Mikä on ultraäänianturi

Anturi (anturi) on laite, joka muuntaa fyysistä energiaa sisään ja ulos. Ultraäänianturi muuntaa sähköenergian akustiseksi energiaksi ja muuntaa akustisen energian sähköenergiaksi. Energian muunnos on toteutettu. Siksi ultraäänianturia kutsutaan myös ultraäänianturiksi, jota voidaan käyttää sekä ultraääniaaltojen lähettämiseen että vastaanottamiseen ja joka on avainkomponentti ultraäänimittausjärjestelmässä. Ultraäänimuuntimet sisältävät pääasiassa mekaanisia ultraäänimuuntimia, sähköisiä ultraäänimuuntimia ja sähköakustisia ultraäänimuuntimia. Niistä sähköakustiset ultraäänianturit koostuvat pääasiassa pietsosähköisistä kiteistä (elektrostriktiivinen) ja nikkeli-rauta-alumiiniseoksesta (magnetostriktiivinen). Ultraäänianturin muoto on eri suunnitelmien mukaan pääosin pylväsmuotoinen (etu- ja takapeitelevyjen halkaisija on sama), sarvityyppinen (etulevyn halkaisija pienenee liikaa kaaren muodon vuoksi) ja pylväsmuoto, jossa on poikkileikkaus keskellä.

A pietsosähköinen keramiikkamuunnin on sähköakustinen muunnin, joka muuntaa sähköistä ja akustista energiaa tiettyjen kiteiden pietsosähköisten ja käänteisten pietsosähköisten vaikutusten perusteella. Pietsosähköiset ultraäänianturit koostuvat pääasiassa pietsosähköisistä kiekoista. Pietsosähköisistä kiteistä koostuva ultraäänianturi on käännettävä anturi, joka muuntaa sähköenergian akustiseksi energiaksi, ja vastaanottaessaan ultraääniaaltoja se voi muuntaa myös akustista energiaa sähköenergiaksi. Pietsosähköiset ultraäänianturit toimivat käyttämällä pietsosähköisen kiteen resonanssia. Joidenkin yksikidemateriaalien rakenteella on epäsymmetrisiä ominaisuuksia. Kun nämä materiaalit altistetaan ulkoiselle jännitykselle ja jännitykselle, sisäiset hilarakenteen muutokset (muodonmuutos) tuhoavat alkuperäisen makroskooppisen sähköisen neutraaliuden tilan, mikä johtaa polarisoituneeseen sähkökenttään. (sähkökemiallinen), syntyvä sähkökenttä (elektrodin polarisaatio) on verrannollinen venymän suuruuteen. Tätä ilmiötä kutsutaan positiiviseksi pietsosähköiseksi efektiksi, jonka Curien veljekset havaitsivat vuonna 1880. Myöhemmin, vuonna 1881, havaittiin lisäksi, että tällaisilla yksikidemateriaaleilla on myös käänteinen pietsosähköinen vaikutus, eli kun positiivisen pietsosähköisen vaikutuksen omaava materiaali altistetaan sähkökenttään, muodostuu jännitys ja jännitys ja ulkoinen kenttäjännitys. Vain suhteellisesti. Kokeet ovat osoittaneet, että pietsosähköinen vaikutus ja käänteinen pietsosähköinen vaikutus tietyn rajan sisällä ovat lineaarisia. Toisin sanoen pietsosähköisessä efektissä pietsosähköisen kiteen pintavarauksen tiheys on verrannollinen venymän suuruuteen. Kun jännitys muuttaa etumerkkiä, myös varaus muuttaa etumerkkiä. Käänteisen pietsosähköisen vaikutuksen tapauksessa pietsosähköinen kide venyy ulkoisen sähkökentän vaikutuksesta. Koko on verrannollinen sähkökentän voimakkuuteen, ja kun sähkökenttä käännetään, myös jännitys kääntyy. Pietsosähköiset muuntimet ovat laitteita, jotka muuntavat sähköenergiaa ja akustista energiaa käyttämällä tiettyjen yksikidemateriaalien pietsosähköistä vaikutusta ja monikiteisten materiaalien sähköstriktiivisiä vaikutuksia. Korkean sähköakustisen tehokkuutensa, suuren tehonsa ansiosta ja rakenne ja muoto voidaan suunnitella eri sovellusten mukaan, sitä käytetään laajasti ultraäänen alalla.

Ultraäänipietsosähköiset muuntimet on jaettu yksi- ja kaksoisanturiin. Yksittäisanturitila tarkoittaa ultraääniläheisyysanturia, jota käytetään sekä ultraääniaaltojen että ultraääniaaltojen lähettämiseen, eli anturia käytetään sekä lähetykseen että vastaanottoon. Yksittäisen anturin toimintatilassa ultraääniaaltoja lähetettäessä on tarpeen kohdistaa sontiin yli kymmenen voltin, useiden kymmenien volttien tai jopa satojen volttien jännite anturin mekaanisen tärinän aiheuttamiseksi. Tämä mekaaninen värähtely siirtää pietsosähköisen kiekon värähtelyn mekaaniseen energiaan. Muunnetaan akustiseksi energiaksi ultraääniaaltojen virittämiseksi. Kun ultraääniaalto vastaanotetaan, ultraääniaallon synnyttämä jälkijäristys ei katoa heti, ja lähetetyn signaalin amplitudi on selvempi kuin kaikusignaalin amplitudi, joten vastaanottopää muodostaa virheellisesti värähtelyn synnyttämän aallon kaikuna. Mittausvirheet vaikuttavat ultraäänietäisyysmittausanturin tarkkuuteen. Perinteinen käytäntö on pysäyttää lähetys, viivyttää ajanjaksoa, välttää tämän jälkijäristyksen aika ja alkaa vastaanottaa kaikuja, jotka johtavat sokealle alueelle. Kaksoisanturi toimii lähettämällä kaksi ultraääniaaltoa ja vastaanottamalla ultraääniaaltoja samalla anturilla. Yhden anturin sokean vyöhykkeen analyysin tasolta kahden mittapään toimintatapa voi poistaa sokean alueen kokonaan ja lisätä mittausetäisyyttä. Käytännön sovelluksissa, koska lähettävän ja vastaanottavan anturin välinen etäisyys on pieni ja ääniaalto diffraktiivinen, ultraäänilähettävän anturin lähettämä aalto ei välttämättä heijastu esteestä, vaan ohittaa suoraan vastaanottavan anturin, mikä johtaa positiivisiin, joten sokea vyöhyke on edelleen olemassa.