अल्ट्रासोनिक रेंज ट्रांसड्यूसर का तकनीकी सिद्धांत और अनुप्रयोग

         अल्ट्रासोनिक रेंज ट्रांसड्यूसर का तकनीकी सिद्धांत और अनुप्रयोग

अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर अल्ट्रासोनिक तरंगों की विशेषताओं का उपयोग करके विकसित किए गए सेंसर हैं। अल्ट्रासाउंड एक यांत्रिक तरंग है जिसकी कंपन आवृत्ति ध्वनि तरंगों से अधिक होती है, जो वोल्टेज के उत्तेजना के तहत ट्रांसड्यूसर चिप के कंपन से उत्पन्न होती है। इसमें उच्च आवृत्ति, लघु तरंग दैर्ध्य, छोटी विवर्तन घटना, विशेष रूप से अच्छी दिशात्मकता है, और इसे किरणों के प्रसार विशेषताओं के रूप में उन्मुख किया जा सकता है। अल्ट्रासाउंड में तरल पदार्थ और ठोस पदार्थों को भेदने की बहुत अच्छी क्षमता होती है, विशेष रूप से ठोस पदार्थों में जो सूर्य के प्रकाश के लिए अपारदर्शी होते हैं, यह दसियों मीटर की गहराई तक प्रवेश कर सकता है। अल्ट्रासोनिक तरंगें महत्वपूर्ण प्रतिबिंब उत्पन्न करेंगी जब वे अशुद्धियों या गूँज बनाने के लिए इंटरफेस का सामना करती हैं, और जब वे चलती वस्तुओं का सामना करती हैं, तो वे डॉपलर प्रभाव उत्पन्न करेंगी। इसलिए, अल्ट्रासोनिक डिटेक्शन का व्यापक रूप से उद्योग, राष्ट्रीय रक्षा, बायोमेडिसिन आदि में उपयोग किया जाता है। दूरी के लिए अल्ट्रासाउंड ट्रांसड्यूसर का उपयोग एक पता लगाने की विधि के रूप में किया जाता है, और अल्ट्रासोनिक तरंगों को उत्पन्न और प्राप्त किया जाना चाहिए। इस कार्य को पूरा करने वाला उपकरण एक अल्ट्रासोनिक सेंसर है, जिसे आमतौर पर चिकित्सा उपकरण या अल्ट्रासोनिक जांच कहा जाता है।

अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर जांच मुख्य रूप से पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक से बनी होती है, जो अल्ट्रासोनिक तरंगों को संचारित और प्राप्त दोनों कर सकती है। कम-शक्ति वाले अल्ट्रासोनिक जांच का उपयोग ज्यादातर पता लगाने के लिए किया जाता है। इसकी कई अलग-अलग संरचनाएं हैं, जिन्हें सीधी जांच (अनुदैर्ध्य तरंग), तिरछी जांच (कतरनी लहर), सतह तरंग जांच (सतह लहर), मेमने तरंग जांच (मेमना तरंग), डबल जांच (एक जांच प्रतिबिंब, एक जांच रिसेप्शन) प्रतीक्षा में विभाजित किया जा सकता है।

एक का मूल अल्ट्रासाउंड लेवल ट्रांसड्यूसर अपने प्लास्टिक या धातु जैकेट में एक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक है। कई प्रकार की सामग्रियां हैं जो वेफर बनाती हैं। चिप का आकार, जैसे व्यास और मोटाई भी अलग-अलग होती है, इसलिए प्रत्येक जांच का प्रदर्शन अलग होता है, और इसका उपयोग करने से पहले हमें इसका प्रदर्शन पहले से जानना चाहिए। अल्ट्रासोनिक सेंसर के मुख्य प्रदर्शन संकेतक में शामिल हैं:

(1) कार्य आवृत्ति। अल्ट्रासोनिक दूरी ट्रांसड्यूसर की ऑपरेटिंग आवृत्ति पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक क्रिस्टल की अनुनाद आवृत्ति है। जब इसके दोनों सिरों पर लागू एसी वोल्टेज की आवृत्ति चिप की गुंजयमान आवृत्ति के बराबर होती है, तो आउटपुट ऊर्जा सबसे बड़ी होती है और संवेदनशीलता सबसे अधिक होती है।

(2) कार्य तापमान. चूंकि पीज़ोइलेक्ट्रिक सामग्री का क्यूरी बिंदु आम तौर पर अपेक्षाकृत अधिक होता है, खासकर जब की शक्ति निदान के लिए पीजोइलेक्ट्रिक अल्ट्रासोनिक जांच अपेक्षाकृत छोटी है, काम करने का तापमान अपेक्षाकृत कम है, और यह विफलता के बिना लंबे समय तक काम कर सकता है। चिकित्सा उपचार में उपयोग की जाने वाली अल्ट्रासोनिक जांच का तापमान अपेक्षाकृत अधिक होता है, और एक अलग शीतलन उपकरण की आवश्यकता होती है।

(3) संवेदनशीलता. बहुत कुछ वेफ़र बनाने पर ही निर्भर करता है। इलेक्ट्रोमैकेनिकल युग्मन गुणांक जितना अधिक होगा, संवेदनशीलता उतनी ही अधिक होगी; अन्यथा, संवेदनशीलता उतनी ही कम होगी।

संरचना और कार्य सिद्धांत

जब वोल्टेज लगाया जाता है पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक ट्रांसड्यूसर , वोल्टेज और आवृत्ति में परिवर्तन के साथ यांत्रिक विरूपण होगा। दूसरी ओर, जब पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक में कंपन होता है, तो एक विद्युत आवेश उत्पन्न होता है। इस सिद्धांत का उपयोग करते हुए, जब दो पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक या एक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक और एक धातु शीट, तथाकथित बिमॉर्फ तत्व से बने वाइब्रेटर पर एक विद्युत संकेत लागू किया जाता है, तो झुकने वाले कंपन के कारण अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्सर्जित होंगी। इसके बजाय, जब अल्ट्रासोनिक कंपन को बिमॉर्फ तत्व पर लागू किया जाता है, तो एक विद्युत संकेत उत्पन्न होता है। उपरोक्त प्रभावों के आधार पर, पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का उपयोग अल्ट्रासोनिक सेंसर के रूप में किया जा सकता है।

एक अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर की तरह, एक मिश्रित वाइब्रेटर लचीले ढंग से आधार पर तय किया जाता है। कंपोजिट वाइब्रेटर एक रेज़ोनेटर और एक बिमॉर्फ तत्व वाइब्रेटर का एक संयोजन है जिसमें एक धातु प्लेट और एक पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक प्लेट शामिल है। रेज़ोनेटर एक तुरही के आकार में है, इसका उद्देश्य कंपन द्वारा उत्पन्न अल्ट्रासोनिक तरंगों को प्रभावी ढंग से प्रसारित करना है, और वाइब्रेटर के सबसे महत्वपूर्ण भाग पर अल्ट्रासोनिक तरंगों को प्रभावी ढंग से केंद्रित करना है।

बाहरी उपयोग के लिए अल्ट्रासोनिक ट्रांसड्यूसर में ओस, बारिश और धूल के प्रवेश को रोकने के लिए अच्छी सीलिंग होनी चाहिए। पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक धातु बॉक्स के शीर्ष के अंदर की तरफ लगे होते हैं। आधार बॉक्स के खुले सिरे पर तय किया गया है और राल से ढका हुआ है। औद्योगिक रोबोटों में उपयोग किए जाने वाले अल्ट्रासोनिक सेंसर के लिए, मोटाई 1 मिमी तक पहुंचने की आवश्यकता होती है, और इसमें मजबूत अल्ट्रासोनिक विकिरण होता है।

पारंपरिक बिमॉर्फ़ तत्व वाइब्रेटर के झुकने वाले कंपन का उपयोग करके 70kHz से अधिक आवृत्तियों पर इसे प्राप्त करना असंभव है। इसलिए, उच्च-आवृत्ति पहचान में, ऊर्ध्वाधर मोटाई कंपन मोड वाले पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक का उपयोग किया जाना चाहिए। इस मामले में, पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक और वायु की ध्वनिक प्रतिबाधा का मिलान बहुत महत्वपूर्ण हो जाता है। पीज़ोइलेक्ट्रिक सिरेमिक की ध्वनिक प्रतिबाधा 2.6×107kg/m2s है, जबकि हवा की ध्वनिक प्रतिबाधा 4.3×102kg/m2s है। 5 की शक्तियों के अंतर से पीज़ोसेरेमिक कंपन विकिरण सतह पर पर्याप्त नुकसान होता है। पीजोइलेक्ट्रिक सिरेमिक से जुड़ी एक विशेष सामग्री हवा की ध्वनिक प्रतिबाधा से मेल खाते हुए ध्वनिक मिलान परत के रूप में कार्य करती है। यह संरचना अल्ट्रासोनिक सेंसर को सामान्य रूप से काम करने में सक्षम बना सकती है, भले ही आवृत्ति सैकड़ों किलोहर्ट्ज़ तक हो।