Prinsip teknis dan penerapan transduser jangkauan ultrasonik

         Prinsip teknis dan penerapan transduser jangkauan ultrasonik

Transduser ultrasonik adalah sensor yang dikembangkan menggunakan karakteristik gelombang ultrasonik. Ultrasonografi adalah gelombang mekanis dengan frekuensi getaran lebih tinggi dari gelombang suara, yang dihasilkan oleh getaran chip transduser di bawah eksitasi tegangan. Ia memiliki frekuensi tinggi, panjang gelombang pendek, fenomena difraksi kecil, terutama arah yang baik, dan dapat diorientasikan sebagai karakteristik penyebaran sinar. USG memiliki kemampuan penetrasi yang besar terhadap cairan dan padatan, terutama pada padatan yang tidak tembus sinar matahari, dapat menembus hingga kedalaman puluhan meter. Gelombang ultrasonik akan menghasilkan pantulan yang signifikan ketika bertemu dengan pengotor atau antarmuka sehingga membentuk gema, dan ketika bertemu dengan benda bergerak, akan menghasilkan efek Doppler. Oleh karena itu, deteksi ultrasonik banyak digunakan dalam industri, pertahanan nasional, biomedis, dll. Transduser ultrasonik untuk jarak digunakan sebagai metode deteksi, dan gelombang ultrasonik harus dihasilkan dan diterima. Alat yang melengkapi fungsi ini adalah sensor ultrasonik, yang biasa disebut alat kesehatan, atau probe ultrasonik.

Itu probe transduser ultrasonik terutama terdiri dari keramik piezoelektrik, yang dapat mengirim dan menerima gelombang ultrasonik. Probe ultrasonik berdaya rendah sebagian besar digunakan untuk deteksi. Ia memiliki banyak struktur berbeda, yang dapat dibagi menjadi probe lurus (gelombang longitudinal), probe miring (gelombang geser), probe gelombang permukaan (gelombang permukaan), probe gelombang Lamb (gelombang Lamb), probe ganda (satu refleksi probe, satu penerimaan probe) tunggu.

Inti dari sebuah transduser tingkat ultrasonik adalah keramik piezoelektrik dalam jaket plastik atau logamnya. Bahan pembuat wafer ada banyak macamnya. Ukuran chip seperti diameter dan ketebalannya juga berbeda-beda, sehingga performa setiap probe berbeda-beda, dan kita harus mengetahui performanya terlebih dahulu sebelum menggunakannya. Indikator kinerja utama sensor ultrasonik meliputi:

(1) Frekuensi kerja. Frekuensi operasi transduser jarak ultrasonik adalah frekuensi resonansi kristal keramik piezoelektrik. Ketika frekuensi tegangan AC yang diterapkan pada kedua ujungnya sama dengan frekuensi resonansi chip, energi keluarannya paling besar dan sensitivitasnya paling tinggi.

(2) Suhu kerja. Karena titik curie bahan piezoelektrik umumnya relatif tinggi, terutama jika diberi daya probe ultrasonik piezoelektrik untuk diagnosis relatif kecil, suhu kerja relatif rendah, dan dapat bekerja untuk waktu yang lama tanpa kegagalan. Suhu probe ultrasonik yang digunakan dalam perawatan medis relatif tinggi, dan diperlukan perangkat pendingin terpisah.

(3) Sensitivitas. Banyak hal bergantung pada pembuatan wafer itu sendiri. Semakin besar koefisien kopling elektromekanis, semakin tinggi sensitivitasnya; jika tidak, semakin rendah sensitivitasnya.

Struktur dan prinsip kerja

Ketika tegangan diterapkan ke transduser keramik piezoelektrik , deformasi mekanis akan terjadi dengan perubahan tegangan dan frekuensi. Sebaliknya, ketika keramik piezoelektrik digetarkan, timbul muatan listrik. Dengan menggunakan prinsip ini, ketika sinyal listrik diterapkan pada vibrator yang terdiri dari dua keramik piezoelektrik atau keramik piezoelektrik dan lembaran logam, yang disebut elemen bimorf, gelombang ultrasonik akan dipancarkan akibat getaran lentur. Sebaliknya, ketika getaran ultrasonik diterapkan pada elemen bimorf, sinyal listrik dihasilkan. Berdasarkan efek diatas, keramik piezoelektrik dapat digunakan sebagai sensor ultrasonik.

Seperti transduser ultrasonik, vibrator komposit dipasang secara fleksibel pada alasnya. Vibrator komposit merupakan kombinasi resonator dan vibrator elemen bimorf yang terdiri dari pelat logam dan pelat keramik piezoelektrik. Resonatornya berbentuk terompet, tujuannya untuk memancarkan gelombang ultrasonik yang dihasilkan oleh getaran secara efektif, dan memfokuskan gelombang ultrasonik secara efektif pada bagian terpenting dari vibrator.

Transduser ultrasonik untuk penggunaan di luar ruangan harus memiliki penyegelan yang baik untuk mencegah masuknya embun, hujan, dan debu. Keramik piezoelektrik dipasang di bagian dalam bagian atas kotak logam. Alasnya dipasang pada ujung kotak yang terbuka dan ditutup dengan resin. Untuk sensor ultrasonik yang digunakan pada robot industri, ketebalannya harus mencapai 1mm, dan memiliki radiasi ultrasonik yang kuat.

Hal ini tidak mungkin dicapai pada frekuensi yang lebih tinggi dari 70kHz dengan menggunakan getaran lentur vibrator elemen bimorf konvensional. Oleh karena itu, dalam deteksi frekuensi tinggi, keramik piezoelektrik dengan mode getaran ketebalan vertikal harus digunakan. Dalam hal ini, pencocokan impedansi akustik keramik piezoelektrik dan udara menjadi sangat penting. Impedansi akustik keramik piezoelektrik adalah 2,6×107kg/m2s, sedangkan impedansi akustik udara adalah 4,3×102kg/m2s. Perbedaan pangkat 5 menyebabkan kerugian besar pada permukaan radiasi getar piezoceramic. Bahan khusus yang ditempelkan pada keramik piezoelektrik bertindak sebagai lapisan pencocokan akustik, mencocokkan impedansi akustik udara. Struktur ini memungkinkan sensor ultrasonik bekerja secara normal meskipun frekuensinya mencapai ratusan kHz.