Technisch principe en toepassing van ultrasone bereiktransducer

         Technisch principe en toepassing van ultrasone bereiktransducer

Ultrasone transducers zijn sensoren die zijn ontwikkeld met behulp van de kenmerken van ultrasone golven. Ultrageluid is een mechanische golf met een trillingsfrequentie die hoger is dan die van geluidsgolven, die wordt gegenereerd door de trilling van de transducerchip onder excitatie van spanning. Het heeft een hoge frequentie, een korte golflengte, een klein diffractiefenomeen, vooral een goede directionaliteit, en kan worden georiënteerd als kenmerken van de verspreiding van stralen. Ultrageluid heeft een groot doordringend vermogen bij vloeistoffen en vaste stoffen, vooral bij vaste stoffen die ondoorzichtig zijn voor zonlicht kan het doordringen tot een diepte van tientallen meters. Ultrasone golven zullen aanzienlijke reflecties produceren wanneer ze onzuiverheden of interfaces tegenkomen die echo's vormen, en wanneer ze bewegende objecten tegenkomen, zullen ze Doppler-effecten veroorzaken. Daarom wordt ultrasone detectie veel gebruikt in de industrie, de nationale defensie, de biogeneeskunde, enz. Ultrasone transducer voor afstand wordt gebruikt als detectiemethode en er moeten ultrasone golven worden gegenereerd en ontvangen. Het apparaat dat deze functie voltooit, is een ultrasone sensor, die gewoonlijk een medisch apparaat of een ultrasone sonde wordt genoemd.

De ultrasone transducersonde bestaat voornamelijk uit piëzo-elektrisch keramiek, dat zowel ultrasone golven kan verzenden als ontvangen. Voor detectie worden meestal ultrasone sondes met een laag vermogen gebruikt. Het heeft veel verschillende structuren, die kunnen worden onderverdeeld in een rechte sonde (longitudinale golf), schuine sonde (afschuifgolf), oppervlaktegolfsonde (oppervlaktegolf), Lamb-golfsonde (Lamb-golf), dubbele sonde (één sondereflectie, één sonde-ontvangst) wachten.

De kern van een ultrasone niveautransducer is een piëzo-elektrisch keramiek in zijn plastic of metalen omhulsel. Er zijn veel soorten materialen waaruit de wafel bestaat. De grootte van de chip, zoals diameter en dikte, is ook verschillend, dus de prestaties van elke sonde zijn anders, en we moeten de prestaties ervan vooraf kennen voordat we deze gebruiken. De belangrijkste prestatie-indicatoren van ultrasone sensoren zijn onder meer:

(1) Werkfrequentie. De werkfrequentie van de ultrasone afstandstransducer is de resonantiefrequentie van het piëzo-elektrische keramische kristal. Wanneer de frequentie van de wisselspanning die aan de twee uiteinden wordt aangelegd gelijk is aan de resonantiefrequentie van de chip, is de uitgangsenergie het grootst en de gevoeligheid het hoogst.

(2) Werktemperatuur. Omdat het curiepunt van het piëzo-elektrische materiaal over het algemeen relatief hoog is, vooral als het vermogen van het piëzo-elektrische materiaal hoog is piëzo-elektrische ultrasone sonde voor diagnose is relatief klein, de werktemperatuur is relatief laag en kan lange tijd zonder problemen werken. De temperatuur van de ultrasone sonde die bij de medische behandeling wordt gebruikt, is relatief hoog en er is een afzonderlijk koelapparaat vereist.

(3) Gevoeligheid. Veel hangt af van het maken van de wafel zelf. Hoe groter de elektromechanische koppelingscoëfficiënt, hoe hoger de gevoeligheid; anders, hoe lager de gevoeligheid.

Structuur en werkingsprincipe

Wanneer er spanning op wordt gezet piëzo-elektrische keramische transducer , mechanische vervorming zal optreden bij veranderingen in spanning en frequentie. Aan de andere kant, wanneer het piëzo-elektrische keramiek wordt getrild, wordt er een elektrische lading gegenereerd. Door gebruik te maken van dit principe zullen, wanneer een elektrisch signaal wordt toegepast op een vibrator die is samengesteld uit twee piëzo-elektrische keramieken of een piëzo-elektrische keramiek en een metalen plaat, het zogenaamde bimorfe element, ultrasone golven worden uitgezonden als gevolg van buigtrilling. In plaats daarvan wordt, wanneer ultrasone trillingen op het bimorfe element worden toegepast, een elektrisch signaal gegenereerd. Op basis van de bovenstaande effecten kan piëzo-elektrische keramiek worden gebruikt als ultrasone sensoren.

Net als een ultrasone transducer is een composietvibrator flexibel op de basis bevestigd. De composietvibrator is een combinatie van een resonator en een bimorfe elementvibrator bestaande uit een metalen plaat en een piëzo-elektrische keramische plaat. De resonator heeft de vorm van een trompet, het doel is om de door trillingen gegenereerde ultrasone golven effectief uit te stralen en de ultrasone golven effectief te concentreren op het belangrijkste deel van de vibrator.

Ultrasone transducers voor gebruik buitenshuis moeten een goede afdichting hebben om het binnendringen van dauw, regen en stof te voorkomen. Piëzo-elektrisch keramiek is aan de binnenkant van de bovenkant van de metalen doos bevestigd. De basis is bevestigd aan het open uiteinde van de doos en bedekt met hars. Voor ultrasone sensoren die in industriële robots worden gebruikt, moet de dikte 1 mm bedragen en is er sprake van sterke ultrasone straling.

Het is onmogelijk om dit te bereiken bij frequenties hoger dan 70 kHz met behulp van de buigtrilling van een conventionele bimorfe elementvibrator. Daarom moet bij hoogfrequente detectie piëzo-elektrische keramiek met verticale trillingsmodus worden gebruikt. In dit geval wordt het afstemmen van de akoestische impedantie van piëzo-elektrische keramiek en lucht erg belangrijk. De akoestische impedantie van piëzo-elektrisch keramiek is 2,6×107kg/m2s, terwijl de akoestische impedantie van lucht 4,3×102kg/m2s bedraagt. Vermogensverschillen van 5 leiden tot aanzienlijke verliezen aan het piëzokeramische trillende stralingsoppervlak. Een speciaal materiaal dat aan het piëzo-elektrische keramiek is gehecht, fungeert als een akoestische bijpassende laag, passend bij de akoestische impedantie van lucht. Dankzij deze structuur kan de ultrasone sensor normaal werken, zelfs als de frequentie wel honderden kHz bedraagt.