Ultraäänietäisyysanturin tekninen periaate ja sovellus

         Ultraäänietäisyysanturin tekninen periaate ja sovellus

Ultraäänimuuntimet ovat antureita, jotka on kehitetty käyttämällä ultraääniaaltojen ominaisuuksia. Ultraääni on mekaaninen aalto, jonka värähtelytaajuus on korkeampi kuin ääniaaltojen ja joka syntyy anturisirun värähtelystä jännitteen viritteen vaikutuksesta. Sillä on korkea taajuus, lyhyt aallonpituus, pieni diffraktioilmiö, erityisen hyvä suuntaavuus, ja se voidaan suunnata säteiden leviämisominaisuuksiksi. Ultraäänellä on suuri läpäisykyky nesteisiin ja kiinteisiin aineisiin, erityisesti auringonvalolle läpäisemättömiin kiinteisiin aineisiin, se voi tunkeutua kymmenien metrien syvyyteen. Ultraääniaallot tuottavat merkittäviä heijastuksia, kun ne kohtaavat epäpuhtauksia tai rajapintoja muodostaen kaikuja, ja kun ne kohtaavat liikkuvia esineitä, ne tuottavat Doppler-efektejä. Siksi ultraäänitunnistusta käytetään laajalti teollisuudessa, maanpuolustuksessa, biolääketieteessä jne. Havaitsemismenetelmänä käytetään ultraäänianturia etäisyysmittaukselle ja ultraääniaaltoja on generoitava ja vastaanotettava. Laite, joka suorittaa tämän toiminnon, on ultraäänianturi, jota tavallisesti kutsutaan lääketieteelliseksi laitteeksi, tai ultraäänianturi.

The ultraäänianturi koostuu pääasiassa pietsosähköisestä keramiikasta, joka voi sekä lähettää että vastaanottaa ultraääniaaltoja. Pienitehoisia ultraääniantureita käytetään useimmiten havaitsemiseen. Siinä on monia erilaisia ​​rakenteita, jotka voidaan jakaa suoraan anturiin (pitkittäinen aalto), vinoon anturiin (leikkausaalto), pinta-aaltoanturiin (pinta-aalto), lampaan aaltoon (Lamb wave), kaksoisanturiin (yksi koetin heijastus, yksi koetin vastaanotto).

Ydin an ultraäänitasoanturi on pietsosähköistä keramiikkaa muovi- tai metallivaipassaan. Vohvelin muodostavia materiaaleja on monenlaisia. Sirun koko, kuten halkaisija ja paksuus, on myös erilainen, joten kunkin anturin suorituskyky on erilainen, ja meidän on tiedettävä sen suorituskyky etukäteen ennen sen käyttöä. Ultraääniantureiden tärkeimmät suorituskykyindikaattorit ovat:

(1) Toimintataajuus. Ultraäänietäisyysanturin toimintataajuus on pietsosähköisen keramiikkakiteen resonanssitaajuus. Kun sen molempiin päihin syötetyn vaihtojännitteen taajuus on yhtä suuri kuin sirun resonanssitaajuus, lähtöenergia on suurin ja herkkyys suurin.

(2) Käyttölämpötila. Koska pietsosähköisen materiaalin curie-piste on yleensä suhteellisen korkea, varsinkin kun teho on pietsosähköinen ultraäänianturi diagnoosia varten on suhteellisen pieni, työlämpötila on suhteellisen alhainen ja se voi toimia pitkään ilman vikaa. Lääkehoidossa käytettävän ultraäänisondin lämpötila on suhteellisen korkea ja siihen tarvitaan erillinen jäähdytyslaite.

(3) Herkkyys. Paljon riippuu itse kiekon valmistamisesta. Mitä suurempi sähkömekaaninen kytkentäkerroin, sitä suurempi herkkyys; muuten, sitä pienempi herkkyys.

Rakenne ja toimintaperiaate

Kun jännite kytketään pietsosähköinen keramiikkamuunnin , mekaaninen muodonmuutos tapahtuu jännitteen ja taajuuden muuttuessa. Toisaalta, kun pietsosähköistä keraamia täristetään, syntyy sähkövaraus. Tätä periaatetta hyödyntäen, kun sähköinen signaali viedään kahdesta pietsosähköisestä keramiikasta tai pietsosähköisestä keramiikasta ja metallilevystä, ns. bimorfisesta elementistä, koostuvaan värähtelijään, syntyy taivutusvärähtelyn vuoksi ultraääniaaltoja. Sen sijaan kun ultraäänivärähtelyä kohdistetaan bimorfiseen elementtiin, syntyy sähköinen signaali. Yllä olevien vaikutusten perusteella pietsosähköistä keramiikkaa voidaan käyttää ultraääniantureina.

Kuten ultraäänianturi, myös komposiittivärähtelijä on joustavasti kiinnitetty alustaan. Komposiittivärähtelijä on yhdistelmä resonaattoria ja bimorfista elementtivärähtelijää, joka koostuu metallilevystä ja pietsosähköisestä keraamisesta levystä. Resonaattori on trumpetin muotoinen, tarkoituksena on säteillä tehokkaasti värähtelyn synnyttämiä ultraääniaaltoja ja fokusoida ultraääniaallot tehokkaasti täryttimen tärkeimpään osaan.

Ulkokäyttöön tarkoitetussa ultraäänianturissa on oltava hyvä tiivistys kasteen, sateen ja pölyn tunkeutumisen estämiseksi. Pietsosähköinen keramiikka on kiinnitetty metallilaatikon yläosan sisäpuolelle. Pohja kiinnitetään laatikon avoimeen päähän ja peitetään hartsilla. Teollisuusroboteissa käytettävien ultraääniantureiden paksuuden vaaditaan saavuttavan 1 mm, ja siinä on voimakasta ultraäänisäteilyä.

Tätä on mahdotonta saavuttaa yli 70 kHz:n taajuuksilla käyttämällä tavanomaisen bimorfisen elementin taivutusvärähtelyä. Siksi korkeataajuisessa ilmaisussa on käytettävä pietsosähköistä keramiikkaa, jossa on pystysuuntainen paksuusvärähtelytila. Tässä tapauksessa pietsosähköisen keramiikan ja ilman akustisen impedanssin yhteensovittaminen tulee erittäin tärkeäksi. Pietsosähköisen keramiikan akustinen impedanssi on 2,6×107kg/m2s, kun taas ilman akustinen impedanssi on 4,3×102kg/m2s. Tehoerot 5 johtavat merkittäviin häviöihin pietsokeraamisessa värähtelevässä säteilypinnassa. Pietsosähköiseen keramiikkaan kiinnitetty erikoismateriaali toimii akustisena sovituskerroksena, joka vastaa ilman akustista impedanssia. Tämä rakenne voi mahdollistaa sen, että ultraäänianturi toimii normaalisti, vaikka taajuus on jopa satoja kHz.