Ultrazvučni pretvarač za mjerenje udaljenosti

Učestalost ultrazvučne sonde senzor koji ljudi mogu čuti je 20Hz~2KHz, odnosno čujni zvučni valovi. Zvuk izvan ovog frekvencijskog raspona, ultrazvuk ispod 20 Hz, naziva se niskofrekventni zvučni val, a ultrazvuk iznad 20 KHz naziva se ultrazvuk ( u ltrazvuk), frekvencija općenito govoreći .Raspon je 10 Hz-8 KHz. u Ultrazvuk ima dobru usmjerenost, jaku sposobnost prodora, lako dobivanje koncentrirane zvučne energije i ima veliku udaljenost u vodi. Ultrazvuk je dobio ime jer je njegova donja granica frekvencije približno jednaka gornjoj granici ljudskog sluha.

 

Distribucija ultrazvučne frekvencije

Ultrazvučni valovi mogu se širiti u plinovima, tekućinama i čvrstim tijelima različitim brzinama. Valni oblik ultrazvučnih valova koji se šire u mediju ovisi o tome kakvu silu medij može izdržati i kako pobuditi ultrazvučne valove na medij.

 

Obično postoje tri vrste:

(1) Vrsta longitudinalnog vala

Kada je smjer vibracija čestica u mediju u skladu sa smjerom širenja ultrazvučnog vala, ultrazvučni val je u obliku uzdužnog vala. Svaki čvrsti medij može proizvesti uzdužne valove kada se njegov volumen naizmjenično mijenja. Primjena u industriji uglavnom usvaja uzdužno osciliranje.

(2) Vrsta smičnih valova

Kada je smjer vibracije čestice u mediju okomit na smjer širenja ultrazvučnog vala, ultrazvučni val je transverzalni val. Budući da čvrsti medij može podnijeti smične deformacije uz volumensku deformaciju, posmični valovi mogu nastati kada sila smicanja naizmjenično djeluje na čvrsti medij. Smični valovi mogu se širiti samo u čvrstom mediju.

 

(3) Mod površinskih valova

To je val s dvojnim svojstvima longitudinalnog vala i transverzalnog vala koji se širi duž čvrste površine. Površinski val se može promatrati kao sinteza longitudinalnih valova paralelnih s površinom i transverzalnih valova okomitih na površinu. Putanja titrajuće čestice je elipsa. Amplituda je najveća na dubini od 1/4 valne duljine od površine, a brzo se smanjuje kako se dubina povećava . U stvari, amplituda vibracija čestica je već vrlo slaba kada su više od jedne valne duljine udaljene od površine. Osim toga, ultrazvučni valovi također imaju fenomene refrakcije i refleksije, a prigušeni su tijekom širenja. Ultrazvuk se širi u zraku, a njegova frekvencija je niska, uglavnom desetke KHz, dok u  krutom  i tekućem stanju frekvencija može biti i veća. Brže slabi u zraku, ali se širi u tekućinama i čvrstim tvarima s manjim slabljenjem i daljim širenjem.

Koristeći karakteristike senzor dometa ultrazvuka , može se izraditi u razne ultrazvučne senzore, upariti s različitim krugovima i izraditi u razne ultrazvučne mjerne instrumente i uređaje, koji se mogu koristiti za mjerenje udaljenosti, mjerenje brzine, čišćenje, zavarivanje, šljunak, sterilizaciju itd., a . naširoko se koriste u komunikaciji, medicini, kućanskim aparatima, vojsci, industriji, poljoprivredi i drugim aspektima Postoje mnoge metode koje mogu generirati ultrazvučne valove, a najčešće se koriste metoda piezoelektričnog učinka, metoda magnetostriktivnog učinka, metoda elektrostatskog učinka i metoda elektromagnetskog učinka. Kada se kratki naponski impuls primijeni na dva pola piezoelektrične pločice, zbog obrnutog piezoelektričnog učinka, piezokeramička pločica će doživjeti elastičnu deformaciju i proizvesti elastične oscilacije. Frekvencija osciliranja povezana je s debljinom pločice i brzinom zvuka. Pravilnim odabirom debljine pločice mogu se dobiti elastični valovi u ultrazvučnom frekvencijskom području, odnosno ultrazvučni valovi. Ono što se emitira na ovaj način je paket ultrazvučnih valova, koji se obično naziva pulsni val.

 

Ultrazvučni  pretvarač dometa

Ultrazvučni za mjerenje udaljenosti senzor uglavnom se koristi u radaru za vožnju unazad, robotu za automatsko izbjegavanje prepreka, na gradilištima i nekim industrijskim mjestima kao što su  razina tekućine, dubina bunara, duljina cjevovoda i druge prilike. Trenutačno postoje dvije najčešće korištene ultrazvučne sonde za mjerenje dometa,  jedna je ultrazvučna sonda za određivanje dometa  koja se temelji na jednom čipu ili ugrađenom uređaju, a druga je ultrazvučni sustav za određivanje dometa koji se temelji na CPLD-u (Complex Programmable Logic Device). U eksperimentu je korišteno nekoliko shema, korištenjem  ugrađenog programiranja uređaja za generiranje kvadratnog vala s frekvencijom od 40 KHz  sonde  koji je pojačan odašiljačkim pogonskim krugom kako bi odašiljački kraj ultrazvučnog senzora oscilirao i emitirao ultrazvučne valove. Odašiljač reflektira ultrazvučni val, prima ga prijemni kraj senzora, a zatim ga pojačava i oblikuje prijemni krug. Ultrazvučna  sonda za mjerenje udaljenosti  s ugrađenom mikrojezgrom bilježi vrijeme ultrazvučne emisije i vrijeme reflektiranog vala putem ugrađene opreme. Kada se primi reflektirani val ultrazvučnog vala, dolazi do skoka na izlaznom kraju prijemnog kruga. Brojanjem mjerača vremena i izračunavanjem vremenske razlike može se izračunati odgovarajuća udaljenost.

 

Princip ultrazvučnog ​ pretvornika​ ​

Načelo ultrazvučnog  pretvornika za mjerenje udaljenosti je korištenje poznate brzine širenja ultrazvučnih valova u zraku za mjerenje vremena koje je potrebno zvučnim valovima da naiđu na prepreke i reflektiraju se nakon što su emitirani, te kako bi se izračunala stvarna udaljenost od točke emisije do prepreke na temelju vremenske razlike između emisije i prijema. Prije svega, sonda ultrazvučnog odašiljača emitira ultrazvučne valove u određenom smjeru i počinje mjeriti vrijeme u isto vrijeme kada i vrijeme emisije. Ultrazvučni valovi se šire u zraku i odmah se vraćaju kada naiđu na prepreke na putu, a ultrazvučni prijemnik prestaje mjeriti vrijeme odmah nakon primanja reflektiranih valova. Brzina širenja ultrazvučnih valova u zraku je C=340m/s. Prema vremenu T sekundi koje je zabilježio mjerač vremena, može se izračunati udaljenost L između točke emisije i prepreke, naime: L= C×T /2. Ovo je takozvana metoda rangiranja vremenske razlike. Budući da je ultrazvuk također  vrsta zvučnog vala, njegova brzina zvuka C povezana je s temperaturom. U tablici 1 navedena je brzina zvuka pri nekoliko različitih temperatura. U uporabi, ako se temperatura ne mijenja mnogo, može se smatrati da je brzina zvuka u osnovi konstantna. Ako je točnost mjerenja udaljenosti vrlo visoka, treba je ispraviti temperaturnom kompenzacijom.

 

Odnos između brzine ultrazvučnog vala i temperature

Zbog prednosti lakog usmjerenog emitiranja ultrazvučnih valova, dobre usmjerenosti, jednostavne kontrole intenziteta, te bez potrebe za izravnim kontaktom s mjerenim objektom, idealan je izbor za mjerenje udaljenosti vožnje unazad. Ultrazvuk se širi pravocrtno. Što je veća frekvencija, to je slabija sposobnost ogiba, ali jača sposobnost refleksije. Stoga, kalup za ultrazvučne senzore može se izraditi korištenjem ovog svojstva ultrazvučnih valova. Osim toga, ultrazvučni valovi sporo putuju u zraku, što upotrebu ultrazvučnih senzora čini jednostavnom. Ultrazvučni senzori 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. Ultrazvuk se koristi kao metoda detekcije, a ultrazvučni valovi moraju se generirati i primiti. Uređaj koji ostvaruje tu funkciju je ultrazvučni senzor, koji se uobičajeno naziva ultrazvučni pretvarač ili ultrazvučna sonda.

 

Ultrazvučni senzor uglavnom se sastoji od bimorfnog vibratora, stožaste rezonantne ploče i elektroda. Kada se između dvije elektrode primijeni određeni napon, piezoelektrična keramička pločica će se komprimirati kako bi proizvela mehaničku deformaciju, a piezoelektrična pločica će se vratiti u svoj izvorni oblik nakon uklanjanja napona. Ako se između dva pola primijeni napon na određenoj frekvenciji, piezoelektrična keramika  će također vibrirati na određenoj frekvenciji. Ispitano je da je prirodna frekvencija ovog tipa piezoelektričnog pretvarača  38,4 KHz, a pravokutni pulsni signal s frekvencijom od 40 KHz  pretvarača  primjenjuje se na dva pola. U to vrijeme piezoelektrični čip rezonira i emitira ultrazvučne valove. Na isti način, ultrazvučni senzor bez vanjskog pulsnog signala također će rezonirati kada rezonantna ploča primi ultrazvučne valove, a električni signal će se generirati između dva pola. Ultrazvučna sonda se uglavnom sastoji od piezoelektričnih pločica, koje mogu odašiljati i primati ultrazvučne valove. male snage . pretvornici Za detekciju se uglavnom koriste ultrazvučni 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.