Zasada techniczna i zastosowanie ultradźwiękowego przetwornika zakresu

         Zasada techniczna i zastosowanie ultradźwiękowego przetwornika zakresu

Przetworniki ultradźwiękowe to czujniki opracowane w oparciu o charakterystykę fal ultradźwiękowych. Ultradźwięki to fala mechaniczna o częstotliwości drgań wyższej niż fale dźwiękowe, która powstaje w wyniku drgań chipa przetwornika pod wpływem wzbudzenia napięciem. Ma wysoką częstotliwość, krótką długość fali, małe zjawisko dyfrakcyjne, szczególnie dobrą kierunkowość i może być zorientowany jako charakterystyka rozprzestrzeniania się promieni. Ultradźwięki mają dużą zdolność przenikania do cieczy i ciał stałych, szczególnie do ciał stałych nieprzezroczystych dla światła słonecznego, mogą przenikać na głębokość kilkudziesięciu metrów. Fale ultradźwiękowe będą wytwarzać znaczne odbicia, gdy napotkają zanieczyszczenia lub interfejsy tworzące echa, a gdy napotkają poruszające się obiekty, wywołają efekty Dopplera. Dlatego detekcja ultradźwiękowa znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle, obronie narodowej, biomedycynie itp. ultradźwiękowy przetwornik odległości , a fale ultradźwiękowe muszą być generowane i odbierane. Jako metodę wykrywania stosuje się Urządzeniem uzupełniającym tę funkcję jest czujnik ultradźwiękowy, który potocznie nazywany jest wyrobem medycznym, lub sondą ultradźwiękową.

The Sonda przetwornika ultradźwiękowego składa się głównie z ceramiki piezoelektrycznej, która może zarówno transmitować, jak i odbierać fale ultradźwiękowe. Do wykrywania wykorzystuje się najczęściej sondy ultradźwiękowe małej mocy. Ma wiele różnych struktur, które można podzielić na sondę prostą (fala podłużna), sondę ukośną (fala poprzeczna), sondę z falą powierzchniową (fala powierzchniowa), sondę z falą Lamba (fala Lamb), sondę podwójną (jedno odbicie sondy, jeden odbiór sondy) czekaj.

Rdzeń ultradźwiękowy przetwornik poziomu to ceramika piezoelektryczna w płaszczu z tworzywa sztucznego lub metalu. Istnieje wiele rodzajów materiałów, z których składa się wafel. Rozmiar chipa, taki jak średnica i grubość, jest również inny, więc wydajność każdej sondy jest inna i przed jej użyciem musimy znać jej działanie. Główne wskaźniki wydajności czujników ultradźwiękowych obejmują:

(1) Częstotliwość robocza. Częstotliwość robocza ultradźwiękowego przetwornika odległości jest częstotliwością rezonansową kryształu ceramiki piezoelektrycznej. Kiedy częstotliwość napięcia przemiennego przyłożonego do jego dwóch końców jest równa częstotliwości rezonansowej chipa, energia wyjściowa jest największa, a czułość najwyższa.

(2) Temperatura robocza. Ponieważ punkt Curie materiału piezoelektrycznego jest ogólnie stosunkowo wysoki, szczególnie gdy moc piezoelektryczna sonda ultradźwiękowa do diagnostyki jest stosunkowo niewielka, temperatura pracy jest stosunkowo niska i może pracować przez długi czas bezawaryjnie. Temperatura sondy ultradźwiękowej stosowanej w leczeniu jest stosunkowo wysoka i wymagane jest osobne urządzenie chłodzące.

(3) Wrażliwość. Wiele zależy od samego wykonania wafla. Im większy współczynnik sprzężenia elektromechanicznego, tym wyższa czułość; w przeciwnym razie tym niższa czułość.

Struktura i zasada działania

Po przyłożeniu napięcia piezoelektrycznego przetwornika ceramicznego , odkształcenie mechaniczne nastąpi wraz ze zmianami napięcia i częstotliwości. Z drugiej strony, gdy ceramika piezoelektryczna jest wibrowana, generowany jest ładunek elektryczny. Wykorzystując tę ​​zasadę, po przyłożeniu sygnału elektrycznego do wibratora składającego się z dwóch ceramiki piezoelektrycznej lub ceramiki piezoelektrycznej i blachy, tzw. elementu bimorficznego, w wyniku drgań zginających będą emitowane fale ultradźwiękowe. Zamiast tego, gdy do elementu bimorficznego zostaną przyłożone wibracje ultradźwiękowe, generowany jest sygnał elektryczny. Bazując na powyższych efektach, ceramikę piezoelektryczną można zastosować jako czujniki ultradźwiękowe.

Podobnie jak przetwornik ultradźwiękowy, wibrator kompozytowy jest elastycznie zamocowany na podstawie. Wibrator kompozytowy jest połączeniem rezonatora i wibratora z elementem bimorficznym składającym się z metalowej płyty i piezoelektrycznej płyty ceramicznej. Rezonator ma kształt trąbki, a jego zadaniem jest skuteczne wypromieniowanie fal ultradźwiękowych generowanych przez wibracje oraz skuteczne skupienie fal ultradźwiękowych na najważniejszej części wibratora.

Przetwornik ultradźwiękowy do użytku na zewnątrz musi mieć dobre uszczelnienie, aby zapobiec przedostawaniu się rosy, deszczu i kurzu. Ceramika piezoelektryczna jest zamocowana po wewnętrznej stronie górnej części metalowej skrzynki. Podstawa jest przymocowana do otwartego końca pudełka i pokryta żywicą. W przypadku czujników ultradźwiękowych stosowanych w robotach przemysłowych grubość musi osiągnąć 1 mm i charakteryzuje się silnym promieniowaniem ultradźwiękowym.

Nie da się tego osiągnąć przy częstotliwościach wyższych niż 70 kHz przy użyciu drgań zginających konwencjonalnego wibratora z elementami bimorficznymi. Dlatego w detekcji wysokich częstotliwości należy stosować ceramikę piezoelektryczną z trybem wibracji o grubości pionowej. W tym przypadku bardzo ważne staje się dopasowanie impedancji akustycznej ceramiki piezoelektrycznej i powietrza. Impedancja akustyczna ceramiki piezoelektrycznej wynosi 2,6×107kg/m2s, natomiast impedancja akustyczna powietrza wynosi 4,3×102kg/m2s. Różnice mocy wynoszące 5 prowadzą do znacznych strat na piezoceramicznej wibrującej powierzchni promieniującej. Specjalny materiał przyklejony do ceramiki piezoelektrycznej działa jak akustyczna warstwa dopasowująca się do impedancji akustycznej powietrza. Taka konstrukcja umożliwia normalną pracę czujnika ultradźwiękowego nawet przy częstotliwości sięgającej setek kHz.