Un breve análisis del principio de funcionamiento del sensor ultrasónico/sensor ultrasónico

Definición de ultrasonido Una onda sonora es una onda mecánica que puede propagarse en gases, líquidos y sólidos. Las ondas sonoras se pueden dividir en ondas infrasónicas, ondas sónicas y ondas ultrasónicas según su frecuencia. La frecuencia de las ondas sonoras está entre 16 Hz y 20 kHz, que es una onda mecánica que el oído humano puede oír; las ondas infrasónicas son ondas mecánicas con frecuencias inferiores a 16 Hz, y las ondas ultrasónicas son ondas mecánicas con frecuencias superiores a 20 kHz. Las características de las ondas ultrasónicas son alta frecuencia, longitud de onda corta y pequeño fenómeno de difracción. Sus características más notables son buena direccionalidad, pequeña atenuación en líquidos y sólidos, y fuerte capacidad de penetración. Produce una reflexión y refracción evidentes cuando encuentra la interfaz del medio, por lo que se utiliza ampliamente en pruebas industriales. Velocidad de propagación ultrasónica Las ondas ultrasónicas generalmente incluyen ondas longitudinales, ondas transversales y ondas superficiales. Su velocidad de propagación depende de la constante elástica del medio y la densidad del medio. Solo las ondas longitudinales pueden propagarse en gases y líquidos. La velocidad del sonido en un gas es de 344 m/s, y en un líquido oscila entre 900 y 1900 m/s. En un sólido, existe una relación entre la velocidad del sonido de las ondas longitudinales, transversales y superficiales. Generalmente se considera que la velocidad del sonido de las ondas transversales es la mitad de la de las ondas longitudinales, y la de las ondas superficiales es aproximadamente el 90 % de la de las ondas transversales. Cuando una onda ultrasónica se propaga en un medio, su energía se atenúa gradualmente a medida que aumenta la distancia de propagación. Esta atenuación de la energía está determinada por la difusión, la dispersión y la absorción de las ondas ultrasónicas. Las ondas ultrasónicas se utilizan como medio de detección para generar y recibir ondas ultrasónicas. El dispositivo que realiza esta función es el transductor ultrasónico. sensor Indicadores de rendimiento del sensor ultrasónico Los principales indicadores de rendimiento de los sensores ultrasónicos incluyen: (1) frecuencia de operación. La frecuencia de operación es la frecuencia de resonancia de la oblea piezoeléctrica. Cuando la frecuencia del voltaje de 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. Debido a que el punto de Curie de los materiales piezoeléctricos es generalmente alto, especialmente cuando la sonda ultrasónica para diagnóstico usa baja potencia, 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. Principio de funcionamiento del sensor ultrasónico El sensor ultrasónico se puede dividir en tipo piezoeléctrico, tipo magnetostrictivo, tipo electromagnético, etc. según su principio de funcionamiento, y el tipo piezoeléctrico es el más comúnmente utilizado. Los generadores ultrasónicos piezoeléctricos utilizan el principio del efecto piezoeléctrico inverso para convertir vibraciones eléctricas de alta frecuencia en vibraciones mecánicas de alta frecuencia y generar ondas ultrasónicas. Cuando la frecuencia del voltaje alterno aplicado es igual a la frecuencia natural del material piezoeléctrico, se produce resonancia, y las ondas ultrasónicas generadas en ese momento son las más intensas. Los sensores ultrasónicos piezoeléctricos pueden generar ondas ultrasónicas de alta frecuencia que van desde decenas de kilohercios hasta decenas de megahercios, y su intensidad sonora puede alcanzar decenas de vatios por centímetro cuadrado. La estructura típica de un sensor ultrasónico piezoeléctrico se compone principalmente de una oblea piezoeléctrica, un bloque de absorción (bloque amortiguador), una película protectora, etc. Las obleas piezoeléctricas suelen tener forma de disco, y la frecuencia ultrasónica es inversamente proporcional a su grosor. Ambas caras de la oblea piezoeléctrica están recubiertas con capas de plata, que actúan como placas conductoras; la superficie inferior está conectada a tierra y la superficie superior está conectada al cable conductor. Para evitar el desgaste de la oblea piezoeléctrica debido al contacto directo entre el sensor y el DUT, se adhiere una película protectora debajo de la oblea piezoeléctrica. La función del bloque de absorción es reducir la calidad mecánica de la oblea piezoeléctrica y absorber la energía de las ondas ultrasónicas. Requisitos de selección Al seleccionar e instalar sensores ultrasónicos, es necesario aclarar algunas condiciones básicas, de lo contrario afectará directamente los resultados de medición del sensor. 1. Rango de detección y tamaño El tamaño del objeto a detectar afecta directamente el rango de detección del sensor ultrasónico. El sensor debe detectar un cierto nivel de sonido antes de poder emitir. Las partes grandes reflejan la mayor parte del sonido hacia el sensor ultrasónico para que el sensor pueda detectar la parte a su distancia de detección máxima. Las partes pequeñas reflejan solo una pequeña fracción del sonido, lo que resulta en un rango de detección muy reducido. 2. Características del objeto detectado El objeto ideal detectado por el sensor ultrasónico debe ser grande, plano y de alta densidad, y ser perpendicular al frente del transductor. Los objetos más difíciles de detectar son aquellos que son pequeños y están hechos de material fonoabsorbente, o que están en ángulo con respecto al transductor. La detección de líquidos es fácil si el nivel del líquido es estacionario y perpendicular a la superficie del sensor. Si el nivel del líquido fluctúa mucho, el tiempo de respuesta del sensor se puede extender para promediar las fluctuaciones y obtener una lectura más consistente. Sin embargo, los sensores ultrasónicos aún no pueden detectar con precisión líquidos que tienen una superficie espumosa, porque la espuma desvía la dirección de propagación del sonido. En este momento, el modo ultrasónico inverso del sensor ultrasónico se puede utilizar para detectar objetos de forma irregular. En el modo ultrasónico inverso, el sensor ultrasónico detecta un fondo plano, como una pared. Cualquier cosa que pase entre el sensor y la pared bloquea las ondas sonoras. El sensor puede entonces detectar la presencia del objeto al detectar esta perturbación. 3. Atenuación inducida por la temperatura El sensor también está diseñado con compensación de temperatura para ajustarse a cambios lentos en la temperatura ambiente, pero no puede adaptarse a gradientes de temperatura o cambios rápidos en la temperatura ambiente. 4. Si hay vibraciones alrededor, ya sea la vibración del propio sensor o la vibración de máquinas cercanas, puede afectar la precisión de la medición de distancia. Estos problemas se pueden reducir utilizando un dispositivo antivibración de goma durante la instalación del sensor. También se utilizan a veces rieles para eliminar o reducir la vibración de los componentes. 5. Detección falsa causada por el entorno El sensor ultrasónico realiza una detección sin contacto y sin desgaste del objeto detectado. Puede detectar objetos transparentes o de color, objetos metálicos o no metálicos, sustancias sólidas, líquidas y en polvo. Su rendimiento de detección es prácticamente inafectado por cualquier condición ambiental, incluyendo humo y lluvia.

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