Un breve análisis del principio de funcionamiento de un sensor de distancia ultrasónico.

Ultrasónico sensor Los sensores ultrasónicos se desarrollan utilizando las características de las ondas ultrasónicas. El ultrasonido es una onda mecánica con una frecuencia de vibración mayor que la de las ondas sonoras. Se genera por la vibración del chip transductor bajo la excitación de un voltaje. Posee características como alta frecuencia, longitud de onda corta, baja difracción, buena direccionalidad y propagación direccional. El ultrasonido tiene un gran poder de penetración en líquidos y sólidos, especialmente en estos últimos, donde puede alcanzar profundidades de decenas de metros. Cuando la onda ultrasónica encuentra impurezas o interfaces, produce una reflexión significativa que genera una onda de retorno, y cuando encuentra un objeto en movimiento, produce el efecto Doppler. Por lo tanto, las pruebas ultrasónicas se utilizan ampliamente en la industria, la defensa nacional, la biomedicina, etc., como método de detección. Un dispositivo capaz de generar y recibir ondas ultrasónicas es un sensor ultrasónico, también conocido como transductor ultrasónico o sonda ultrasónica. La sonda ultrasónica está compuesta principalmente por obleas piezoeléctricas, que no solo pueden transmitir ondas ultrasónicas, sino también recibirlas. Las sondas ultrasónicas de baja potencia se utilizan principalmente para la detección. Tiene muchas estructuras diferentes, que se pueden dividir en sonda recta (onda longitudinal), sonda oblicua (onda transversal), sonda de onda superficial (onda superficial), sonda de onda de Lamb (onda de Lamb), sonda dual (una sonda de reflexión, una sonda de recepción) Wait. El núcleo de una sonda de ultrasonido es una oblea piezoeléctrica en su carcasa de plástico o metal. Los materiales que componen la oblea pueden ser de muchos tipos. Los tamaños de los elementos, como el diámetro y el espesor, también varían, por lo que el rendimiento de cada sonda es diferente. Los principales indicadores de rendimiento de los sensores ultrasónicos incluyen: (1) Frecuencia de trabajo. La frecuencia de funcionamiento es la frecuencia de resonancia de la oblea piezoeléctrica. Cuando la frecuencia del voltaje CA aplicado es igual a la frecuencia de resonancia de la oblea, la energía de salida es la mayor y la sensibilidad también es la más alta. (2) Temperatura de trabajo. Dado que el punto de Curie de los materiales piezoeléctricos es generalmente relativamente alto, especialmente la sonda ultrasónica para diagnóstico utiliza menos energía, por lo que la temperatura de trabajo es relativamente baja y puede funcionar durante mucho tiempo sin fallar. Las sondas de ultrasonido para uso médico tienen temperaturas relativamente altas y requieren equipo de refrigeración separado. (3) Sensibilidad. Depende principalmente de la fabricación de la propia oblea. El coeficiente de acoplamiento electromecánico es grande, y la sensibilidad es alta; de lo contrario, la sensibilidad es baja. Estructura y principio de funcionamiento Cuando se aplica un voltaje a una cerámica piezoeléctrica, se producirá una deformación mecánica con el cambio de voltaje y frecuencia. Por otro lado, cuando la cerámica piezoeléctrica vibra, se genera una carga eléctrica. Utilizando este principio, cuando se aplica una señal eléctrica a un vibrador compuesto por dos cerámicas piezoeléctricas o una cerámica piezoeléctrica y una lámina de metal, el llamado elemento bimorfo, se emitirán ondas ultrasónicas debido a la vibración de flexión. En cambio, cuando se aplican vibraciones ultrasónicas al elemento bimorfo, se genera una señal eléctrica. Basándose en los efectos anteriores, las cerámicas piezoeléctricas pueden utilizarse como sensores ultrasónicos. Los sensores ultrasónicos para uso en exteriores deben estar bien sellados para evitar la entrada de rocío, lluvia y polvo. Las cerámicas piezoeléctricas se fijan en la parte interior de la tapa de la caja metálica. La base se fija al extremo abierto de la caja y se recubre con resina. Para los sensores ultrasónicos utilizados en robots industriales, se requiere una precisión de hasta 1 mm y una fuerte radiación ultrasónica. En la detección de alta frecuencia, deben utilizarse cerámicas piezoeléctricas con modos de vibración de espesor vertical. En este caso, la coincidencia de la impedancia acústica de la cerámica piezoeléctrica con la del aire resulta crucial. La impedancia acústica de las cerámicas piezoeléctricas es de 2,6 × 10⁷ kg/m²s, mientras que la del aire es de 4,3 × 10² kg/m²s. Una diferencia de potencias de 5 produce grandes pérdidas en la superficie radiante de vibración de la cerámica piezoeléctrica. Se adhiere un material especial a la cerámica piezoeléctrica como capa de adaptación acústica que iguala la impedancia acústica del aire. Esta estructura permite que los sensores ultrasónicos funcionen correctamente a frecuencias de hasta cientos de kHz. Principio técnico y aplicación del sensor de distancia ultrasónico: El sensor de distancia ultrasónico se puede utilizar ampliamente en la monitorización del nivel de materiales y líquidos, la prevención de colisiones de robots, diversos interruptores de proximidad ultrasónicos, alarmas antirrobo y otros campos relacionados.

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