Работа и устройство ультразвукового датчика

Работа ультразвуковых датчиковУльтразвуковые датчики — это элементы, использующие электромеханическое преобразование энергии для измерения расстояния от датчика до целевого объекта. Ультразвуковые волны представляют собой продольные волны, которые распространяются как последовательность сжатий и разрежений вдоль направления распространения волны в среде. Помимо измерения расстояния, они также используются в ультразвуковом контроле материалов (для обнаружения трещин, пузырьков воздуха и других дефектов), обнаружении объектов, определении положения и т.д.

Ультразвуковые датчики подразделяются на два типа в зависимости от их рабочего применения — пьезоэлектрические датчики и электростатические датчики. В этой  мы обсудим ультразвуковой датчик, использующий пьезоэлектрический принцип. Пьезоэлектрические ультразвуковые датчики используют пьезоэлектрический материал для генерации ультразвуковых волн.

Ультразвуковой передатчик и приемник
Ультразвуковой передатчик и приемник

Ультразвуковой датчик состоит из передатчика и приемника, которые созданы как отдельные блоки или встроены вместе как единое целое. На фотографии выше показаны ультразвуковой передатчик и приемник.

Ультразвуковой датчик вид сзади
Ультразвуковой передатчик и приемник, вид сзади

На фотографии выше показан вид сзади ультразвукового датчика (приемник и передатчик). Конструкция приемника и передатчика почти одинакова, они имеют два провода для подачи и приема электрических сигналов к датчику и от него.

Внутренняя структура передатчика

Ультразвуковой передатчик
Ультразвуковой передатчик в разборе
Ультразвуковой приемник
Ультразвуковой приемник в разборе

Ультразвуковые приемник и передатчик закрыты металлическим корпусом для защиты от влаги и пыли.

Металлическая сетка

Сетка и металлический корпус
Сетка и металлический корпус

Металлическая сетка закреплена на верхней части металлического корпуса. Сняв сетку, мы увидим конический металлический лист, наложенный на другой лист.

Резонатор и вибратор

Резонатор и вибратор
Резонатор и вибратор

Как показано на фотографиях выше, к основанию приклеены цельный диск и металлический конус, являющийся сердцем ультразвукового датчика. Самая верхняя металлическая коническая чашка, также известная как резонатор, используется для эффективного излучения генерируемой ультразвуковой волны (также для концентрации волн в случае ультразвукового приемника). Лист круглой формы представляет собой единый диск, также называемый вибратором, генерирующим ультразвуковые волны. Резонатор припаян к вибратору.

Схема подключения

Схема подключения
Соединения внутри приемника и передатчика

Униморф (диск) электрически соединен с внешними выводами двумя проводами. Он поддерживается блоком демпфирующего материала, который подавляет пьезокерамический материал после того, как он генерирует ультразвуковые волны. Как показано на фотографии выше, существует небольшая разница в конструкции ультразвукового передатчика и приемника соответственно.

Диск Униморф

Пейзокерамический дискПейзокерамический диск ресивера
Скругленный пейзокерамический диск передатчикаКвадратный пейзокерамический диск приемника

Диск униморф состоит из пьезокерамического материала, закрепленного на металлическом диске. Пьезокерамические материалы преобразуют электрические сигналы в ультразвуковые волны и наоборот. При подаче напряжения на пьезокерамике генерируются механические искажения в соответствии с напряжением и частотой. Пейзокерамический диск имеет круглую форму в передатчике и квадратную форму в приемнике, чтобы эффективно производить вибрации.

Работа ультразвуковых датчиков

В ультразвуковом передатчике используется пьезокерамический кристалл, прикрепленный к металлическому листу конической формы. Когда к пьезокерамике прикладывается электрическое напряжение, она вибрирует с постоянным расширением и сжатием. В результате, в соответствии со свойством пьезоэлектрического материала, генерируются ультразвуковые волны, которые распространяются прямо из-за конической формы резонатора.

Ультразвуковой приемник работает по обратному принципу. Когда ультразвуковые волны ударяются о резонатор, прикрепленный к нему вибратор (металлическая пластина) вибрирует. При вибрации пьезокерамического диска, наклеенного на вибратор, вырабатывается электрический ток в соответствии со свойством пьезокерамического материала. Этот электрический ток далее отводится от двух внешних выводов.

Расчет расстояния

Ультразвук распространяется в атмосфере и, достигнув целевого объекта, частично возвращается обратно. Как только ультразвуковые волны проходят через передатчик, а эхо-сигнал воспринимается приемником, расстояние можно рассчитать, используя эту формулу:

Расстояние = прошедшее время * скорость звука/2

С Уважением, МониторБанк

Добавить комментарий