Uma breve análise do princípio de funcionamento do sensor ultrassônico.

Definição de Ultrassom: Uma onda sonora é uma onda mecânica que pode se propagar em gases, líquidos e sólidos. As ondas sonoras podem ser divididas em ondas infrassônicas, ondas sônicas e ondas ultrassônicas de acordo com a frequência. A frequência das ondas sonoras está entre 16 Hz e 20 kHz, sendo uma onda mecânica audível pelo ouvido humano; as ondas infrassônicas são ondas mecânicas com frequências inferiores a 16 Hz, e as ondas ultrassônicas são ondas mecânicas com frequências superiores a 20 kHz. As características das ondas ultrassônicas são alta frequência, comprimento de onda curto e baixa difração. Suas características mais notáveis ​​são boa direcionalidade, baixa atenuação em líquidos e sólidos e forte capacidade de penetração. Elas produzem reflexão e refração significativas ao encontrarem a interface do meio, sendo, portanto, amplamente utilizadas em testes industriais. Velocidade de propagação ultrassônica: As ondas ultrassônicas geralmente incluem ondas longitudinais, ondas transversais e ondas de superfície. Sua velocidade de propagação depende da constante elástica e da densidade do meio. Somente as ondas longitudinais podem se propagar em gases e líquidos. A velocidade do som em um gás é de 344 m/s, e em um líquido varia entre 900 e 1900 m/s. Em um sólido, existe uma relação entre a velocidade do som em ondas longitudinais, transversais e superficiais. Geralmente, considera-se que a velocidade do som em ondas transversais é metade da velocidade em ondas longitudinais, e a velocidade em ondas superficiais é cerca de 90% da velocidade em ondas transversais. Quando uma onda ultrassônica se propaga em um meio, sua energia se atenua gradualmente com o aumento da distância de propagação. Essa atenuação de energia é determinada pela difusão, dispersão e absorção das ondas ultrassônicas. Ondas ultrassônicas são utilizadas como meio de detecção para gerar e receber ondas ultrassônicas. O dispositivo que realiza essa função é o detector ultrassônico. sensor Indicadores de desempenho de sensores ultrassônicos Os principais indicadores de desempenho de sensores ultrassônicos incluem: (1) Frequência de operação. A frequência de operação é a frequência de ressonância do chip piezoelétrico. Quando a frequência da tensão CA aplicada é igual à frequência de ressonância do chip, 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 alto, especialmente quando a sonda ultrassônica para diagnóstico utiliza baixa potência, a temperatura de operação é relativamente baixa, permitindo que funcione por longos períodos sem falhas. Sondas ultrassônicas para uso médico operam em temperaturas relativamente altas e requerem equipamentos de refrigeração separados. (3) Sensibilidade. Depende principalmente da fabricação do próprio chip. Quanto maior o coeficiente de acoplamento eletromecânico, maior a sensibilidade; caso contrário, a sensibilidade é baixa. Princípio de funcionamento do sensor ultrassônico Os sensores ultrassônicos podem ser divididos em piezoelétricos, magnetoestritivos, eletromagnéticos, etc., de acordo com seu princípio de funcionamento, sendo o tipo piezoelétrico o mais comumente utilizado. Os geradores ultrassônicos piezoelétricos utilizam o princípio do efeito piezoelétrico inverso para converter vibrações elétricas de alta frequência em vibrações mecânicas de alta frequência, gerando ondas ultrassônicas. Quando a frequência da tensão alternada aplicada é igual à frequência natural do material piezoelétrico, ocorre ressonância, e as ondas ultrassônicas geradas nesse momento são as mais intensas. Os sensores ultrassônicos piezoelétricos podem gerar ondas ultrassônicas de alta frequência, variando de dezenas de quilohertz a dezenas de megahertz, e sua intensidade sonora pode atingir dezenas de watts por centímetro quadrado. A estrutura típica de um sensor ultrassônico piezoelétrico é composta principalmente por uma pastilha piezoelétrica, um bloco de absorção (ou amortecimento), uma película protetora, entre outros componentes. As pastilhas piezoelétricas geralmente têm formato de disco, e a frequência ultrassônica é inversamente proporcional à sua espessura. As duas faces da pastilha piezoelétrica são revestidas com camadas de prata, que atuam como placas condutoras; a superfície inferior é aterrada e a superfície superior é conectada ao fio condutor. Para evitar o desgaste da pastilha piezoelétrica devido ao contato direto entre o sensor e o dispositivo sob teste (DUT), uma película protetora é colada sob a pastilha piezoelétrica. A função do bloco de absorção é reduzir a distorção mecânica da pastilha piezoelétrica e absorver a energia das ondas ultrassônicas. Requisitos de seleção Ao selecionar e instalar sensores ultrassônicos, é necessário esclarecer algumas condições básicas, caso contrário, isso afetará diretamente os resultados da medição do sensor. 1. Alcance e tamanho de detecção O tamanho do objeto a ser detectado afeta diretamente o alcance de detecção do sensor ultrassônico. O sensor precisa detectar um determinado nível sonoro antes de emitir um sinal. Objetos grandes refletem a maior parte do som para o sensor ultrassônico, permitindo que ele detecte o objeto em sua distância máxima de detecção. Objetos pequenos refletem apenas uma pequena fração do som, resultando em um alcance de detecção bastante reduzido. 2. Características do objeto detectado O objeto ideal detectado pelo sensor ultrassônico deve ser grande, plano, de alta densidade e perpendicular à frente do transdutor. Os objetos mais difíceis de detectar são aqueles pequenos e feitos de material absorvente de som, ou que estejam em um ângulo em relação ao transdutor. A detecção de líquidos é fácil se o nível do líquido for constante e perpendicular à superfície do sensor. Se o nível do líquido flutuar muito, o tempo de resposta do sensor pode ser estendido para compensar as flutuações e obter uma leitura mais consistente. No entanto, os sensores ultrassônicos ainda não conseguem detectar com precisão líquidos com superfície espumosa, pois a espuma desvia a direção de propagação do som. Nesse caso, o modo ultrassônico reverso do sensor pode ser usado para detectar objetos com formato irregular. No modo ultrassônico reverso, o sensor detecta um fundo plano, como uma parede. Qualquer coisa que passe entre o sensor e a parede bloqueia as ondas sonoras. O sensor pode então detectar a presença do objeto ao detectar essa perturbação. 3. Atenuação induzida pela temperatura O sensor também foi projetado com compensação de temperatura para ajustar mudanças lentas na temperatura ambiente. Porém, ele não consegue lidar com gradientes de temperatura ou mudanças rápidas na temperatura ambiente. 4. A presença de vibrações no ambiente, sejam elas do próprio sensor ou de máquinas próximas, pode afetar a precisão da medição de distância. Esses problemas podem ser minimizados com o uso de um dispositivo antivibração de borracha durante a instalação do sensor. Trilhos também são utilizados para eliminar ou reduzir a vibração dos componentes. 5. Detecção falsa causada pelo ambiente: O sensor ultrassônico realiza a detecção do objeto sem contato e sem desgaste. Ele pode detectar objetos transparentes ou coloridos, metálicos ou não metálicos, sólidos, líquidos e em pó. Seu desempenho de detecção é praticamente inalterado por quaisquer condições ambientais, incluindo fumaça e chuva.

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