سنسورهای مبدل اولتراسونیک چیست؟

سنسورهای مبدل اولتراسونیک با استفاده از ویژگی های امواج اولتراسونیک توسعه یافته اند. اولتراسونیک 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، بازتاب قابل توجهی ایجاد می کند تا یک پژواک ایجاد کند، و می تواند اثر داپلر را هنگام برخورد با یک جسم متحرک ایجاد کند. حسگرهایی که بر اساس ویژگی‌های اولتراسونیک تولید می‌شوند «حسگرهای اولتراسونیک» نامیده می‌شوند و به طور گسترده در صنعت، دفاع ملی و زیست پزشکی استفاده می‌شوند.

جزء

مبدل های اولتراسونیک عمدتا از ویفرهای پیزوالکتریک تشکیل شده اند. مبدل برد اولتراسونیک می تواند امواج اولتراسونیک را ارسال و دریافت کند. 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)، کاوشگر مورب (موج عرضی)، پروب موج سطحی (موج سطحی)، پروب موج بره (موج بره)، پروب دوتایی (یک پروب ارسال می شود، یک پروب دریافت می شود) تقسیم کرد.

عملکرد

هسته پروب اولتراسونیک a تراشه حسگر اولتراسونیک پیزوالکتریک در ژاکت پلاستیکی یا فلزی آن. انواع مختلفی از مواد وجود دارد که ویفر را تشکیل می دهند. اندازه ویفر مانند قطر و ضخامت نیز متفاوت است، بنابراین عملکرد هر پروب متفاوت است، قبل از استفاده باید عملکرد آن را بدانیم. شاخص های اصلی عملکرد سنسورهای اولتراسونیک عبارتند از:

فرکانس کاری

فرکانس کاری فرکانس رزونانس ویفر پیزوالکتریک است. هنگامی که فرکانس ولتاژ AC اعمال شده به هر دو انتهای آن برابر با فرکانس تشدید تراشه باشد، انرژی خروجی بالاترین و حساسیت بالاترین خواهد بود.

دمای عملیاتی

از آنجایی که نقطه کوری مواد پیزوالکتریک به طور کلی نسبتا بالا است، به ویژه برای پروب های اولتراسونیک برای تشخیص.

سنسور اولتراسونیک

قدرت کم است، بنابراین دمای کار نسبتاً پایین است و می تواند برای مدت طولانی بدون خرابی کار کند. دمای پروب های سونوگرافی پزشکی نسبتاً بالا است و به تجهیزات تبرید جداگانه نیاز دارد.

حساسیت

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

جهت دهی

محدوده تشخیص سنسور اولتراسونیک

برنامه اصلی

فناوری سنجش فراصوت در جنبه‌های مختلف عمل تولید به کار می‌رود و کاربرد پزشکی آن یکی از کاربردهای اصلی سنسورهای اولتراسونیک است، موارد زیر از پزشکی به عنوان مثال برای نشان دادن کاربرد فناوری سنجش فراصوت استفاده می‌کنند. استفاده از مبدل اولتراسونیک پیزوالکتریک در پزشکی عمدتاً برای تشخیص بیماری ها است و به یک روش تشخیصی ضروری در پزشکی بالینی تبدیل شده است. مزایای تشخیص اولتراسوند عبارتند از: نداشتن درد، بدون آسیب به معاینه شونده، روش ساده، تصویربرداری واضح، دقت تشخیصی بالا و ... از این رو ترویج آن آسان بوده و مورد استقبال کادر درمانی و بیماران قرار می گیرد. تشخیص اولتراسوند می تواند بر اساس اصول پزشکی مختلف باشد. بیایید نگاهی به یکی از روش های به اصطلاح A-type بیندازیم. در این روش از بازتاب امواج اولتراسونیک استفاده می شود. هنگامی که امواج مافوق صوت در بافت انسانی منتشر می شوند و با دو رابط رسانه ای با امپدانس های صوتی مختلف مواجه می شوند، پژواک های منعکس شده در رابط ایجاد می شود. هر بار که با یک سطح بازتابی مواجه می‌شوید، اکو روی صفحه اسیلوسکوپ نمایش داده می‌شود و اختلاف امپدانس بین دو رابط نیز دامنه اکو را تعیین می‌کند. در صنعت، کاربردهای معمول اولتراسونیک آزمایش غیر مخرب فلزات و اندازه گیری ضخامت اولتراسونیک است. در گذشته، بسیاری از فناوری‌ها به دلیل ناتوانی در تشخیص درونی بافت‌های جسم مانع می‌شدند. ظهور فناوری سنجش فراصوت این وضعیت را تغییر داد. البته، سنسورهای مافوق صوت بیشتری به طور ثابت روی دستگاه‌های مختلف نصب شده‌اند تا سیگنال‌های مورد نیاز مردم را «بی‌صدا» تشخیص دهند. در استفاده از سنسورهای اولتراسونیک در آینده، اولتراسوند با فناوری اطلاعات و فناوری مواد جدید ترکیب می شود و سنسورهای اولتراسونیک هوشمندتر و با حساسیت بالا ظاهر می شوند.

کاربرد فناوری سنسور فاصله اولتراسونیک 

امواج اولتراسونیک توانایی زیادی در نفوذ به مایعات و جامدات دارند، به خصوص در جامدات مات که می توانند تا عمق ده ها متری نفوذ کنند. هنگامی که موج اولتراسونیک به ناخالصی یا رابط برخورد می کند، بازتاب قابل توجهی ایجاد می کند تا یک اکو ایجاد کند، و می تواند اثر داپلر را هنگام برخورد با یک جسم متحرک ایجاد کند. بنابراین، تست اولتراسونیک به طور گسترده در صنعت، دفاع ملی، زیست پزشکی و غیره استفاده می شود. سنسورهای فاصله اولتراسونیک را می توان به طور گسترده در نظارت بر سطح (سطح مایع)، ضد برخورد ربات، سوئیچ های مجاورت آلتراسونیک مختلف و آلارم های ضد سرقت و سایر زمینه های مرتبط استفاده کرد. آنها در کار قابل اعتماد هستند، نصب آسان، ضد آب، زاویه پرتاب کوچک، حساسیت بالا، اتصال راحت با ابزارهای صفحه نمایش صنعتی، و پروب هایی با زاویه پرتاب بزرگتر نیز ارائه می شود.

کاربرد بتن

1. سنسور اولتراسونیک می تواند وضعیت ظرف را تشخیص دهد. هنگامی که سنسور اولتراسونیک در بالای مخزن مذاب پلاستیک یا محفظه گلوله پلاستیکی نصب می شود، هنگامی که امواج صوتی به داخل ظرف ساطع می شود، وضعیت ظرف را می توان بر اساس آن تجزیه و تحلیل کرد، مانند پر، خالی یا نیمه پر.

2. حسگرهای اولتراسونیک را می توان برای تشخیص اشیاء شفاف، مایعات، هر گونه مواد متراکم با سطوح خشن، صاف و سبک و اجسام نامنظم استفاده کرد. اما برای فضای باز، محیط گرم یا مخزن فشار و اجسام فوم مناسب نیست.

3. حسگرهای اولتراسونیک را می توان در کارخانه های فرآوری مواد غذایی برای ایجاد یک سیستم کنترل حلقه بسته برای تشخیص بسته بندی پلاستیکی استفاده کرد. با فناوری جدید، می‌تواند در حلقه‌های مرطوب مانند ماشین لباسشویی بطری، محیط نویز و محیط با تغییرات شدید دما تشخیص دهد.

4. سنسورهای اولتراسونیک را می توان برای تشخیص سطح مایع، تشخیص اشیاء و مواد شفاف، کنترل تنش و اندازه گیری فاصله، عمدتاً برای بسته بندی، ساخت بطری، حمل و نقل مواد، بازرسی زغال سنگ، پردازش پلاستیک و صنایع خودرو استفاده کرد. سنسورهای اولتراسونیک را می توان برای نظارت بر فرآیند برای بهبود کیفیت محصول، تشخیص عیوب، تعیین حضور و سایر جنبه ها استفاده کرد. استفاده از فناوری حسگر اولتراسونیک برای جلوگیری از پدال زدن اشتباه. نیسان عملکردی را برای جلوگیری از شتاب گیری وسیله نقلیه با پا گذاشتن تصادفی پدال گاز در زمانی که ترمز قرار است روی آن گذاشته شود، توسعه داده است. هنگام استفاده از دوربین ها و سنسورهای اولتراسونیک برای استنباط وضعیت 'پارک در پارکینگ'، اگر راننده هنگام پا گذاشتن روی پدال گاز، ترمز را مجبور کند. این فناوری قرار است طی 2 تا 3 سال آینده مورد استفاده عملی قرار گیرد. فناوری سنسور اولتراسونیک برای جلوگیری از تصادفات ناشی از ترمز و گاز اشتباه هنگام پارک کردن در پارکینگ ایجاد شده است.

این فناوری با استفاده از چهار دوربین مجهز به یک دوربین در جلو، عقب، چپ و راست خودرو و هشت سنسور اولتراسونیک در سپر جلو و سپر عقب محقق می‌شود. چهار دوربین از دوربین 'نمایشگر نمای فراگیر' استفاده می کنند که نمای چشم پرنده از محیط اطراف وسیله نقلیه را نمایش می دهد. از دوربین برای تشخیص خطوط سفید استفاده کنید تا بفهمید خودرو در پارکینگ است و از سنسور اولتراسونیک برای اندازه‌گیری فاصله بین خودرو و موانع اطراف برای تعیین زمان ترمز استفاده کنید. پیشگیری از تصادفات ناشی از پا گذاشتن روی ترمز و گاز اشتباه در دو مرحله اجرا می شود. زمانی که راننده می خواهد در پارکینگ توقف کند، اگر پا بر روی پدال گاز بگذارد، ابتدا سرعت را به سرعت خزنده کاهش می دهد، از نماد روی داشبورد برای نشان دادن خطر استفاده می کند و زنگ خطر را به صدا در می آورد. اگر راننده همچنان به پا گذاشتن روی پدال گاز ادامه دهد و بخواهد به دیوار یا اشیاء دیگر برخورد کند، ترمز مجبور می شود. زمان ترمزگیری. خودرو زمانی می تواند متوقف شود که حدود 20 تا 30 سانتی متر از مانع فاصله داشته باشد.

اصل کار

مردم می توانند بشنوند که صدا توسط ارتعاش جسم تولید می شود و فرکانس آن در محدوده سنسور اولتراسونیک 20HZ-20KHZ است، بیش از 20KHZ را اولتراسونیک و زیر 20HZ را مادون صوت می گویند. فرکانس مافوق صوت معمولاً از ده‌ها KHZ تا ده‌ها مگاهرتز متغیر است. سونوگرافی نوعی نوسان مکانیکی در محیط کشسان است که به دو صورت نوسان عرضی (موج عرضی) و نوسان طولی (موج طولی) می باشد. کاربرد در صنعت عمدتاً از نوسانات طولی استفاده می کند. امواج اولتراسونیک می توانند در گازها، مایعات و جامدات منتشر شوند و سرعت انتشار آنها متفاوت است. علاوه بر این، دارای پدیده های انکسار و انعکاس و تضعیف در هنگام انتشار نیز می باشد. فرکانس انتشار امواج اولتراسونیک در هوا کم است، به طور کلی ده ها KHZ، در حالی که در جامدات و مایعات، فرکانس می تواند بیشتر باشد. تضعیف در هوا سریعتر است، در حالی که در مایع و جامد پخش می شود، میرایی کم است و گسترش طولانی تر است. با استفاده از ویژگی های امواج مافوق صوت، می توان آن را به حسگرهای مختلف اولتراسونیک، مجهز به مدارهای مختلف، و ابزارها و دستگاه های اندازه گیری اولتراسونیک مختلف ساخت و به طور گسترده در ارتباطات، لوازم پزشکی و سایر جنبه ها استفاده می شود.

مواد اصلی از سنسورهای مبدل فاصله اولتراسونیک کریستال پیزوالکتریک (الکتریسیته) و آلیاژ نیکل-آهن-آلومینیوم (مغناطیسی) هستند. مواد الکتریسیته شامل سرب زیرکونات تیتانات (PZT) و غیره است. سنسور اولتراسونیک متشکل از کریستال پیزوالکتریک یک سنسور برگشت پذیر است. می تواند انرژی الکتریکی را به نوسان مکانیکی برای تولید امواج اولتراسونیک تبدیل کند. در عین حال، هنگامی که امواج مافوق صوت را دریافت می کند، می تواند به انرژی الکتریکی نیز تبدیل شود، بنابراین می توان آن را به فرستنده یا گیرنده تقسیم کرد. برخی از سنسورهای اولتراسونیک را می توان هم برای ارسال و هم برای دریافت استفاده کرد. فقط سنسورهای اولتراسونیک کوچک در اینجا معرفی شده اند. بین ارسال و دریافت تفاوت جزئی وجود دارد. برای انتقال در هوا مناسب است و فرکانس کاری به طور کلی 23-25KHZ و 40-45KHZ است. این نوع سنسور اولتراسونیک برای محدوده، کنترل سنسور اولتراسونیک، ضد سرقت و موارد دیگر مناسب است. T/R-40-60، T/R-40-12، و غیره وجود دارد (که در آن T به معنای ارسال، R به معنای دریافت، 40 به معنی فرکانس 40KHZ، 16 و 12 به معنای قطر بیرونی آن، بر حسب میلی متر است). همچنین یک سنسور اولتراسونیک مهر و موم شده وجود دارد. ویژگی آن این است که ضد آب است (اما نمی توان آن را در آب قرار داد)، می تواند به عنوان سوئیچ سطح مواد و مجاورت استفاده شود و عملکرد آن بهتر است. سه نوع اصلی کاربرد اولتراسونیک وجود دارد، نوع انتقال برای کنترل از راه دور، هشدار ضد سرقت، درب اتوماتیک، سوئیچ مجاورت، نوع بازتاب جدا برای اندازه گیری فاصله، سطح مایع یا سطح مواد استفاده می شود. نوع بازتاب برای تشخیص عیب مواد، اندازه گیری ضخامت و غیره استفاده می شود. از سنسور ارسال (یا فرستنده موج)، سنسور گیرنده (یا گیرنده موج)، بخش کنترل و بخش منبع تغذیه تشکیل شده است. سنسور فرستنده از یک فرستنده و یک مبدل ویبراتور سرامیکی با قطر حدود 15 میلی متر تشکیل شده است. عملکرد مبدل تبدیل انرژی ارتعاش الکتریکی ویبراتور سرامیکی به انرژی فوق العاده و تابش در هوا است. در حالی که سنسور دریافت کننده از یک مبدل ویبراتور سرامیکی تشکیل شده است که با یک مدار تقویت کننده تشکیل شده است، مبدل موج را برای تولید ارتعاش مکانیکی دریافت می کند، آن را به عنوان خروجی گیرنده سنسور به انرژی الکتریکی تبدیل می کند تا فوق العاده ارسال شده را تشخیص دهد. در استفاده واقعی می توان از ویبراتور سرامیکی که به عنوان سنسور انتقال استفاده می شود نیز استفاده کرد. به عنوان ویبراتور سرامیکی برای شرکت سنسور گیرنده استفاده می شود. بخش کنترل عمدتا فرکانس زنجیره پالس، چرخه وظیفه، مدولاسیون و شمارش پراکنده و فاصله تشخیص ارسال شده توسط فرستنده را کنترل می کند.

برنامه کاری

اگر یک کریستال سرامیکی پیزوالکتریک (نوسان ساز کریستالی دوبل) با فرکانس تشدید 40 کیلوهرتز در سنسور ارسال کنید. سنسور اولتراسونیک ولتاژ فرکانس بالای 40 کیلوهرتز را اعمال می کند و ورق سرامیکی پیزوالکتریک منبسط می شود و منقبض می شود با توجه به قطبیت، فرکانس ولتاژ-4K و فرکانس بالای اعمال شده 4Kz ارسال می کند. امواج اولتراسونیک که به صورت چگالی منتشر می شوند (درجه چگالی را می توان توسط مدار کنترل مدوله کرد) و آن را به گیرنده موج منتقل می کند. گیرنده از اصل اثر پیزوالکتریک استفاده شده توسط سنسور فشار استفاده می کند، یعنی اعمال فشار بر روی عنصر پیزوالکتریک برای ایجاد کرنش عنصر پیزوالکتریک، سپس یک سینوس 40 کیلوهرتز با یک قطب '+' در یک طرف و یک قطب '-' در طرف دیگر ولتاژ. چون دامنه ولتاژ فرکانس بالا کم است، باید تقویت شود. حسگرهای اولتراسونیک به راننده اجازه می‌دهند تا با خیال راحت پشتیبان‌گیری کند. اصل این است که هر گونه مانعی را در مسیر پشتیبان یا نزدیک آن شناسایی کنید و به موقع هشدار دهید. تشخیص طراحی شده مبدل فاصله اولتراسونیک می تواند همزمان هشدارهای صوتی و تصویری صوتی و نوری را ارائه دهد. اخطار نشان می دهد که فاصله و جهت موانع در منطقه کور شناسایی شده است. به این ترتیب چه در پارکینگ و چه رانندگی در مکانی باریک، با کمک سیستم تشخیص دزدگیر مانع معکوس، از فشار روانی راننده کاسته می شود و راننده می تواند با خیالی آسوده اقدامات لازم را انجام دهد.

حالت عملیاتی

سنسور اولتراسونیک از رسانه موج صوتی اولتراسونیک برای تشخیص غیر تماسی و بدون سایش شی شناسایی شده استفاده می کند. حسگر اولتراسونیک می تواند اجسام شفاف یا رنگی، اجسام فلزی یا غیرفلزی، مواد جامد، مایع و پودری را تشخیص دهد. عملکرد تشخیص آن به سختی تحت تأثیر شرایط محیطی از جمله محیط های دود و گرد و غبار و روزهای بارانی قرار می گیرد.