مواد پیزوالکتریک عموماً نسبتاً بالا است، به ویژه هنگامی که پروب اولتراسونیک مورد استفاده برای تشخیص از توان کم استفاده می کند، دمای کار نسبتاً پایین است و می تواند برای مدت طولانی بدون شکست کار کند. سنسورهای اولتراسونیک پزشکی دمای نسبتا بالایی دارند و به تجهیزات تبرید جداگانه نیاز دارند. 

(3) حساسیت عمدتاً به خود ویفر تولید کننده بستگی دارد. ضریب جفت الکترومکانیکی بزرگ و حساسیت بالا است. برعکس، حساسیت کم است. 

مانند سنسورهای اولتراسونیک، یک ویبراتور کامپوزیت به طور انعطاف پذیر بر روی پایه ثابت می شود. ویبراتور کامپوزیت ترکیبی از یک تشدید کننده و یک ویبراتور عنصر دو شکل است که از یک ورق فلزی و یک ورق سرامیکی پیزوالکتریک تشکیل شده است. تشدید کننده به شکل یک بوق است و هدف آن تابش مؤثر امواج اولتراسونیک تولید شده در اثر ارتعاش و متمرکز کردن مؤثر امواج اولتراسونیک در مرکز ویبراتور است. 

سنسورهای اولتراسونیک برای استفاده در فضای باز باید دارای خواص آب بندی خوبی برای جلوگیری از نفوذ شبنم، باران و گرد و غبار باشند. 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، دقت 1 میلی متر و تشعشعات مافوق صوت قوی الزامی است.