Precieze Ultrasonische Transducer Circuits voor Accurate Objectdetectie

Heb je ooit gewild de afstand van een object vanaf een specifiek doel meten? Je kunt een ultrasonische zender gebruiken, die een ultrasonische sensor bevat, voor dat doel. Elektronische circuits zullen over het algemeen deze component bevatten om ultrasonische geluidsgolven te genereren. Als resultaat kan het dan de nabijheid van een object meten. Daarom maken deze mogelijkheden ze extreem nuttig voor robotnavigatiedoeleinden. Niet alleen dat, maar dit type transducer heeft ook diverse toepassingen in veel velden, waaronder industriële, medische, automatisering, en nog veel meer!

Dit artikel introduceert de ultrasonische transducer circuits, zodat je hun mogelijkheden begrijpt. Dus laten we beginnen!

Wat is een Ultrasonische Transducer?

Een ultrasonische transducer

Een ultrasonische transducer fungeert als een geluidsgerelateerde sensor die een energie type omzet in ultrasonische energie. Dit apparaat zendt elektrische signalen naar een object en stuurt ze terug naar de transducer. Terwijl dat gebeurt, meet het de afstand van het object in plaats van de signaalsterkte. Het steunt ook op ultrasonische golven om specifieke parameters te meten. Plus, de ultrasonische golf frequentie bereik is hoger dan 20 kHz, wat het ideaal maakt voor het meten van afstanden.

Een 40kHz ultrasonische transducer.

Bron: Wikimedia Commons

Al met al, detecteert dit transducer type diverse materialen, inclusief metaal, niet-metaal, transparante, en gekleurde objecten. Het zal ook vloeistoffen, vastestoffen, en fijn stoffen identificeren.

De interne structuur van een ultrasonische sensor.

Bron: Wikimedia Commons

Het apparaat heeft een backing, slijtplaat, en actief element. In dit geval converteert het kristal of piezoelectrisch, dienend als het actieve element, elektrische energie in ultrasonische energie. Als resultaat neemt het apparaat ultrasonische energie op, wat het omzet in elektrische energie. Natuurlijk keert het ook dat transformatieproces om.

Daarnaast heeft de transducer een ontvanger, zender, voeding, en besturingsmechanisme. Tegenwoordig heeft de zender een 15mm keramische vibrator. Deze sensoren functioneren identiek aan een ultrasonische luidspreker en microfoon, het genereren en ontvangen van hoge-frequentie geluidsgolven.

Deze transducer draait op lage temperatuur voor diagnostische doeleinden vanwege de hoge Curie-punt van de piezoelectrische materialen, verbruikt minimale stroom. Het kan ook langdurig werken zonder het circuit te beïnvloeden. Tegenovergesteld, medische transducers werken bij hoge temperaturen. Deze vertrouwen typisch op koelapparatuur die helpt schade te voorkomen.

Ultrasonische Transducer Werkprincipe

De ultrasonische probe kan defecten of onvolkomenheden in een staalplaat detecteren.

Het toepassen van een elektrisch signaal op de ultrasonische transducer zal ervoor zorgen dat het geluidsgolven genereert. De geluidsgolven reflecteren dan het echo signaal van de transducer na het detecteren van interferentie. Het trilt ook binnen een specifiek frequentiebereik. Als resultaat wordt het echo omgezet in een elektrisch signaal.

Daarna meet het apparaat hoe lang het duurt om de geluidsgolf te leveren en het echo te ontvangen. De ultrasonische puls zal in de lucht vrijkomen wanneer de sensor werkt met een 40 kHz frequentie.

TL-buisjes kunnen de vermogens van de transducer om objecten te detecteren niet beïnvloeden.

Over het algemeen kunnen zwarte materialen, rook, zonlicht, TL-buisjes, en stof de prestaties van de transducer niet beïnvloeden. Daarom heeft het een duidelijk voordeel ten opzichte van infraroodsensoren. Bovendien biedt een ultrasonische sensor uitstekende ruisonderdrukking. Hoge temperatuursfluctuaties zullen echter objectdetectie interferentie veroorzaken.

Dit apparaat steunt ook op ultrasonische golven om de afstand te berekenen met de onderstaande formule:

D = ½ * T * C

In dit geval vertegenwoordigt D de afstand, en T verwijst naar het tijdsinterval voor het zenden en ontvangen van ultrasonische golven. Tussenwhile vertegenwoordigt C de geluidssnelheid.

Ultrasonische Transducer Circuit

Ultrasonische zender circuitschema

Benodigde componenten:

• 555 IC – 1x
• 2N2222 transistor – 1x
• Ultrasonische transducer – 1x
• 1k weerstand – 2x
• 2k weerstand – 1x
• 5k weerstand – 1x
• 0.01fuF condensator – 1x
• 3.3nF condensator – 1x

Werkprincipe:

Veel ultrasonische zender circuits hebben een 555 IC timer.

Bron: Wikimedia Commons

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

Het heeft ook een ultrasonische transducer die een invoerpuls omzet in ultrasonische golven bij overeenkomende frequenties. Deze bevatten piezoelectrische kristallen die de grootte kunnen veranderen zodra ze spanning ontvangen. De kristallen zullen oscilleren na het ontvangen van een invoersignaal, wat hen dwingt om hoge-frequentie geluidsgolven te genereren.

Op hetzelfde moment drijft de 2N2222 transistor de transducer. Je kunt oscillators omringd door kristallen implementeren in plaats van een 555 voor stabiele oscillatie.

Ultrasonische Transducer Typen

Varierende ultrasonische transducer typen bestaan op de markt vandaag. Deze bevatten essentiële parameters, inclusief frequentie, voetafdruk, en de rangschikking van het piezoelectrische kristal. Je vindt de meest efficiënte typen hieronder:

• Lineair type: Dit transducer type heeft een piezoelectrisch kristal met een lineaire array.
• Gefaseerde Array: Met een verminderde voetafdruk, ondersteunt de gefaseerde array lage frequenties variërend van 2MHz tot 7MHz.
• Standaard: Ook wel een convexe ultrasonische transducer of normale ultrasonische transducer genoemd, dit type bevat een gebogen piezoelectrisch kristal. Je zult deze geïmplementeerd zien in uitgebreide testtoepassingen.

Daarnaast kun je vertragingslijnt transducers, contacttransducers, dubbele element transducers, immersie transducers, en hoekbundel transducers gebruiken. Natuurlijk hebben deze verschillende typen niet-destructieve testtoepassingen.

Toepassingen

Een ultrasonische probe bevat de ultrasonische transducer.

De ultrasound transducer heeft variërende toepassingen in een wijd bereik aan velden. We hebben er een paar hieronder opgesomd.

• Diagnostische testen, kankerbehandelingen, hart- en oogcontroles, en inwendige orgaantesten in het medische veld.
• Objectdetectie
• Afstanden meten tussen een doel en het object

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

Bron: Wikimedia Commons

• Automatisering
• Voorraadbeheer
• Kleine fouten identificeren

Een ultrasonische transducer kan kleine fouten detecteren.

Bron: Wikimedia Commons

• Niveau- en stroommetingen
• Biomedisch
• Energie
• Vloeistofniveau regelen en monitoren
• Productielijnbeheer
• Draadbreukdetectie

Voor- en Nadelen

Voordelen:

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

• In staat om alle stofsoorten te detecteren en diverse materialen te meten.
• Temperatuur, stof, en water zullen de prestaties niet beïnvloeden.
• Werkt in elke omgeving met geschikte condities.
• Vaak gebruikt voor het leveren van hoge sensing interval metingen.

De volgende lijst bevat de nadelen geassocieerd met ultrasonische transducers:

Nadelen:

Hoge temperatuursfluctuaties kunnen de transducer beïnvloeden.

• Detectieveranderingen ontstaan als resultaat van onvoorspelbaarheid van temperatuurconversie.
• Extreem gevoelig voor hoge temperatuursfluctuaties.
• Kan geen reflecties van kleine doelen detecteren vanwege hun zachte en dunne kwaliteiten.

Samenvatting

Extreem nuttig en goed gebouwd, maken ultrasonische transducers objectontwijking veel makkelijker voor navigatierobots. Het presenteert ook variërende doeleinden in andere toepassingen. In dit geval helpt dit de rol in objectdetectie en afstandsmetingen te vestigen. Over het algemeen zullen variërende omgevingsfactoren de algehele prestaties niet negatief beïnvloeden. Als resultaat zullen stof, zonlicht, en water de ultrasonische pulsen niet voorkomen om hun bestemming te bereiken en terug te keren. Dus kan dit component consistent werken voor elke tijd.

Heb je vragen over de ultrasonische transducer? Neem gerust contact met ons op!