Tehnički princip i primjena ultrazvučnog pretvornika dometa

         Tehnički princip i primjena ultrazvučnog pretvornika dometa

Ultrazvučni pretvornici su senzori razvijeni korištenjem karakteristika ultrazvučnih valova. Ultrazvuk je mehanički val s frekvencijom vibracije višom od frekvencije zvučnih valova, koji nastaje vibracijom čipa sonde pod pobudom napona. Ima visoku frekvenciju, kratku valnu duljinu, mali fenomen difrakcije, posebno dobru usmjerenost i može se orijentirati kao karakteristike širenja zraka. Ultrazvuk ima veliku sposobnost prodiranja u tekućine i krutine, posebno u krutine koje su neprozirne za sunčevu svjetlost, može prodrijeti do dubine od nekoliko desetaka metara. Ultrazvučni valovi proizvest će značajne refleksije kada naiđu na nečistoće ili sučelja kako bi formirali odjeke, a kada naiđu na pokretne objekte, proizvest će Dopplerove efekte. Stoga se ultrazvučna detekcija naširoko koristi u industriji, nacionalnoj obrani, biomedicini itd. Ultrazvučni pretvarač udaljenosti koristi se kao metoda detekcije, a ultrazvučni valovi moraju se generirati i primiti. Uređaj koji upotpunjuje ovu funkciju je ultrazvučni senzor koji se uobičajeno naziva medicinskim uređajem ili ultrazvučnom sondom.

The sonda ultrazvučne sonde uglavnom se sastoji od piezoelektrične keramike koja može odašiljati i primati ultrazvučne valove. Za detekciju se uglavnom koriste ultrazvučne sonde male snage. Ima mnogo različitih struktura, koje se mogu podijeliti na ravnu sondu (uzdužni val), kosu sondu (smični val), sondu površinskog vala (površinski val), sondu Lambovog vala (Lambov val), dvostruku sondu (jedna refleksija sonde, jedna sonda prijem) čekanje.

Jezgra an Ultrazvučni pretvarač razine je piezoelektrična keramika u svom plastičnom ili metalnom omotaču. Postoje mnoge vrste materijala od kojih se sastoji vafel. Veličina čipa, poput promjera i debljine, također je različita, tako da je izvedba svake sonde drugačija, a njezinu izvedbu moramo znati unaprijed prije uporabe. Glavni pokazatelji učinkovitosti ultrazvučnih senzora uključuju:

(1) Radna frekvencija. Radna frekvencija ultrazvučnog pretvarača udaljenosti je rezonantna frekvencija piezoelektričnog keramičkog kristala. Kada je frekvencija izmjeničnog napona primijenjenog na njegova dva kraja jednaka rezonantnoj frekvenciji čipa, izlazna energija je najveća, a osjetljivost najveća.

(2) Radna temperatura. Budući da je Curiejeva točka piezoelektričnog materijala općenito relativno visoka, posebno kada je snaga piezoelektrična ultrazvučna sonda za dijagnozu je relativno mala, radna temperatura je relativno niska i može raditi dugo vremena bez kvara. Temperatura ultrazvučne sonde koja se koristi u medicinskom tretmanu je relativno visoka, te je potreban poseban uređaj za hlađenje.

(3) Osjetljivost. Mnogo ovisi o samoj izradi oblatne. Što je veći koeficijent elektromehaničke sprege, to je veća osjetljivost; u suprotnom, niža je osjetljivost.

Struktura i princip rada

Kada se napon dovede do piezoelektrični keramički pretvarač , mehanička deformacija će se pojaviti s promjenama napona i frekvencije. S druge strane, kada piezoelektrična keramika vibrira, stvara se električni naboj. Koristeći ovaj princip, kada se električni signal primijeni na vibrator koji se sastoji od dvije piezoelektrične keramike ili piezoelektrične keramike i metalnog lima, takozvani bimorfni element, ultrazvučni valovi će se emitirati zbog vibracija savijanja. Umjesto toga, kada se ultrazvučne vibracije primijene na bimorfni element, generira se električni signal. Na temelju navedenih učinaka, piezoelektrična keramika može se koristiti kao ultrazvučni senzor.

Poput ultrazvučne sonde, kompozitni vibrator je fleksibilno fiksiran na bazu. Kompozitni vibrator kombinacija je rezonatora i vibratora s bimorfnim elementom koji se sastoji od metalne ploče i piezoelektrične keramičke ploče. Rezonator je u obliku trube, a svrha je učinkovito zračenje ultrazvučnih valova generiranih vibracijom, te učinkovito fokusiranje ultrazvučnih valova na najvažniji dio vibratora.

Ultrazvučni pretvarač za vanjsku upotrebu mora imati dobro brtvljenje kako bi se spriječio prodor rose, kiše i prašine. Piezoelektrična keramika je fiksirana na unutarnjoj strani vrha metalne kutije. Baza je pričvršćena na otvoreni kraj kutije i prekrivena smolom. Za ultrazvučne senzore koji se koriste u industrijskim robotima, debljina mora doseći 1 mm i ima jako ultrazvučno zračenje.

Nemoguće je to postići na frekvencijama višim od 70 kHz korištenjem vibracije savijanja konvencionalnog vibratora bimorfnog elementa. Stoga se u visokofrekventnoj detekciji mora koristiti piezoelektrična keramika s vertikalnim načinom vibracije debljine. U ovom slučaju, podudaranje akustične impedancije piezoelektrične keramike i zraka postaje vrlo važno. Akustična impedancija piezoelektrične keramike je 2,6×107kg/m2s, dok je akustična impedancija zraka 4,3×102kg/m2s. Razlike u snagama od 5 dovode do značajnih gubitaka na piezokeramičkoj vibrirajućoj zračećoj površini. Poseban materijal zalijepljen za piezoelektričnu keramiku djeluje kao akustički odgovarajući sloj, usklađujući akustičnu impedanciju zraka. Ova struktura može omogućiti normalan rad ultrazvučnog senzora čak i kada je frekvencija visoka do nekoliko stotina kHz.