Ultrasone transducercircuits:een objectdetectieapparaat

Heb je ooit de afstand van een object tot een specifiek doel willen meten? U kunt daarvoor een ultrasone zender gebruiken, die is voorzien van een ultrasone sensor. Elektronische schakelingen zullen over het algemeen dit onderdeel bevatten om ultrasone geluidsgolven te genereren. Als gevolg hiervan kan het vervolgens de nabijheid van een object meten. Daarom maken deze mogelijkheden ze uiterst nuttig voor robotnavigatiedoeleinden. Niet alleen dat, dit type transducer heeft ook verschillende toepassingen op vele gebieden, waaronder industrieel, medisch, automatisering en nog veel meer!

Dit artikel introduceert de ultrasone transducercircuits, zodat u hun mogelijkheden begrijpt. Dus laten we beginnen!

Wat is een ultrasone transducer?

Een ultrasone transducer

Een ultrasone transducer dient als een geluidsgerelateerde sensor die een energietype omzet in ultrasone energie. Dit apparaat zendt elektrische signalen naar een object en stuurt ze vervolgens terug naar de transducer. Terwijl dat gebeurt, meet het de afstand van het object in plaats van de signaalsterkte. Het vertrouwt ook op ultrasone golven om specifieke parameters te meten. Bovendien is het frequentiebereik van ultrasone golven hoger dan 20 kHz, waardoor het ideaal is voor het meten van afstanden.

Een 40 kHz ultrasone transducer.

Bron:Wikimedia Commons

Al met al detecteert dit type transducer verschillende materialen, waaronder metalen, niet-metalen, transparante en gekleurde objecten. Het identificeert ook vloeistoffen, vaste stoffen en fijne stoffen.

De interne structuur van een ultrasone sensor.

Bron:Wikimedia Commons

Het apparaat is voorzien van een backing, slijtplaat en actief element. In dit geval zet het kristal of piëzo-elektrisch, dat als het actieve element dient, elektrische energie om in ultrasone energie. Als gevolg hiervan neemt het apparaat ultrasone energie op en zet het om in elektrische energie. Natuurlijk keert het dat transformatieproces ook om.

Bovendien heeft de transducer een ontvanger, zender, voeding en regelmechanisme. Ondertussen heeft de zender een keramische vibrator van 15 mm. Deze sensoren werken op dezelfde manier als een ultrasone luidspreker en microfoon en genereren en ontvangen hoogfrequente geluidsgolven.

Deze transducer werkt op lage temperatuur voor diagnostische doeleinden vanwege het hoge Curie-punt van de piëzo-elektrische materialen en verbruikt minimaal stroom. Het kan ook voor een langere tijd werken zonder het circuit te beïnvloeden. Ondertussen werken op medische gebaseerde transducers bij hoge temperaturen. Deze zijn doorgaans afhankelijk van koelapparatuur die schade helpt voorkomen.

Werkingsprincipe ultrasone transducer

De ultrasone sonde kan defecten of onvolkomenheden in een stalen plaat.

Het toepassen van een elektrisch signaal op de ultrasone transducer zal ervoor zorgen dat deze geluidsgolven genereert. De geluidsgolven reflecteren vervolgens het echosignaal van de transducer na het detecteren van interferentie. Het trilt ook binnen een bepaald frequentiebereik. Als gevolg hiervan wordt de echo omgezet in een elektrisch signaal.

Daarna meet het apparaat hoe lang het duurt om de geluidsgolf af te geven en de echo te ontvangen. De ultrasone puls komt vrij in de lucht wanneer de sensor werkt met een frequentie van 40 kHz.

Fluorescentielampen hebben geen invloed op het vermogen van de transducer om objecten te detecteren.

Over het algemeen kunnen zwarte materialen, rook, zonlicht, TL-buizen en stof de prestaties van de transducer niet beïnvloeden. Daarom heeft het een duidelijk voordeel ten opzichte van infraroodsensoren. Bovendien biedt een ultrasone sensor uitstekende ruisonderdrukkingsmogelijkheden. Fluctuaties bij hoge temperaturen veroorzaken echter interferentie met objectdetectie.

Dit apparaat vertrouwt ook op ultrasone golven om de afstand te berekenen met de onderstaande formule:

D =½ * T * C

In dit geval vertegenwoordigt D de afstand en verwijst T naar het tijdsinterval voor het verzenden en ontvangen van ultrasone golven. Ondertussen staat C voor de snelheid van het geluid.

Ultrasoon transducercircuit

Schema ultrasone zender

Vereiste componenten:

• 555 IC – 1x
• 2N2222-transistor – 1x
• Ultrasone transducer – 1x
• 1k weerstand – 2x
• 2k weerstand – 1x
• 5k weerstand – 1x
• 0,01fuF condensator – 1x
• 3.3nF condensator – 1x

Werkingsprincipe:

Veel ultrasone zendercircuits hebben een 555 IC-timer.

Bron:Wikimedia Commons

Over het algemeen dient de IC 555, die in de astabiele multivibrator-modus werkt, als de oscillator. Dit genereert constante seriële blokgolfpulsen die 40 kHz bereiken. Ondertussen stelt de vergelijking F=1..44/((R2+2R1)C2 de uitgangsfrequentiewaarde in. Tegelijkertijd leveren de elektronische componenten R1, R2 en R3 40 KHz aan de uitgang.

Het beschikt ook over een ultrasone transducer die een ingangspuls omzet in ultrasone golven met bijpassende frequenties. Deze bevatten piëzo-elektrische kristallen die van grootte kunnen veranderen zodra ze spanning krijgen. De kristallen oscilleren na ontvangst van een ingangssignaal, waardoor ze gedwongen worden hoogfrequente geluidsgolven te genereren.

Tegelijkertijd stuurt de 2N2222-transistor de transducer aan. Je kunt oscillatoren implementeren die omringd zijn door kristallen in plaats van een 555 voor stabiele oscillatie.

Typen ultrasone transducers

Er zijn tegenwoordig verschillende typen ultrasone transducers op de markt. Deze bevatten essentiële parameters, waaronder frequentie, voetafdruk en de opstelling van het piëzo-elektrische kristal. Hieronder vindt u de meest efficiënte types:

• Lineair type:dit type transducer heeft een piëzo-elektrisch kristal met een lineaire array.
  
• Phased Array:met een kleinere footprint ondersteunt de Phased Array lage frequenties van 2 MHz tot 7 MHz.
  
• Standaard:ook wel een convexe ultrasone transducer of normale ultrasone transducer genoemd, dit type bevat een gebogen piëzo-elektrisch kristal. U zult deze geïmplementeerd zien in uitgebreide testapplicaties.

Daarnaast kunt u transducers met vertragingslijnen, contacttransducers, transducers met twee elementen, immersietransducers en transducers met hoekstralen gebruiken. Natuurlijk hebben deze verschillende typen niet-destructieve testtoepassingen.

Toepassingen

Een ultrasone sonde bevat de ultrasone transducer.

De ultrasone transducer heeft verschillende toepassingen in een breed scala van gebieden. We hebben er hieronder een paar opgesomd.

• Diagnostische tests, kankerbehandelingen, hart- en oogcontroles en testen van inwendige organen op medisch gebied.
• Objectdetectie
• Afstanden meten tussen een doel en het object

Deze afbeelding laat zien hoe een ultrasone sensor objecten en hun afstand kan detecteren.

Bron:Wikimedia Commons

• Automatisering
• Voorraadbeheer
• Kleine fouten identificeren

Een ultrasone transducer kan kleine fouten detecteren.

Bron:Wikimedia Commons

• Niveau- en debietmetingen
• Biomedisch
• Kracht
• Controle en bewaking van vloeistofniveau
• Productlijnbeheer
• Draadbreukdetectie

Voor- en nadelen

Pluspunten:

Ultrasone transducers kunnen vast, vloeibaar of gas detecteren. We hebben de voordelen van een ultrasone transducer hieronder opgesomd: 

• In staat om alle soorten stoffen te detecteren en verschillende materialen te meten.
• Temperatuur, stof en water hebben geen invloed op de prestaties.
• Werkt in elke omgeving met geschikte omstandigheden.
• Vaak gebruikt voor het leveren van high-sensing intervalmetingen.

Hieronder worden de nadelen van ultrasone transducers opgesomd:

Nadelen:

Hoge temperatuurschommelingen kunnen de transducer beïnvloeden.

• Detectieveranderingen treden op als gevolg van onvoorspelbaarheid van temperatuurconversie.
• Extreem gevoelig voor hoge temperatuurschommelingen.
• Kan reflecties van kleine doelen niet detecteren vanwege hun zachte en dunne eigenschappen.

Samenvatting

Uiterst bruikbare en goed gebouwde ultrasone transducers maken het vermijden van objecten een stuk eenvoudiger voor navigatierobots. Het presenteert ook verschillende doeleinden in andere toepassingen. In dit geval helpt dit bij het vaststellen van zijn rol bij objectdetectie en afstandsmetingen. Over het algemeen zullen wisselende omgevingsfactoren geen negatieve invloed hebben op de algehele prestaties. Dientengevolge zullen stof, zonlicht en water niet voorkomen dat de ultrasone pulsen hun bestemming bereiken en terugkeren. Dit onderdeel kan dus op elk moment consistent werken.

Heeft u vragen over de ultrasone transducer? Neem gerust contact met ons op!