Ультразвуковий перетворювач відстані

Частота Датчик ультразвукового перетворювача , який люди чують, становить 20 Гц ~ 2 КГц, тобто чутні звукові хвилі. Звук за межами цього діапазону частот, ультразвук нижче 20 Гц, називається низькочастотною звуковою хвилею, а ультразвук вище 20 КГц називається ультразвуком ( u ltrasound), частота загального мовлення .Діапазон становить 10 Гц-8 КГц. u Ультразвук має хорошу спрямованість, сильну проникаючу здатність, легко отримати концентровану звукову енергію, і він має велику відстань у воді. Ультразвук отримав таку назву тому, що його нижня межа частоти приблизно дорівнює верхній межі слуху людини.

 

Ультразвуковий розподіл частот

Ультразвукові хвилі можуть поширюватися в газах, рідинах і твердих тілах з різною швидкістю. Форма ультразвукових хвиль, що поширюються в середовищі, залежить від того, яку силу може витримати середовище і як порушити ультразвукові хвилі на середовищі.

 

Зазвичай бувають трьох видів:

(1) Тип поздовжньої хвилі

Коли напрямок коливань частинок у середовищі узгоджується з напрямком поширення ультразвукової хвилі, ультразвукова хвиля перебуває в режимі поздовжньої хвилі. Будь-яке тверде середовище може створювати поздовжні хвилі при поперемінній зміні його об’єму. Застосування в промисловості в основному приймає поздовжнє коливання.

(2) Тип хвилі зсуву

Коли напрямок коливань частинки в середовищі перпендикулярний напрямку поширення ультразвукової хвилі, ультразвукова хвиля є поперечною. Оскільки тверде середовище може нести деформацію зсуву на додаток до об’ємної деформації, хвилі зсуву можуть генеруватися, коли сила зсуву по черзі діє на тверде середовище. Зсувні хвилі можуть поширюватися тільки в твердому середовищі.

 

(3) Режим поверхневої хвилі

Це хвиля з подвійними властивостями поздовжньої хвилі та поперечної хвилі, що поширюється вздовж твердої поверхні. Поверхневу хвилю можна розглядати як синтез поздовжніх хвиль, паралельних поверхні, і поперечних хвиль, перпендикулярних до поверхні. Траєкторія руху коливальної частинки є еліпсом. Амплітуда найсильніша на глибині 1/4 довжини хвилі від поверхні, і вона швидко слабшає зі збільшенням глибини . Насправді амплітуда коливань частинок вже дуже слабка, коли вони віддалені від поверхні більше ніж на одну довжину хвилі. Крім того, ультразвукові хвилі також мають явища заломлення та відбиття, і вони послаблюються під час поширення. Ультразвук поширюється в повітрі, і його частота низька, як правило, десятки кГц, тоді як у  твердому  та рідкому стані частота може бути вищою. Він швидше загасає в повітрі, але поширюється в рідинах і твердих тілах з меншим загасанням і поширюється далі.

Використовуючи характеристики Ультразвуковий датчик діапазону , з нього можна створити різні ультразвукові датчики, поєднані з різними схемами, а також різні ультразвукові вимірювальні прилади та пристрої, які можна використовувати для вимірювання відстані, вимірювання швидкості, очищення, зварювання, гравію, стерилізації тощо, а також широко використовуються у зв’язку, медицині , побутовій техніці, військовій справі, промисловості, сільському господарстві та інших аспектах. Існує багато методів, які можуть генерувати ультразвукові хвилі, зазвичай використовуються метод п’єзоелектричного ефекту, метод магнітострикційного ефекту, метод електростатичного ефекту та метод електромагнітного ефекту. Коли короткий імпульс напруги прикладається до двох полюсів п’єзоелектричної пластини, завдяки зворотному п’єзоелектричному ефекту п’єзокерамічна пластина зазнає пружної деформації та викличе пружні коливання. Частота коливань залежить від товщини пластини та швидкості звуку. При правильному підборі товщини пластини можна отримати пружні хвилі ультразвукового діапазону частот, тобто ультразвукові хвилі. Те, що випромінюється таким чином, є пакетом ультразвукових хвиль, який зазвичай називають пульсовою хвилею.

 

Ультразвуковий дальності датчик

Ультразвуковий датчик для вимірювання відстані в основному використовується в автомобільних радарах заднього ходу, роботах, що автоматично уникають перешкод, на будівельних майданчиках і деяких промислових об’єктах, таких як  рівень рідини, глибина свердловини, довжина трубопроводу та інші випадки. Наразі існує два широко використовуваних ультразвукових перетворювача дальності:  один — це ультразвуковий перетворювач дальності  на основі однокристального або вбудованого пристрою, а інший — ультразвукова система вимірювання дальності на основі CPLD (комплексного програмованого логічного пристрою). В експерименті було використано кілька схем із  використанням програмування вбудованого пристрою для генерування прямокутної хвилі з частотою 40 кГц  перетворювача  , яка посилювалася ланцюгом передавального приводу, щоб змусити передавальний кінець ультразвукового датчика коливатися та випромінювати ультразвукові хвилі. Ультразвукова хвиля відбивається назад передавачем, приймається приймальним кінцем датчика, а потім посилюється та формується приймальним контуром. Ультразвуковий вимірювальний  перетворювач  із вбудованим мікроядром реєструє час ультразвукового випромінювання та час відбитої хвилі через вбудоване обладнання. Коли приймається відбита ультразвукова хвиля, стрибок . на вихідному кінці приймального контуру відбувається Підрахувавши таймер і обчисливши різницю в часі, можна обчислити відповідну відстань.

 

Принцип ультразвукового ​ діапазонуперетворювача  роботи

Принцип ультразвукового вимірювального  перетворювача відстані полягає у використанні відомої швидкості поширення ультразвукових хвиль у повітрі для вимірювання часу, який потрібен звуковим хвилям, щоб зустріти перешкоди та відобразитися після їх випромінювання, а також для обчислення фактичної відстані від точки випромінювання до перешкоди на основі різниці в часі між випромінюванням і прийомом. Перш за все, перетворювач ультразвукового передавача випромінює ультразвукові хвилі в певному напрямку та починає відлік часу одночасно з часом випромінювання. Ультразвукові хвилі поширюються в повітрі і негайно повертаються , коли зустрічають перешкоди на шляху, а ультразвуковий приймач припиняє хронометраж відразу після отримання відбитих хвиль. Швидкість поширення ультразвукових хвиль у повітрі С=340м/с. Відповідно до часу T секунд, записаного таймером, можна розрахувати відстань L між точкою випромінювання та перешкодою, а саме: L= C×T /2. Це так званий метод ранжування різниці в часі. Оскільки ультразвук  також є різновидом звукової хвилі, його швидкість звуку C пов’язана з температурою. У таблиці 1 наведено швидкість звуку за кількох різних температур. Якщо під час використання температура не сильно змінюється, можна вважати, що швидкість звуку в основному постійна. Якщо точність вимірювання відстані дуже висока, її слід виправити за допомогою температурної компенсації.

 

Зв'язок між швидкістю ультразвукової хвилі та температурою

Завдяки перевагам легкого спрямованого випромінювання ультразвукових хвиль, гарної спрямованості, легкого контролю інтенсивності та відсутності необхідності прямого контакту з вимірюваним об’єктом, це ідеальний вибір для вимірювання відстані заднім ходом. Ультразвук поширюється прямолінійно. Чим вища частота, тим слабша дифракційна здатність, але сильніша відбиваюча здатність. тому Ультразвукові датчики можуть бути виготовлені з використанням цієї властивості ультразвукових хвиль. Крім того, ультразвукові хвилі повільно поширюються в повітрі, що спрощує використання ультразвукових датчиків. Ультразвукові датчики – це датчики, розроблені з використанням характеристик ультразвукових хвиль. Ультразвук — це механічна хвиля з частотою вібрації, вищою за частоту звукових хвиль, яка генерується вібрацією мікросхеми перетворювача під дією напруги. Він має високу частоту, коротку довжину хвилі, невелике явище дифракції, особливо хорошу спрямованість і може бути орієнтований як характеристики поширення променів. Ультразвук має велику проникаючу здатність до рідин і твердих тіл, особливо в твердих тілах, непрозорих для сонячного світла, він може проникати на глибину в десятки метрів. Ультразвукові хвилі створюють значні відбиття, коли вони стикаються з домішками або межами розділу, утворюючи відлуння, а коли вони стикаються з рухомими об’єктами, вони створюють ефект Доплера. Тому ультразвукове виявлення широко використовується в промисловості, національній обороні, біомедицині тощо. Ультразвук використовується як метод виявлення, а ультразвукові хвилі повинні генеруватися та прийматися. Пристроєм, який виконує цю функцію, є ультразвуковий датчик, який прийнято називати ультразвуковим перетворювачем або ультразвуковим зондом.

 

Ультразвуковий датчик в основному складається з біморфного вібратора, конічної резонансної пластини та електродів. Коли між двома електродами прикладається певна напруга, П'єзоелектрична керамічна пластина буде стиснута для отримання механічної деформації, і п'єзоелектрична пластина повернеться до своєї початкової форми після зняття напруги. Якщо подати напругу між двома полюсами з певною частотою, п’єзоелектрична кераміка  також буде вібрувати з певною частотою. Перевірено, що власна частота цього типу п'єзоелектричного перетворювача  становить 38,4 кГц, а імпульсний сигнал прямокутної форми з частотою 40 кГц  перетворювача  подається на два полюси. У цей час п'єзоелектричний чіп резонує і випромінює ультразвукові хвилі. Таким же чином ультразвуковий датчик без зовнішнього імпульсного сигналу також буде резонувати, коли резонансна пластина отримує ультразвукові хвилі, і електричний сигнал буде генеруватися між двома полюсами. Ультразвуковий зонд в основному складається з п’єзоелектричних пластин, які можуть як передавати, так і приймати ультразвукові хвилі. малої потужності . перетворювачі Для детекції в основному використовуються ультразвукові Він має багато різних структур, які можна розділити на прямий зонд (поздовжня хвиля), косий зонд (зсувна хвиля), зонд поверхневої хвилі (поверхнева хвиля), зонд хвилі Лемба (хвиля Лемба), подвійний зонд (один зонд відображення, один зонд прийом) очікування.