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.

Читать также:  Что такое CDMA?

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.

Читать также:  Что такое поисковая система?

Диск Униморф

Пейзокерамический диск Пейзокерамический диск ресивера
Скругленный пейзокерамический диск передатчика Квадратный 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.

Читать также:  Что такое Wi-Fi?

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