Uma breve análise do princípio do sensor de distância ultrassônico

Ultrassônico sensor Os sensores ultrassônicos são desenvolvidos utilizando as características das ondas ultrassônicas. O ultrassom é uma onda mecânica com frequência de vibração superior à das ondas sonoras. É gerado pela vibração do chip transdutor sob a excitação de tensão. Possui características como alta frequência, comprimento de onda curto, baixa difração, boa direcionalidade e propagação direcional. O ultrassom tem forte poder de penetração em líquidos e sólidos, especialmente em sólidos, onde pode penetrar a dezenas de metros de profundidade. Quando a onda ultrassônica encontra impurezas ou interfaces, produz uma reflexão significativa, formando uma onda de retorno, e quando encontra um objeto em movimento, produz o efeito Doppler. Portanto, os testes ultrassônicos são amplamente utilizados na indústria, defesa nacional, biomedicina, etc., como método de detecção. Um dispositivo capaz de gerar e receber ondas ultrassônicas é um sensor ultrassônico, também comumente chamado de transdutor ultrassônico ou sonda ultrassônica. A sonda ultrassônica é composta principalmente por pastilhas piezoelétricas, que podem não apenas transmitir ondas ultrassônicas, mas também recebê-las. Sondas ultrassônicas de baixa potência são usadas principalmente para detecção. Elas possuem diversas estruturas, que podem ser divididas em sonda reta (onda longitudinal), sonda oblíqua (onda transversal), sonda de onda de superfície (onda de superfície), sonda de onda de Lamb (onda de Lamb) e sonda dupla (uma sonda de reflexão e uma de recepção). O núcleo de uma sonda ultrassônica é uma pastilha piezoelétrica dentro de um invólucro de plástico ou metal. Os materiais que compõem a pastilha podem ser de diversos tipos. As dimensões dos elementos, como diâmetro e espessura, também variam, portanto, o desempenho de cada sonda é diferente. Os principais indicadores de desempenho dos sensores ultrassônicos incluem: (1) Frequência de operação. A frequência de operação é a frequência de ressonância da pastilha piezoelétrica. Quando a frequência da tensão CA aplicada é igual à frequência de ressonância da pastilha, a energia de saída é máxima e a sensibilidade também é máxima. (2) Temperatura de operação. Como o ponto de Curie dos materiais piezoelétricos é geralmente relativamente alto, especialmente em sondas ultrassônicas para diagnóstico que consomem menos energia, a temperatura de operação é relativamente baixa, permitindo longos períodos de funcionamento sem falhas. Sondas ultrassônicas para uso médico, por outro lado, operam em temperaturas relativamente altas e requerem equipamentos de refrigeração separados. (3) Sensibilidade. Depende principalmente da fabricação do próprio wafer. Quanto maior o coeficiente de acoplamento eletromecânico, maior a sensibilidade; caso contrário, a sensibilidade é baixa. Estrutura e princípio de funcionamento: Quando uma tensão é aplicada a uma cerâmica piezoelétrica, ocorre deformação mecânica com a variação da tensão e da frequência. Por outro lado, quando a cerâmica piezoelétrica vibra, uma carga elétrica é gerada. Utilizando esse princípio, quando um sinal elétrico é aplicado a um vibrador composto por duas cerâmicas piezoelétricas ou por uma cerâmica piezoelétrica e uma lâmina metálica, o chamado elemento bimorfo, ondas ultrassônicas são emitidas devido à vibração de flexão. Em contrapartida, quando vibrações ultrassônicas são aplicadas ao elemento bimorfo, um sinal elétrico é gerado. Com base nos efeitos acima, as cerâmicas piezoelétricas podem ser usadas como sensores ultrassônicos. Sensores ultrassônicos para uso externo devem ser bem vedados para evitar a entrada de orvalho, chuva e poeira. As cerâmicas piezoelétricas são fixadas na parte interna da tampa da caixa metálica. A base é fixada na extremidade aberta da caixa e coberta com resina. Para sensores ultrassônicos usados ​​em robôs industriais, a precisão exigida é de 1 mm, e a radiação ultrassônica é forte. Na detecção de alta frequência, é necessário usar cerâmicas piezoelétricas com modos de vibração de espessura vertical. Nesse caso, a compatibilidade da impedância acústica da cerâmica piezoelétrica com a do ar torna-se muito importante. A impedância acústica das cerâmicas piezoelétricas é de 2,6 × 10⁷ kg/m²s, enquanto a impedância acústica do ar é de 4,3 × 10² kg/m²s. Uma diferença de potência de 5 resulta em grandes perdas na superfície radiante da vibração da cerâmica piezoelétrica. Um material especial é aderido à cerâmica piezoelétrica como uma camada de adaptação acústica que corresponde à impedância acústica do ar. Essa estrutura permite que os sensores ultrassônicos funcionem bem em frequências de até centenas de kHz. Princípio técnico e aplicação do sensor de distância ultrassônico: O sensor de distância ultrassônico pode ser amplamente utilizado em monitoramento de nível de materiais e líquidos, prevenção de colisões em robôs, diversos sensores de proximidade ultrassônicos, alarmes antifurto e outras áreas relacionadas.

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