Teknisk princip och tillämpning av ultraljudsavståndsgivare

         Teknisk princip och tillämpning av ultraljudsavståndsgivare

Ultraljudsgivare är sensorer utvecklade med hjälp av egenskaperna hos ultraljudsvågor. Ultraljud är en mekanisk våg med en vibrationsfrekvens som är högre än den för ljudvågor, som genereras av vibrationen från givarchippet under excitation av spänning. Den har hög frekvens, kort våglängd, litet diffraktionsfenomen, särskilt bra riktningsförmåga, och kan orienteras som strålspridningsegenskaper. Ultraljud har en stor penetreringsförmåga till vätskor och fasta ämnen, speciellt i fasta ämnen som är ogenomskinliga för solljus, det kan penetrera till tiotals meters djup. Ultraljudsvågor kommer att producera betydande reflektioner när de möter föroreningar eller gränssnitt för att bilda ekon, och när de möter rörliga föremål kommer de att producera Doppler-effekter. Därför används ultraljudsdetektering i stor utsträckning inom industri, nationellt försvar, biomedicin, etc. Ultraljudsgivare för avstånd används som detekteringsmetod och ultraljudsvågor måste genereras och tas emot. Enheten som slutför denna funktion är en ultraljudssensor, som vanligtvis kallas en medicinsk anordning, eller en ultraljudssond.

De ultraljudsgivarens sond består huvudsakligen av piezoelektrisk keramik, som både kan sända och ta emot ultraljudsvågor. Ultraljudssonder med låg effekt används mest för detektion. Den har många olika strukturer, som kan delas in i rak sond (längdvåg), sned sond (skjuvvåg), ytvågssond (ytvåg), lammvågssond (lamvåg), dubbelsond (en sondreflektion, en sondmottagning) vänta.

Kärnan i en ultraljudsnivågivare är en piezoelektrisk keramik i sin plast- eller metallmantel. Det finns många typer av material som utgör wafern. Storleken på chippet, såsom diameter och tjocklek, är också olika, så prestandan för varje sond är olika, och vi måste veta dess prestanda i förväg innan vi använder den. De viktigaste prestandaindikatorerna för ultraljudssensorer inkluderar:

(1) Arbetsfrekvens. Driftsfrekvensen för ultraljudsavståndsgivaren är resonansfrekvensen för den piezoelektriska keramiska kristallen. När frekvensen för växelspänningen som appliceras på dess två ändar är lika med chipets resonansfrekvens, är utenergin störst och känsligheten högst.

(2) Arbetstemperatur. Eftersom curie-punkten för det piezoelektriska materialet i allmänhet är relativt hög, särskilt när kraften hos den piezoelektrisk ultraljudssond för diagnos är relativt liten, arbetstemperaturen är relativt låg och den kan fungera under lång tid utan att misslyckas. Temperaturen på ultraljudssonden som används i den medicinska behandlingen är relativt hög och en separat kylanordning krävs.

(3) Känslighet. Mycket beror på att göra själva wafern. Ju högre elektromekanisk kopplingskoefficient, desto högre känslighet; annars desto lägre känslighet.

Struktur och arbetsprincip

När spänning läggs på piezoelektrisk keramisk omvandlare , mekanisk deformation kommer att inträffa med förändringar i spänning och frekvens. Å andra sidan, när den piezoelektriska keramen vibreras, genereras en elektrisk laddning. Genom att använda denna princip, när en elektrisk signal appliceras på en vibrator som består av två piezoelektriska keramer eller en piezoelektrisk keramik och en metallplåt, det så kallade bimorfa elementet, kommer ultraljudsvågor att sändas ut på grund av böjningsvibrationer. Istället, när ultraljudsvibrationer appliceras på det bimorfa elementet, genereras en elektrisk signal. Baserat på ovanstående effekter kan piezoelektrisk keramik användas som ultraljudssensorer.

Liksom en ultraljudsgivare är en kompositvibrator flexibelt fixerad på basen. Kompositvibratorn är en kombination av en resonator och en bimorf elementvibrator bestående av en metallplatta och en piezoelektrisk keramisk platta. Resonatorn är i form av en trumpet, syftet är att effektivt utstråla ultraljudsvågorna som genereras av vibrationer, och att effektivt fokusera ultraljudsvågorna på den viktigaste delen av vibratorn.

Ultraljudsgivare för utomhusbruk måste ha god tätning för att förhindra inträngning av dagg, regn och damm. Piezoelektrisk keramik är fäst på insidan av toppen av metalllådan. Basen är fäst vid den öppna änden av lådan och täckt med harts. För ultraljudssensorer som används i industrirobotar krävs att tjockleken når 1 mm, och den har stark ultraljudsstrålning.

Det är omöjligt att uppnå detta vid frekvenser högre än 70 kHz med hjälp av böjningsvibrationer från en konventionell bimorfa elementvibrator. Därför, vid högfrekvensdetektering, måste piezoelektrisk keramik med vertikal tjocklek vibrationsläge användas. I detta fall blir matchningen av den akustiska impedansen för piezoelektrisk keramik och luft mycket viktig. Den akustiska impedansen för piezoelektrisk keramik är 2,6×107 kg/m2s, medan den akustiska impedansen för luft är 4,3×102kg/m2s. Effektskillnader på 5 leder till betydande förluster vid den piezokeramiska vibrerande strålningsytan. Ett speciellt material som fästs på den piezoelektriska keramiken fungerar som ett akustiskt matchande lager, som matchar luftens akustiska impedans. Denna struktur kan göra det möjligt för ultraljudssensorn att fungera normalt även när frekvensen är så hög som hundratals kHz.