Trasduttore di misurazione della distanza ad ultrasuoni

La frequenza del ultrasonico Il sensore del trasduttore che le persone possono sentire è 20Hz ~ 2KHz, ovvero onde sonore udibili. Il suono oltre questa gamma di frequenza, l' ultrasuono inferiore a 20 Hz è chiamato onda sonora a bassa frequenza e l' ultra suono superiore a 20 KHz è chiamato u ltrasuono ( ultrasuono ), la frequenza in generale .La gamma è 10 Hz-8 KHz. L' ultrasuono ha una buona direzionalità, una forte capacità di penetrazione, è facile ottenere energia sonora concentrata e ha una lunga distanza nell'acqua. Gli ultrasuoni prendono questo nome perché il loro limite di frequenza inferiore è approssimativamente uguale al limite superiore dell'udito umano.

 

Distribuzione della frequenza ultrasonica

Le onde ultrasoniche possono propagarsi nei gas, nei liquidi e nei solidi a velocità diverse. La forma d'onda delle onde ultrasoniche che si propagano in un mezzo dipende dal tipo di forza che il mezzo può sopportare e da come eccitare le onde ultrasoniche sul mezzo.

 

Solitamente ce ne sono tre tipi:

(1) Tipo di onda longitudinale

Quando la direzione della vibrazione delle particelle nel mezzo è coerente con la direzione di propagazione dell'onda ultrasonica, l'onda ultrasonica è in modalità onda longitudinale. Qualsiasi mezzo solido può produrre onde longitudinali quando il suo volume cambia alternativamente. L'applicazione nell'industria adotta principalmente l'oscillazione longitudinale.

(2) Tipo di onda di taglio

Quando la direzione di vibrazione della particella nel mezzo è perpendicolare alla direzione di propagazione dell'onda ultrasonica, l'onda ultrasonica è un'onda trasversale. Poiché il mezzo solido può sopportare la deformazione di taglio oltre alla deformazione del volume, le onde di taglio possono essere generate quando la forza di taglio agisce alternativamente sul mezzo solido. Le onde di taglio possono propagarsi solo nei mezzi solidi.

 

(3) Modalità onda di superficie

È un'onda con la doppia proprietà di onda longitudinale e onda trasversale che si propaga lungo la superficie solida. L'onda di superficie può essere considerata come una sintesi di onde longitudinali parallele alla superficie e di onde trasversali perpendicolari alla superficie. La traiettoria della particella vibrante è un'ellisse. L'ampiezza è massima alla profondità di 1/4 della lunghezza d'onda dalla superficie e si attenua rapidamente all'aumentare della profondità . Infatti, l'ampiezza della vibrazione delle particelle è già molto debole quando si trova a più di una lunghezza d'onda dalla superficie. Inoltre le onde ultrasoniche presentano anche fenomeni di rifrazione e riflessione e vengono attenuate durante la propagazione. Gli ultrasuoni si propagano nell'aria e la loro frequenza è bassa, generalmente decine di KHz, mentre negli  ambienti  solidi e liquidi la frequenza può essere più elevata. Si attenua più velocemente nell'aria, ma si propaga nei liquidi e nei solidi con minore attenuazione e propagazione più lontana.

Utilizzando le caratteristiche di sensore di portata a ultrasuoni , può essere trasformato in vari sensori a ultrasuoni, accoppiati con diversi circuiti e trasformato in vari strumenti e dispositivi di misurazione a ultrasuoni, che possono essere utilizzati per la misurazione della distanza, misurazione della velocità, pulizia, saldatura, ghiaia, sterilizzazione, ecc., e nella comunicazione, medicina , elettrodomestici, militare, industria, agricoltura e altri aspetti sono ampiamente utilizzati. Esistono molti metodi in grado di generare onde ultrasoniche, comunemente usati sono il metodo dell'effetto piezoelettrico, il metodo dell'effetto magnetostrittivo, il metodo dell'effetto elettrostatico e il metodo dell'effetto elettromagnetico. Quando un breve impulso di tensione viene applicato ai due poli del wafer piezoelettrico, a causa dell'effetto piezoelettrico inverso, il wafer piezoceramico subirà una deformazione elastica e produrrà un'oscillazione elastica. La frequenza di oscillazione è correlata allo spessore del wafer e alla velocità del suono. Una corretta selezione dello spessore del wafer può ottenere onde elastiche nella gamma di frequenze ultrasoniche, cioè onde ultrasoniche. Ciò che viene emesso in questo modo è un pacchetto di onde ultrasoniche, comunemente chiamato onda impulsiva.

 

a ultrasuoni Trasduttore

di misurazione della distanza a ultrasuoni Il sensore viene utilizzato principalmente nel radar di retromarcia dell'auto, nella camminata automatica per evitare gli ostacoli del robot, nei cantieri e in alcuni siti industriali come  il livello del liquido, la profondità del pozzo, la lunghezza della tubazione e altre occasioni. Attualmente esistono due trasduttori di portata a ultrasuoni comunemente usati:  uno è un trasduttore di portata a ultrasuoni  basato su un dispositivo a chip singolo o incorporato e l'altro è un sistema di portata a ultrasuoni basato su un CPLD (dispositivo logico programmabile complesso). Nell'esperimento sono stati utilizzati diversi schemi, utilizzando  la programmazione del dispositivo incorporato per generare un'onda quadra con una frequenza di 40 KHz  del trasduttore  che è stata amplificata dal circuito di trasmissione per far oscillare l'estremità trasmittente del sensore a ultrasuoni ed emettere onde ultrasoniche. L'onda ultrasonica viene riflessa dal trasmettitore, ricevuta dall'estremità ricevente del sensore e quindi amplificata e modellata dal circuito ricevente. Il a ultrasuoni  trasduttore  con micronucleo incorporato registra il tempo dell'emissione ultrasonica e il tempo dell'onda riflessa attraverso l'apparecchiatura incorporata. Quando viene ricevuta l'onda riflessa dell'onda ultrasonica, si verifica un salto all'estremità di uscita del circuito di ricezione. Contando il timer e calcolando la differenza oraria, è possibile calcolare la distanza corrispondente.

 

Principio del ultrasuoni a ​ trasduttore

Il principio del  trasduttore di misurazione della distanza a ultrasuoni è quello di utilizzare la velocità di propagazione nota delle onde ultrasoniche nell'aria per misurare il tempo impiegato dalle onde sonore per incontrare ostacoli e riflettersi dopo essere stati emessi e per calcolare la distanza effettiva dal punto di emissione all'ostacolo in base alla differenza di tempo tra emissione e ricezione. Innanzitutto, il trasduttore del trasmettitore ad ultrasuoni emette onde ultrasoniche in una determinata direzione e inizia a cronometrare contemporaneamente al tempo di emissione. Le onde ultrasoniche si propagano nell'aria e ritornano immediatamente quando incontrano ostacoli sul percorso e il ricevitore ultrasonico interrompe il cronometraggio immediatamente dopo aver ricevuto le onde riflesse. La velocità di propagazione delle onde ultrasoniche nell'aria è C=340m/s. In base al tempo T secondi registrato dal timer si può calcolare la distanza L tra il punto di emissione e l'ostacolo e cioè: L= C×T /2. Questo è il cosiddetto metodo della differenza di tempo. Poiché anche gli ultrasuoni  sono una sorta di onda sonora, la loro velocità del suono C è correlata alla temperatura. La tabella 1 elenca la velocità del suono a diverse temperature. Nell'uso, se la temperatura non cambia molto, si può considerare che la velocità del suono è sostanzialmente costante. Se la precisione della misurazione della distanza è molto elevata, dovrebbe essere corretta mediante compensazione della temperatura.

 

La relazione tra velocità delle onde ultrasoniche e temperatura

Grazie ai vantaggi della facile emissione direzionale delle onde ultrasoniche, della buona direzionalità, del facile controllo dell'intensità e dell'assenza della necessità di contatto diretto con l'oggetto misurato, è la scelta ideale per misurare la distanza di retromarcia. Gli ultrasuoni si propagano in linea retta. Maggiore è la frequenza, più debole è la capacità di diffrazione, ma più forte è quella di riflessione. Perciò, Lo stampo dei sensori a ultrasuoni può essere realizzato utilizzando questa proprietà delle onde ultrasoniche. Inoltre, le onde ultrasoniche viaggiano lentamente nell'aria, il che rende semplice l'uso dei sensori a ultrasuoni. I sensori a ultrasuoni sono sensori sviluppati utilizzando 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. Gli ultrasuoni vengono utilizzati come metodo di rilevamento e le onde ultrasoniche devono essere generate e ricevute. Il dispositivo che svolge questa funzione è un sensore a ultrasuoni, comunemente chiamato trasduttore a ultrasuoni o sonda a ultrasuoni.

 

Il sensore ad ultrasuoni è composto principalmente da un vibratore bimorfo, una piastra conica risonante ed elettrodi. Quando viene applicata una certa tensione tra i due elettrodi, il piezoelettrico in ceramica Il wafer verrà compresso per produrre una deformazione meccanica e il wafer piezoelettrico tornerà alla sua forma originale dopo la rimozione della tensione. Se tra i due poli viene applicata una tensione ad una certa frequenza, anche la ceramica piezoelettrica  vibrerà ad una certa frequenza. È stato testato che la frequenza naturale di questo tipo di trasduttore piezoelettrico  è 38,4 KHz e  del trasduttore .  ai due poli viene applicato un segnale di impulso ad onda quadra con una frequenza di 40 KHz In questo momento, il chip piezoelettrico entra in risonanza ed emette onde ultrasoniche. Allo stesso modo, un sensore a ultrasuoni senza segnale di impulso esterno entrerà in risonanza anche quando la piastra di risonanza riceve onde ultrasoniche e verrà generato un segnale elettrico tra i due poli. La sonda ad ultrasuoni è composta principalmente da wafer piezoelettrici, che possono sia trasmettere che ricevere onde ultrasoniche. a ultrasuoni a bassa potenza . trasduttori Per il rilevamento vengono utilizzati principalmente 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).