Prinsip teknikal dan penggunaan transduser julat ultrasonik

         Prinsip teknikal dan penggunaan transduser julat ultrasonik

Transduser ultrasonik ialah penderia yang dibangunkan menggunakan ciri-ciri gelombang ultrasonik. Ultrasound ialah gelombang mekanikal dengan frekuensi getaran lebih tinggi daripada gelombang bunyi, yang dihasilkan oleh getaran cip transduser di bawah pengujaan voltan. Ia mempunyai frekuensi tinggi, panjang gelombang pendek, fenomena pembelauan kecil, terutamanya arah yang baik, dan boleh diorientasikan sebagai ciri penyebaran sinar. Ultrasound mempunyai keupayaan penembusan yang hebat kepada cecair dan pepejal, terutamanya dalam pepejal yang legap kepada cahaya matahari, ia boleh menembusi hingga kedalaman berpuluh-puluh meter. Gelombang ultrasonik akan menghasilkan pantulan yang ketara apabila ia menghadapi kekotoran atau antara muka untuk membentuk gema, dan apabila ia menghadapi objek bergerak, ia akan menghasilkan kesan Doppler. Oleh itu, pengesanan ultrasonik digunakan secara meluas dalam industri, pertahanan negara, bioperubatan, dll. Transduser ultrabunyi untuk jarak digunakan sebagai kaedah pengesanan, dan gelombang ultrasonik mesti dihasilkan dan diterima. Peranti yang melengkapkan fungsi ini ialah penderia ultrasonik, yang lazimnya dipanggil peranti perubatan, atau probe ultrasonik.

The probe transduser ultrasonik terutamanya terdiri daripada seramik piezoelektrik, yang boleh menghantar dan menerima gelombang ultrasonik. Kuar ultrasonik berkuasa rendah kebanyakannya digunakan untuk pengesanan. Ia mempunyai banyak struktur yang berbeza, yang boleh dibahagikan kepada kuar lurus (gelombang membujur), kuar serong (gelombang ricih), kuar gelombang permukaan (gelombang permukaan), kuar gelombang Lamb (gelombang Lamb), kuar berganda (satu refleksi kuar, satu penerimaan kuar) tunggu.

Teras sebuah transduser tahap ultrasound ialah seramik piezoelektrik dalam jaket plastik atau logamnya. Terdapat pelbagai jenis bahan yang membentuk wafer. Saiz cip, seperti diameter dan ketebalan, juga berbeza, jadi prestasi setiap probe adalah berbeza, dan kita mesti mengetahui prestasinya terlebih dahulu sebelum menggunakannya. Penunjuk prestasi utama sensor ultrasonik termasuk:

(1) Kekerapan bekerja. Kekerapan operasi transduser jarak ultrasonik ialah kekerapan resonans kristal seramik piezoelektrik. Apabila frekuensi voltan AC yang digunakan pada dua hujungnya adalah sama dengan frekuensi resonans cip, tenaga keluaran adalah yang terbesar dan kepekaan adalah yang tertinggi.

(2) Suhu kerja. Oleh kerana titik curie bahan piezoelektrik secara amnya agak tinggi, terutamanya apabila kuasa probe ultrasonik piezoelektrik untuk diagnosis adalah agak kecil, suhu kerja adalah agak rendah, dan ia boleh berfungsi untuk masa yang lama tanpa kegagalan. Suhu probe ultrasonik yang digunakan dalam rawatan perubatan adalah agak tinggi, dan peranti penyejukan yang berasingan diperlukan.

(3) Sensitiviti. Banyak bergantung pada pembuatan wafer itu sendiri. Lebih besar pekali gandingan elektromekanikal, lebih tinggi sensitiviti; jika tidak, semakin rendah sensitiviti.

Struktur dan prinsip kerja

Apabila voltan dikenakan pada transduser seramik piezoelektrik , ubah bentuk mekanikal akan berlaku dengan perubahan voltan dan kekerapan. Sebaliknya, apabila seramik piezoelektrik digetarkan, cas elektrik terhasil. Dengan menggunakan prinsip ini, apabila isyarat elektrik digunakan pada penggetar yang terdiri daripada dua seramik piezoelektrik atau seramik piezoelektrik dan kepingan logam, yang dipanggil unsur bimorph, gelombang ultrasonik akan dipancarkan akibat getaran lentur. Sebaliknya, apabila getaran ultrasonik digunakan pada elemen bimorph, isyarat elektrik dijana. Berdasarkan kesan di atas, seramik piezoelektrik boleh digunakan sebagai penderia ultrasonik.

Seperti transduser ultrasonik, penggetar komposit dipasang secara fleksibel pada pangkalan. Penggetar komposit ialah gabungan resonator dan penggetar elemen bimorf yang terdiri daripada plat logam dan plat seramik piezoelektrik. Resonator adalah dalam bentuk sangkakala, tujuannya adalah untuk memancarkan gelombang ultrasonik yang dihasilkan oleh getaran dengan berkesan, dan untuk memfokuskan gelombang ultrasonik dengan berkesan pada bahagian paling penting dalam penggetar.

Transduser ultrasonik untuk kegunaan luar mesti mempunyai pengedap yang baik untuk mengelakkan pencerobohan embun, hujan dan habuk. Seramik piezoelektrik dipasang pada bahagian dalam bahagian atas kotak logam. Pangkalan dipasang pada hujung kotak yang terbuka dan ditutup dengan resin. Untuk penderia ultrasonik yang digunakan dalam robot industri, ketebalannya diperlukan untuk mencapai 1mm, dan ia mempunyai sinaran ultrasonik yang kuat.

Adalah mustahil untuk mencapai ini pada frekuensi yang lebih tinggi daripada 70kHz menggunakan getaran lentur penggetar elemen bimorph konvensional. Oleh itu, dalam pengesanan frekuensi tinggi, seramik piezoelektrik dengan mod getaran ketebalan menegak mesti digunakan. Dalam kes ini, pemadanan impedans akustik seramik piezoelektrik dan udara menjadi sangat penting. Impedans akustik seramik piezoelektrik ialah 2.6×107kg/m2s, manakala impedans akustik udara ialah 4.3×102kg/m2s. Perbezaan kuasa 5 membawa kepada kerugian yang besar pada permukaan pancaran bergetar piezoceramic. Bahan khas yang melekat pada seramik piezoelektrik bertindak sebagai lapisan padanan akustik, sepadan dengan galangan akustik udara. Struktur ini boleh membolehkan penderia ultrasonik berfungsi secara normal walaupun frekuensinya setinggi ratusan kHz.