 | Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )
|
Ультразвуковые преобразователи и ультразвуковые датчики - это устройства, которые генерируют или воспринимают ультразвуковую энергию. Их можно разделить на три большие категории: передатчики, приемники и трансиверы. Передатчики преобразуют электрические сигналы в ультразвук , приемники преобразуют ультразвук в электрические сигналы, а приемопередатчики могут передавать и принимать ультразвук.
Подобно радарам и сонарам , ультразвуковые преобразователи используются в системах, которые оценивают цели путем интерпретации отраженных сигналов. Например, измеряя время между отправкой сигнала и получением эха, можно вычислить расстояние до объекта. Пассивные ультразвуковые датчики - это в основном микрофоны, которые обнаруживают ультразвуковой шум, который присутствует при определенных условиях.
Конструкция преобразователя может сильно различаться в зависимости от его использования: те, которые используются для медицинских диагностических целей, например, приложения для определения дальности, перечисленные выше, обычно имеют меньшую мощность, чем те, которые используются для изменения свойств жидкой среды или целей. погружение в жидкую среду за счет химического, биологического или физического (например, эрозионного) воздействия. Последний класс включает ультразвуковые датчики и ультразвуковые ванны, которые используют ультразвуковую энергию для перемешивания частиц, очистки, разрушения или разрушения биологических клеток в широком диапазоне материалов; См. Обработка ультразвуком .
Приложения и производительность [ править ]
Ультразвук можно использовать для измерения скорости и направления ветра ( анемометр ), уровня жидкости в резервуаре или канале, а также скорости в воздухе или воде. Для измерения скорости или направления устройство использует несколько детекторов и вычисляет скорость по относительным расстояниям до твердых частиц в воздухе или воде. Для измерения уровня жидкости в резервуаре или канале , а также уровня моря ( манометр ) датчик измеряет расстояние ( дальность ) до поверхности жидкости. Другие области применения: увлажнители , сонар , медицинское УЗИ , охранная сигнализация , неразрушающий контроль ибеспроводная зарядка .
В системах обычно используется преобразователь, который генерирует звуковые волны в ультразвуковом диапазоне, выше 18 кГц, превращая электрическую энергию в звук, а затем, получив эхо, превращает звуковые волны в электрическую энергию, которую можно измерить и отобразить.
Эта технология также может обнаруживать приближающиеся объекты и отслеживать их положение. [1]
Ультразвук также может использоваться для измерения расстояния от точки к точке путем передачи и приема дискретных импульсов ультразвука между преобразователями. Этот метод известен как Сономикрометрия, где время прохождения ультразвукового сигнала измеряется электронным способом (т.е. цифровым способом) и математически преобразуется в расстояние между преобразователями, предполагая, что скорость звука в среде между преобразователями известна. Этот метод может быть очень точным с точки зрения временным и пространственным разрешением , так как измерение времени пролета может быть получена из отслеживания и тот же случай (полученного) формы сигнала либо опорного уровня или пересечения нуля. Это позволяет разрешающей способности измерения намного превышать длину волны звуковой частоты, генерируемой преобразователями.
Преобразователи [ править ]
Ультразвуковые преобразователи преобразуют переменный ток в ультразвук , а также наоборот. Ультразвук обычно относится к пьезоэлектрическим преобразователям или емкостным преобразователям . Пьезоэлектрические кристаллы изменяют размер и форму при приложении напряжения ; Напряжение переменного тока заставляет их колебаться с одинаковой частотой и производить ультразвуковой звук. Емкостные датчики используют электростатическое поле между проводящей диафрагмой и опорной пластиной.
Диаграмма луча преобразователя может определяться активной площадью и формой преобразователя, длиной волны ультразвука и скоростью звука в среде распространения. На диаграммах показаны звуковые поля несфокусированного и фокусирующего ультразвукового преобразователя в воде, явно на разных уровнях энергии.
Поскольку пьезоэлектрические материалы генерируют напряжение при приложении к ним силы, они также могут работать как ультразвуковые детекторы. Некоторые системы используют отдельные передатчики и приемники, в то время как другие объединяют обе функции в одном пьезоэлектрическом приемопередатчике.
В передатчиках ультразвука также могут использоваться непьезоэлектрические принципы. например магнитострикция. Материалы с этим свойством немного изменяют размер под воздействием магнитного поля, что позволяет использовать их в качестве преобразователей.
Конденсаторный («конденсаторный») микрофон имеет тонкую диафрагму, которая реагирует на ультразвуковые волны. Изменения в электрическом поле между диафрагмой и близко расположенные опорной пластины преобразуют звуковые сигналы в электрические токи, которые могут быть усилены.
Принцип диафрагмы (или мембраны) также используется в относительно новых ультразвуковых преобразователях (MUT) с микрообработкой. Эти устройства производятся с использованием технологии кремниевой микрообработки (технология MEMS ), которая особенно полезна для изготовления матриц преобразователей. Вибрации диафрагм могут быть измерены или индуцированные электронным способом с использованием емкости между диафрагмой и близко расположенной опорной пластиной ( CMUT ), или путем добавления тонкого слоя пьезоэлектрического материала на диафрагме ( PMUT ). В качестве альтернативы недавнее исследование показало, что вибрацию диафрагмы можно измерить с помощью крошечного оптического кольцевого резонатора, встроенного в диафрагму (OMUS). [2] [3]
Ультразвуковые преобразователи также используются при акустической левитации. [4]
Использование в медицине [ править ]
Медицинские ультразвуковые преобразователи (датчики) бывают самых разных форм и размеров для использования при создании изображений поперечного сечения различных частей тела. Датчик можно использовать для контакта с кожей, как при ультразвуковой визуализации плода, или вводить в отверстие тела, такое как прямая кишка или влагалище . Клиницисты, выполняющие процедуры под контролем ультразвука, часто используют систему позиционирования зонда для удержания ультразвукового преобразователя.
Использование в промышленности [ править ]
Ультразвуковые датчики могут обнаруживать движение целей и измерять расстояние до них на многих автоматизированных заводах и производственных предприятиях. Датчики могут иметь включенный или выключенный цифровой выход для обнаружения движения объектов или аналоговый выход, пропорциональный расстоянию. Они могут ощущать край материала как часть системы направления полотна .
Ультразвуковые датчики широко используются в автомобилях в качестве датчиков парковки, чтобы помочь водителю вернуться на парковку задним ходом. Они проходят испытания для ряда других автомобильных применений, включая ультразвуковое обнаружение людей и помощь в автономной навигации БПЛА . [ необходима цитата ]
Поскольку ультразвуковые датчики используют для обнаружения звук, а не свет, они работают в приложениях, где фотоэлектрические датчики не могут. Ультразвук - отличное решение для четкого обнаружения объектов и измерения уровня жидкостей, приложений, с которыми фотоэлектрики борются из-за прозрачности цели. Кроме того, цвет цели или отражательная способность не влияют на ультразвуковые датчики, которые могут надежно работать в условиях сильного ослепления.
Пассивные ультразвуковые датчики могут использоваться для обнаружения утечек газа или жидкости под высоким давлением или других опасных условий, которые генерируют ультразвуковой звук. В этих устройствах звук с преобразователя (микрофона) преобразуется в диапазон человеческого слуха.
Ультразвуковые излучатели большой мощности используются в имеющихся в продаже устройствах ультразвуковой очистки . Ультразвуковой преобразователь прикрепляют к поддону из нержавеющей стали, наполненному растворителем (часто водой или изопропанолом ). На преобразователь подается прямоугольная электрическая волна, создавая в растворителе звук, достаточно сильный, чтобы вызвать кавитацию .
Ультразвуковая технология использовалась для различных целей очистки. Одно из них, которое в последнее десятилетие набирает приличную популярность, - это чистка ультразвуковым пистолетом.
Ультразвуковой контроль также широко используется в металлургии и машиностроении для оценки коррозии, сварных швов и дефектов материалов с помощью различных типов сканирования.
Ссылки [ править ]
- ^ Каротенуто, Риккардо; Меренда, Массимо; Иеро, Деметрио; Делла Корте, Франческо Г. (июль 2019 г.). «Внутренняя ультразвуковая система для автономного трехмерного позиционирования». IEEE Transactions по приборостроению и измерениям . 68 (7): 2507–2518. DOI : 10.1109 / TIM.2018.2866358 .
- ^ Westerveld, Wouter J (2014). Кремниевые фотонные микрокольцевые резонаторы для измерения деформации и ультразвука (доктор философии). Делфтский технологический университет. DOI : 10.4233 / UUID: 22ccedfa-545a-4a34-bd03-64a40ede90ac . ISBN 9789462590793.
- ^ SM Leinders, WJ Westerveld, J. Pozo, PLMJ ван Нир, Б. Снайдер, П. О'Брайен, HP Урбах, Н. де Йонг, и MD ВЕРВЕЙ (2015). «Чувствительный оптический ультразвуковой датчик с микрообработкой (OMUS) на основе кремниевого фотонного кольцевого резонатора на акустической мембране» . Научные отчеты . 5 : 14328. Bibcode : 2015NatSR ... 514328L . DOI : 10.1038 / srep14328 . PMC 4585719 . PMID 26392386 . CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
- ^ Виейра, Сильвио Л .; Андраде, Марко AB (2020). «Поступательные и вращательные резонансные частоты диска в одноосном акустическом левитаторе» . Журнал прикладной физики . Журнал прикладной физики Том 127. 127 (22): 224901. Bibcode : 2020JAP ... 127v4901V . DOI : 10.1063 / 5.0007149 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Эскола, Александр; Планас, Сантьяго; Роселл, Джоан Рамон; Помар, Хесус; Лагерь, Ферран; Solanelles, Francesc; Грация, Фелип; Льоренс, Хорди; Гил, Эмилио (28 февраля 2011 г.). « Характеристики ультразвукового датчика дальности в кронах деревьев яблони». Датчики . 11 (3): 2459–2477. DOI: 10,3390 / s110302459. ISSN 1424-8220. PMC 3231637. PMID 22163749 .
