Точные ультразвуковые преобразователи: схемы для точного обнаружения объектов

Хотели измерить расстояние до объекта? Ультразвуковой датчик с преобразователем решает эту задачу. Электронные схемы генерируют ультразвук (>20 кГц), измеряя время распространения отражённого сигнала. Это основа роботизированной навигации, а также применяется в промышленности, медицине, автоматизации.

Статья знакомит с принципами, схемами и типами ультразвуковых преобразователей.

Что такое ультразвуковой преобразователь?

Преобразователь — звуковой сенсор, превращающий электрическую энергию в ультразвуковую и обратно. Излучает импульс, принимает эхо, измеряет время задержки — определяет расстояние. Частота >20 кГц (обычно 40 кГц).

Источник: Wikimedia Commons

Обнаруживает металлы, не металлы, прозрачные, цветные объекты, жидкости, твёрдые тела, мелкодисперсные вещества.

Источник: Wikimedia Commons

Структура: подложка (backing), износостойкая пластина (wear plate), активный элемент (пьезокерамика/кристалл). Пьезоэлемент преобразует электричество в ультразвук и обратно. В составе: приёмник, передатчик, питание, управление. Передатчик — 15-мм керамический вибратор. Работа аналогична ультразвуковому динамику и микрофону.

Диагностические преобразователи работают при низкой температуре (высокая точка Кюри пьезокерамики), потребляют мало энергии, долговечны. Медицинские — при высоких температурах, требуют охлаждения.

Принцип работы

Электрический сигнал → генерация звуковой волны → отражение от объекта → приём эхо → преобразование в электрический сигнал → измерение времени Δt.

Формула расстояния: D = ½ × T × C, где D — расстояние, T — время туда-обратно, C — скорость звука.

Преимущество над ИК-сенсорами: нечувствительность к чёрным материалам, дыму, солнцу, флуоресцентному свету, пыли. Отличное подавление шумов. Помехи создают только резкие перепады температуры.

Схема ультразвукового преобразователя (передатчик)

Компоненты:

• ИМС 555 — 1 шт.
• Транзистор 2N2222 — 1 шт.
• Ультразвуковой преобразователь — 1 шт.
• Резисторы: 1 кОм (2 шт.), 2 кОм, 5 кОм
• Конденсаторы: 0,01 мкФ, 3,3 нФ

Принцип работы:

Источник: Wikimedia Commons

ИМС 555 в астабильном режиме генерирует прямоугольные импульсы 40 кГц. Частота: F = 1.44 / ((R2 + 2×R1) × C2). R1, R2, R3 настраивают точную частоту.

Преобразователь с пьезокристаллами преобразует импульсы в ультразвук. Кристаллы меняют размер под напряжением, генерируя высокочастотные волны. Транзистор 2N2222 усиливает ток для питания преобразователя. Для большей стабильности можно использовать кварцевый генератор вместо 555.

Типы ультразвуковых преобразователей

• Линейный (Linear): пьезокристаллы в линейной решётке.
• Фазированная решётка (Phased Array): компактный, частоты 2–7 МГц.
• Стандартный (Convex/Normal): изогнутый пьезокристалл, для обширных зон контроля.

Также: задержки (delay line), контактные, двухэлементные, иммерсионные, угловые — для неразрушающего контроля (NDT).

Применение

• Медицина: диагностика, онкология, кардиология, офтальмология, исследование органов.
• Обнаружение объектов и измерение расстояний.
• Автоматизация, инвентаризация, выявление микродефектов.
• Измерение уровня и расхода жидкостей.
• Биомедицина, энергетика, контроль уровня, управление производственными линиями, детектирование обрывов проводов.

Источник: Wikimedia Commons

Источник: Wikimedia Commons

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Обнаружение веществ любого агрегатного состояния и материалов.
• Независимость от температуры, пыли, влаги.
• Работа в любых подходящих условиях.
• Высокие интервалы чувствительности.

Недостатки:

• Дрифт показаний при непредсказуемых температурных переходах.
• Высокая чувствительность к резким перепадам температуры.
• Слабая детекция малых целей (тонкие/мягкие объекты плохо отражают ультразвук).

Итоги

Ультразвуковые преобразователи — надёжный инструмент для избегания препятствий роботами и точных измерений. Экологические факторы (пыль, свет, вода) не блокируют ультразвук. Компонент работает стабильно длительное время.

Есть вопросы? Свяжитесь с нами!