Ultradźwiękowy przetwornik pomiaru odległości

Częstotliwość ultradźwiękowy czujnik przetwornika , który ludzie słyszą, to 20 Hz ~ 2 kHz, czyli słyszalne fale dźwiękowe. Dźwięki wykraczające poza ten zakres częstotliwości, ultradźwięki poniżej 20 Hz nazywane są falami dźwiękowymi o niskiej częstotliwości, a ultradźwięki powyżej 20 kHz nazywane są ultradźwiękami ( ultradźwiękami ), a częstotliwość ogólnie rzecz biorąc .wynosi 10 Hz-8 KHz. Ultrasound ma dobrą kierunkowość, silną zdolność penetracji, łatwo uzyskać skoncentrowaną energię dźwiękową i ma dużą odległość w wodzie. Nazwa ultradźwięków wynika z tego, że ich dolna granica częstotliwości jest w przybliżeniu równa górnej granicy ludzkiego słuchu.

 

Rozkład częstotliwości ultradźwiękowej

Fale ultradźwiękowe mogą rozchodzić się w gazach, cieczach i ciałach stałych z różnymi prędkościami. Kształt fali fal ultradźwiękowych rozchodzących się w ośrodku zależy od rodzaju siły, jaką ośrodek może wytrzymać oraz od sposobu wzbudzania w ośrodku fal ultradźwiękowych.

 

Zwykle istnieją trzy typy:

(1) Typ fali podłużnej

Gdy kierunek drgań cząstek w ośrodku jest zgodny z kierunkiem propagacji fali ultradźwiękowej, fala ultradźwiękowa znajduje się w trybie fali podłużnej. Każde medium stałe może wytwarzać fale podłużne, gdy jego objętość zmienia się naprzemiennie. Zastosowanie w przemyśle obejmuje głównie oscylacje wzdłużne.

(2) Typ fali poprzecznej

Jeżeli kierunek drgań cząstki w ośrodku jest prostopadły do ​​kierunku propagacji fali ultradźwiękowej, fala ultradźwiękowa jest falą poprzeczną. Ponieważ ośrodek stały może wytrzymać odkształcenie ścinające oprócz odkształcenia objętościowego, fale ścinające mogą być generowane, gdy siła ścinająca działa naprzemiennie na ośrodek stały. Fale poprzeczne mogą rozchodzić się tylko w ośrodkach stałych.

 

(3) Tryb fali powierzchniowej

Jest to fala o podwójnych właściwościach: fali podłużnej i fali poprzecznej, rozchodzącej się po powierzchni ciała stałego. Falę powierzchniową można uznać za syntezę fal podłużnych równoległych do powierzchni i fal poprzecznych prostopadłych do powierzchni. Trajektoria wibrującej cząstki jest elipsą. Amplituda jest największa na głębokości 1/4 długości fali od powierzchni i szybko maleje wraz ze wzrostem głębokości . W rzeczywistości amplituda drgań cząstek jest już bardzo słaba, gdy są one oddalone od powierzchni o więcej niż jedną długość fali. Ponadto fale ultradźwiękowe mają również zjawiska załamania i odbicia, a . podczas propagacji ulegają tłumieniu Ultradźwięki rozchodzą się w powietrzu, a ich częstotliwość jest niska, zwykle rzędu kilkudziesięciu kHz, natomiast w przypadku  substancji  stałych i płynnych częstotliwość może być wyższa. Tłumi się szybciej w powietrzu, ale rozprzestrzenia się w cieczach i ciałach stałych z mniejszym tłumieniem i dalszą propagacją.

Wykorzystując właściwości ultradźwiękowy czujnik zasięgu , można go przekształcić w różne czujniki ultradźwiękowe, połączone z różnymi obwodami i w różne ultradźwiękowe przyrządy i urządzenia pomiarowe, które mogą być używane do pomiaru odległości, pomiaru prędkości, czyszczenia, spawania, żwiru, sterylizacji itp. oraz w komunikacji, medycynie , sprzęcie AGD, wojsku, przemyśle, rolnictwie i innych aspektach są szeroko stosowane. Istnieje wiele metod generowania fal ultradźwiękowych, powszechnie stosowane to metoda efektu piezoelektrycznego, metoda efektu magnetostrykcyjnego, metoda efektu elektrostatycznego i metoda efektu elektromagnetycznego. Po przyłożeniu krótkiego impulsu napięcia do dwóch biegunów płytki piezoelektrycznej, w wyniku odwrotnego efektu piezoelektrycznego, płytka piezoceramiczna ulegnie odkształceniu sprężystemu i wytworzy sprężyste oscylacje. Częstotliwość oscylacji jest powiązana z grubością płytki i prędkością dźwięku. Odpowiednio dobierając grubość płytki można uzyskać fale sprężyste w zakresie częstotliwości ultradźwiękowych, czyli fale ultradźwiękowe. Emitowany jest w ten sposób pakiet fal ultradźwiękowych, zwany potocznie falą impulsową.

 

Ultradźwiękowy  przetwornik odległości

Ultradźwiękowy pomiaru odległości czujnik jest stosowany głównie w radarach cofania samochodów, automatycznym omijaniu przeszkód przez roboty, na placach budowy i w niektórych obiektach przemysłowych, takich jak  poziom cieczy, głębokość studni, długość rurociągu i przy innych okazjach. Obecnie istnieją dwa powszechnie stosowane ultradźwiękowe przetworniki odległości.  Jeden to ultradźwiękowy przetwornik odległości  oparty na jednoukładowym lub wbudowanym urządzeniu, a drugi to ultradźwiękowy system ustalania odległości oparty na CPLD (Complex Programmable Logic Device). W eksperymencie wykorzystano kilka schematów, wykorzystując  oprogramowanie wbudowanego urządzenia do wygenerowania fali prostokątnej o częstotliwości  przetwornika 40 kHz  , która została wzmocniona przez obwód napędowy nadawcy, aby wprawić koniec nadawczy czujnika ultradźwiękowego w drgania i emitować fale ultradźwiękowe. Fala ultradźwiękowa jest odbijana przez nadajnik, odbierana przez stronę odbiorczą czujnika, a następnie wzmacniana i kształtowana przez obwód odbiorczy. Ultradźwiękowy  przetwornik odległości  z wbudowanym mikrordzeniowym rejestruje czas emisji ultradźwiękowej i czas odbicia fali przez wbudowane urządzenia. Kiedy odbita fala ultradźwiękowa zostanie odebrana, przeskok . na wyjściu obwodu odbiorczego następuje Licząc czas i obliczając różnicę czasu, można obliczyć odpowiednią odległość.

 

Zasada ultradźwiękowego ​ pomiarowegoprzetwornika  działania

Zasada działania ultradźwiękowego  przetwornika odległości polega na wykorzystaniu znanej prędkości propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu do pomiaru czasu potrzebnego falom dźwiękowym na napotkanie przeszkody i odbiciu się po ich emisji oraz do obliczenia rzeczywistej odległości od punktu emisji do przeszkody na podstawie różnicy czasu między emisją a odbiorem. Po pierwsze, przetwornik ultradźwiękowy emituje fale ultradźwiękowe w określonym kierunku i rozpoczyna odmierzanie czasu w tym samym czasie, co czas emisji. Fale ultradźwiękowe rozchodzą się w powietrzu i natychmiast powracają w przypadku napotkania na swojej drodze przeszkody, a odbiornik ultradźwiękowy przestaje odmierzać czas natychmiast po odebraniu odbitych fal. Prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu wynosi C=340m/s. Na podstawie zarejestrowanego przez licznik czasu T sekund można obliczyć odległość L pomiędzy punktem emisji a przeszkodą, czyli: L= C×T /2. Jest to tak zwana metoda wyznaczania odległości różnicy czasu. Ponieważ ultradźwięki  są również rodzajem fali dźwiękowej, prędkość dźwięku C jest powiązana z temperaturą. Tabela 1 przedstawia prędkość dźwięku w kilku różnych temperaturach. W trakcie użytkowania, jeśli temperatura nie zmienia się zbytnio, można uznać, że prędkość dźwięku jest w zasadzie stała. Jeżeli dokładność pomiaru odległości jest bardzo duża, należy ją skorygować kompensacją temperatury.

 

Zależność prędkości fali ultradźwiękowej od temperatury

Ze względu na zalety łatwej kierunkowej emisji fal ultradźwiękowych, dobrą kierunkowość, łatwą kontrolę natężenia oraz brak konieczności bezpośredniego kontaktu z mierzonym obiektem, jest idealnym wyborem do pomiaru odległości cofania. Ultradźwięki rozchodzą się w linii prostej. Im wyższa częstotliwość, tym słabsza zdolność dyfrakcyjna, ale silniejsza zdolność odbicia. Dlatego, Formę czujników ultradźwiękowych można wykonać, wykorzystując tę ​​właściwość fal ultradźwiękowych. Ponadto fale ultradźwiękowe przemieszczają się w powietrzu powoli, co ułatwia korzystanie z czujników ultradźwiękowych. Czujniki 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. . Jako metodę detekcji wykorzystuje się ultradźwięki, a fale ultradźwiękowe muszą być generowane i odbierane Urządzeniem spełniającym tę funkcję jest czujnik ultradźwiękowy, który potocznie nazywany jest przetwornikiem ultradźwiękowym lub sondą ultradźwiękową.

 

Czujnik ultradźwiękowy składa się głównie z wibratora bimorficznego, stożkowej płyty rezonansowej i elektrod. Po przyłożeniu określonego napięcia pomiędzy dwiema elektrodami następuje piezoelektryczna ceramiczna Płytka zostanie ściśnięta, powodując odkształcenie mechaniczne, a płytka piezoelektryczna powróci do swojego pierwotnego kształtu po odłączeniu napięcia. Jeśli między dwa bieguny zostanie przyłożone napięcie o określonej częstotliwości, ceramika piezoelektryczna  również będzie wibrować z określoną częstotliwością. Badano, że częstotliwość własna tego typu przetwornika piezoelektrycznego wynosi 38,4 kHz, a  sygnał impulsowy o fali prostokątnej o częstotliwości 40 kHz .  przetwornika przykładany jest  do dwóch biegunów W tym momencie chip piezoelektryczny rezonuje i emituje fale ultradźwiękowe. W ten sam sposób czujnik ultradźwiękowy bez zewnętrznego sygnału impulsowego będzie również rezonował, gdy płyta rezonansowa odbierze fale ultradźwiękowe, a pomiędzy dwoma biegunami zostanie wygenerowany sygnał elektryczny. Sonda ultradźwiękowa składa się głównie z płytek piezoelektrycznych, które mogą zarówno transmitować, jak i odbierać fale ultradźwiękowe. ultradźwiękowe małej mocy . przetworniki Do detekcji wykorzystuje się najczęściej 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.