Principio tecnico e applicazione del trasduttore di portata ultrasonica

         Principio tecnico e applicazione del trasduttore di portata ultrasonica

I trasduttori ad ultrasuoni sono sensori sviluppati sfruttando le caratteristiche delle onde ultrasoniche. L'ultrasuono è un'onda meccanica con una frequenza di vibrazione superiore a quella delle onde sonore, generata dalla vibrazione del chip del trasduttore sotto l'eccitazione della tensione. Ha alta frequenza, lunghezza d'onda corta, piccolo fenomeno di diffrazione, particolarmente buona direzionalità e può essere orientato come caratteristica di diffusione dei raggi. Gli ultrasuoni hanno una grande capacità di penetrazione nei liquidi e nei solidi, soprattutto nei solidi opachi alla luce solare, possono penetrare fino a una profondità di decine di metri. Le onde ultrasoniche produrranno riflessioni significative quando incontrano impurità o interfacce per formare echi e quando incontrano oggetti in movimento produrranno effetti Doppler. Pertanto, il rilevamento a ultrasuoni è ampiamente utilizzato nell'industria, nella difesa nazionale, nella biomedicina, ecc. Il trasduttore a ultrasuoni per la distanza viene utilizzato come metodo di rilevamento e le onde ultrasoniche devono essere generate e ricevute. Il dispositivo che completa questa funzione è un sensore ad ultrasuoni, che comunemente viene chiamato dispositivo medico, o sonda ad ultrasuoni.

IL la sonda del trasduttore ad ultrasuoni è composta principalmente da ceramiche piezoelettriche, che possono sia trasmettere che ricevere onde ultrasoniche. Per il rilevamento vengono utilizzate principalmente sonde a ultrasuoni a bassa potenza. Ha molte strutture diverse, che possono essere suddivise in sonda diritta (onda longitudinale), sonda obliqua (onda di taglio), sonda per onde superficiali (onda di superficie), sonda per onde di agnello (onda di agnello), doppia sonda (una riflessione della sonda, una ricezione della sonda).

Il nucleo di un il trasduttore di livello a ultrasuoni è una ceramica piezoelettrica nella sua guaina di plastica o metallo. Esistono molti tipi di materiali che compongono il wafer. Anche le dimensioni del chip, come diametro e spessore, sono diverse, quindi le prestazioni di ciascuna sonda sono diverse e dobbiamo conoscerne le prestazioni in anticipo prima di utilizzarla. I principali indicatori di prestazione dei sensori a ultrasuoni includono:

(1) Frequenza di lavoro. La frequenza operativa del trasduttore di distanza ad ultrasuoni è la frequenza di risonanza del cristallo ceramico piezoelettrico. Quando la frequenza della tensione CA applicata alle sue due estremità è uguale alla frequenza di risonanza del chip, l'energia in uscita è maggiore e la sensibilità è massima.

(2) Temperatura di esercizio. Poiché il punto di curie del materiale piezoelettrico è generalmente relativamente elevato, soprattutto quando la potenza del la sonda ultrasonica piezoelettrica per la diagnosi è relativamente piccola, la temperatura di lavoro è relativamente bassa e può funzionare a lungo senza guasti. La temperatura della sonda a ultrasuoni utilizzata nel trattamento medico è relativamente elevata ed è necessario un dispositivo di raffreddamento separato.

(3) Sensibilità. Molto dipende dalla realizzazione del wafer stesso. Maggiore è il coefficiente di accoppiamento elettromeccanico, maggiore è la sensibilità; in caso contrario, minore è la sensibilità.

Struttura e principio di funzionamento

Quando viene applicata la tensione trasduttore ceramico piezoelettrico , si verificherà una deformazione meccanica con cambiamenti di tensione e frequenza. Quando invece la ceramica piezoelettrica viene fatta vibrare, viene generata una carica elettrica. Utilizzando questo principio, quando un segnale elettrico viene applicato a un vibratore composto da due ceramiche piezoelettriche o da una ceramica piezoelettrica e una lamiera metallica, il cosiddetto elemento bimorfo, verranno emesse onde ultrasoniche a causa della vibrazione di flessione. Quando invece si applicano vibrazioni ultrasoniche all'elemento bimorfo, viene generato un segnale elettrico. Sulla base degli effetti di cui sopra, le ceramiche piezoelettriche possono essere utilizzate come sensori a ultrasuoni.

Come un trasduttore a ultrasuoni, un vibratore composito è fissato in modo flessibile sulla base. Il vibratore composito è una combinazione di un risonatore e di un vibratore a elemento bimorfo costituito da una piastra metallica e una piastra ceramica piezoelettrica. Il risonatore ha la forma di una tromba, lo scopo è irradiare efficacemente le onde ultrasoniche generate dalla vibrazione e focalizzare efficacemente le onde ultrasoniche sulla parte più importante del vibratore.

Il trasduttore a ultrasuoni per uso esterno deve avere una buona tenuta per impedire l'intrusione di rugiada, pioggia e polvere. Le ceramiche piezoelettriche sono fissate all'interno della parte superiore della scatola metallica. La base è fissata all'estremità aperta della scatola e ricoperta di resina. Per i sensori a ultrasuoni utilizzati nei robot industriali, lo spessore deve raggiungere 1 mm e presenta una forte radiazione ultrasonica.

È impossibile ottenere questo risultato a frequenze superiori a 70kHz utilizzando la vibrazione di flessione di un vibratore a elemento bimorfo convenzionale. Pertanto, nel rilevamento ad alta frequenza, è necessario utilizzare ceramiche piezoelettriche con modalità di vibrazione a spessore verticale. In questo caso diventa molto importante l'adattamento dell'impedenza acustica della ceramica piezoelettrica e dell'aria. L'impedenza acustica della ceramica piezoelettrica è 2,6×107 kg/m2s, mentre l'impedenza acustica dell'aria è 4,3×102kg/m2s. Differenze di potenza pari a 5 portano a perdite sostanziali sulla superficie radiante vibrante piezoceramica. Uno speciale materiale aderito alla ceramica piezoelettrica funge da strato di adattamento acustico, adattandosi all'impedenza acustica dell'aria. Questa struttura può consentire al sensore a ultrasuoni di funzionare normalmente anche quando la frequenza raggiunge centinaia di kHz.