مبدل اندازه گیری فاصله اولتراسونیک

فرکانس از اولتراسونیک سنسور مبدل که مردم می توانند بشنوند 20 هرتز تا 2 کیلوهرتز است، یعنی امواج صوتی قابل شنیدن. صدای فراتر از این محدوده فرکانس، صدای اولترا زیر 20 هرتز را موج صوتی با فرکانس پایین، و صدای فوق العاده بالای 20 کیلوهرتز، u ltsound ( u ltsound) نامیده می شود، فرکانس صحبت عمومی .محدوده 10Hz-8KHz است. سونوگرافی u جهت گیری خوب، قابلیت نفوذ قوی، به دست آوردن انرژی صوتی متمرکز آسان است و . فاصله زیادی در آب دارد سونوگرافی به این دلیل نامگذاری شده است که حد فرکانس پایین آن تقریباً برابر با حد بالای شنوایی انسان است.

 

توزیع فرکانس اولتراسونیک

امواج مافوق صوت می توانند در گازها، مایعات و جامدات با سرعت های مختلف منتشر شوند. شکل موج انتشار امواج اولتراسونیک در یک محیط بستگی به این دارد که محیط چه نوع نیرویی را تحمل کند و چگونه امواج اولتراسونیک را بر روی محیط تحریک کند.

 

معمولاً سه نوع وجود دارد:

(1) نوع موج طولی

زمانی که جهت ارتعاش ذرات در محیط با جهت انتشار موج اولتراسونیک مطابقت داشته باشد، موج اولتراسونیک در حالت موج طولی است. هر محیط جامد زمانی می تواند امواج طولی تولید کند که حجم آن به طور متناوب تغییر کند. کاربرد در صنعت عمدتاً از نوسانات طولی استفاده می کند.

(2) نوع موج برشی

هنگامی که جهت ارتعاش ذره در محیط عمود بر جهت انتشار موج اولتراسونیک باشد، موج اولتراسونیک یک موج عرضی است. از آنجایی که محیط جامد می تواند علاوه بر تغییر شکل حجمی، تغییر شکل برشی را نیز تحمل کند، هنگامی که نیروی برشی به طور متناوب بر محیط جامد وارد می شود، امواج برشی می توانند ایجاد شوند. امواج برشی فقط در محیط جامد می توانند منتشر شوند .

 

(3) حالت موج سطحی

موجی است با خواص دوگانه موج طولی و موج عرضی که در امتداد سطح جامد منتشر می شود. موج سطحی را می توان ترکیبی از امواج طولی موازی با سطح و امواج عرضی عمود بر سطح در نظر گرفت. مسیر حرکت ذره ارتعاشی بیضی است. دامنه در عمق 1/4 طول موج از سطح قوی ترین است و با افزایش عمق به سرعت کاهش می یابد . در واقع، دامنه ارتعاش ذرات زمانی که بیش از یک طول موج از سطح فاصله داشته باشد بسیار ضعیف است. علاوه بر این امواج مافوق صوت دارای پدیده های انکسار و انعکاس هستند و . در حین انتشار ضعیف می شوند اولتراسوند در هوا منتشر می شود و فرکانس آن کم است، به طور کلی ده ها کیلوهرتز، در حالی که در  حالت  جامد و مایع، فرکانس می تواند بیشتر باشد. در هوا سریعتر ضعیف می شود، اما در مایعات و جامدات با تضعیف کمتر و انتشار دورتر منتشر می شود.

با استفاده از ویژگی های سنسور برد مافوق صوت ، می توان آن را به حسگرهای مختلف اولتراسونیک، همراه با مدارهای مختلف، و به ابزارها و دستگاه های اندازه گیری اولتراسونیک مختلف تبدیل کرد، که می تواند برای اندازه گیری فاصله، اندازه گیری سرعت، تمیز کردن، جوشکاری، سنگ ریزه، استریلیزاسیون و غیره استفاده شود و در ارتباطات، تجهیزات پزشکی ، لوازم خانگی، نظامی، صنعتی و سایر جنبه های کشاورزی مورد استفاده قرار می گیرد. روش‌های زیادی وجود دارد که می‌توانند امواج اولتراسونیک تولید کنند، که معمولاً استفاده می‌شود روش اثر پیزوالکتریک، روش اثر مغناطیسی، روش اثر الکترواستاتیک و روش اثر الکترومغناطیسی. هنگامی که یک پالس ولتاژ کوتاه به دو قطب ویفر پیزوالکتریک اعمال می شود، به دلیل اثر پیزوالکتریک معکوس، ویفر پیزوسرامیک دچار تغییر شکل الاستیک و ایجاد نوسان الاستیک می شود. فرکانس نوسان به ضخامت ویفر و سرعت صوت مربوط می شود. انتخاب مناسب ضخامت ویفر می تواند امواج الاستیک را در محدوده فرکانس اولتراسونیک یعنی امواج اولتراسونیک بدست آورد. آنچه در این روش منتشر می شود یک بسته موج اولتراسونیک است که معمولاً موج پالس نامیده می شود.

 

محدوده التراسونیک مبدل

اندازه‌گیری فاصله اولتراسونیک سنسور عمدتاً در رادار معکوس خودرو، پیاده‌روی اجتناب از مانع خودکار روبات، محل ساخت‌وساز و برخی مکان‌های صنعتی مانند  سطح مایع، عمق چاه، طول خط لوله و موارد دیگر استفاده می‌شود. در حال حاضر دو محدوده اولتراسونیک متداول استفاده می شود ، مبدل  یکی یک مبدل محدوده اولتراسونیک  مبتنی بر یک دستگاه تک تراشه یا تعبیه شده، و دیگری یک سیستم محدوده اولتراسونیک مبتنی بر CPLD (دستگاه منطقی قابل برنامه ریزی پیچیده). چندین طرح در آزمایش استفاده شد، با  استفاده از برنامه‌ریزی دستگاه تعبیه‌شده برای تولید یک موج مربعی با فرکانس 40 کیلوهرتز  مبدل  که توسط مدار درایو فرستنده تقویت شد تا انتهای فرستنده سنسور اولتراسونیک نوسان کند و امواج مافوق صوت منتشر کند. موج اولتراسونیک توسط فرستنده منعکس می شود، توسط گیرنده سنسور دریافت می شود و سپس توسط مدار گیرنده تقویت و شکل می گیرد. دامنه اولتراسونیک  مبدل  با میکرو هسته تعبیه شده زمان انتشار اولتراسونیک و زمان موج بازتابی را از طریق تجهیزات تعبیه شده ثبت می کند. هنگامی که موج منعکس شده از موج اولتراسونیک دریافت می شود، یک پرش در انتهای خروجی مدار گیرنده رخ می دهد. با شمارش تایمر و محاسبه اختلاف زمانی می توان فاصله مربوطه را محاسبه کرد.

 

اصل التراسونیک​ انجین کننده  ترانسدیوسر

اصل  مبدل اندازه گیری فاصله اولتراسونیک این است که از سرعت انتشار شناخته شده امواج مافوق صوت در هوا برای اندازه گیری زمان لازم برای برخورد امواج صوتی با موانع و بازتاب پس از انتشار آنها استفاده می کند و به منظور محاسبه فاصله واقعی از نقطه انتشار تا مانع بر اساس اختلاف زمانی بین انتشار و دریافت. اول از همه، مبدل فرستنده اولتراسونیک امواج مافوق صوت را در یک جهت مشخص منتشر می کند و همزمان با زمان انتشار شروع به زمان بندی می کند. امواج مافوق صوت در هوا منتشر می شوند و . با برخورد با موانع سر راه بلافاصله برمی گردند و گیرنده اولتراسونیک بلافاصله پس از دریافت امواج منعکس شده زمان بندی را متوقف می کند سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در هوا C=340m/s است. با توجه به زمان T ثانیه ثبت شده توسط تایمر، فاصله L بین نقطه انتشار و مانع را می توان محاسبه کرد، یعنی: L= C×T /2. این روش به اصطلاح دامنه اختلاف زمانی است. از آنجایی که امواج فراصوتی  نیز نوعی موج صوتی است، سرعت صدای آن C با دما مرتبط است. جدول 1 سرعت صوت را در چندین دما مختلف فهرست می کند. در استفاده اگر دما زیاد تغییر نکند می توان در نظر گرفت که سرعت صوت اساسا ثابت است. اگر دقت اندازه گیری فاصله بسیار بالا باشد، باید با جبران دما اصلاح شود.

 

رابطه بین سرعت موج اولتراسونیک و دما

با توجه به مزایای انتشار جهت دار آسان امواج مافوق صوت، جهت گیری خوب، کنترل آسان شدت و عدم نیاز به تماس مستقیم با جسم اندازه گیری شده، انتخاب ایده آلی برای اندازه گیری فاصله معکوس است. سونوگرافی در یک خط مستقیم منتشر می شود. هرچه فرکانس بالاتر باشد، توانایی پراش ضعیف‌تر است، اما توانایی بازتاب قوی‌تر است. بنابراین، قالب سنسورهای اولتراسونیک را ساخت. با استفاده از این خاصیت امواج اولتراسونیک می توان علاوه بر این، امواج اولتراسونیک به آرامی در هوا حرکت می کنند که استفاده از حسگرهای اولتراسونیک را ساده می کند. سنسورهای 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. u سونوگرافی به عنوان یک روش تشخیص استفاده می شود و امواج اولتراسونیک باید تولید و دریافت شود. دستگاهی که این عملکرد را انجام می دهد یک حسگر اولتراسونیک است که معمولاً به آن مبدل اولتراسونیک یا پروب اولتراسونیک می گویند.

 

سنسور اولتراسونیک عمدتاً از یک ویبراتور دو شکل، یک صفحه تشدید مخروطی و الکترودها تشکیل شده است. هنگامی که ولتاژ خاصی بین دو الکترود اعمال می شود، پیزوالکتریک سرامیکی ویفر برای ایجاد تغییر شکل مکانیکی فشرده می شود و ویفر پیزوالکتریک پس از حذف ولتاژ به شکل اولیه خود باز می گردد. اگر ولتاژی بین دو قطب در فرکانس معین اعمال شود، سرامیک های پیزوالکتریک  نیز در فرکانس خاصی ارتعاش خواهند کرد. آزمایش شده است که فرکانس طبیعی این نوع مبدل پیزوالکتریک 38.4 کیلوهرتز است و یک سیگنال  موج مربعی با فرکانس 40 کیلوهرتز  پالس  به دو قطب اعمال می شود. در این زمان، تراشه پیزوالکتریک طنین انداز می شود و امواج اولتراسونیک ساطع می کند. به همین ترتیب، یک سنسور اولتراسونیک بدون سیگنال پالس خارجی نیز زمانی که صفحه تشدید امواج مافوق صوت را دریافت می کند طنین انداز می شود و سیگنال الکتریکی بین دو قطب تولید می شود. کاوشگر اولتراسونیک عمدتاً از ویفرهای پیزوالکتریک تشکیل شده است که می تواند امواج اولتراسونیک را هم ارسال و هم دریافت کند. اولتراسونیک کم توان مبدل های بیشتر برای تشخیص استفاده می شوند. 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.