Ультразвуковые датчики

Для проведения бесконтактных измерений можно разработать активный датчик, ко­торый бы мог одновременно и передавать эталонный сигнал, и принимать отражен­ный от объекта сигнал. Передаваться энергия может в виде любого излучения — на­пример, через электромагнитные волны оптического (как в ПЧД) или микроволно­вого диапазонов, через акустические волны и т.д. Принцип передачи и приема ульт­развуковой энергии лежит в основе очень популярных ультразвуковых датчиков и детекторов скорости. Ультразвуковые волны являются механическими акустически­ми волнами, частота которых лежит за пределами слышимости человеческого уха — более 20 кГц. Однако сигналы этих частот воспринимаются некоторыми животны­ми: собаками, кошками, грызунами и насекомыми. А некоторые виды млекопитаю­щих, таких как летучие мыши и дельфины, общаются друг с другом ультразвуковыми сигналами.

При столкновении любых волн с объектом часть их энергии отражается. В слу­чае ультразвуковых волн отраженная энергия рассеивается в пространстве. Это озна­чает, что вне зависимости от направления падающего луча, все отраженные лучи по­чти равномерно распределяются внутри широкого пространственного угла, который может достигать значения 180°. При движении объекта частота отраженных волн не совпадает с частотой излучаемых волн. Это и есть так называемый эффект Доплера (см. раздел 6.2 главы 6 — там описан эффект Доплера для волн СВЧ диапазона. Этот эффект характерен для волн любой природы, в том числе и ультразвуковых).

Расстояние L₀ до объекта можно определить по скорости ультразвуковых волн v в данной среде и углу в (рис. 7.39А):

(7.15)

где t — время, за которое ультразвуковая волна распространяется от излучателя до объекта и назад к приемнику. Если излучатель и приемник расположены недалеко друг от друга по сравнению с расстоянием до объекта, cosq=l. Очевидное преимуще­ство ультразвуковых волн над волнами микроволнового диапазона заключается в том, что они распространяются со скоростями, которые намного меньше скорости света, характерной для СВЧ-волн. Поэтому интервал t для них гораздо длиннее, что упро­щает его измерение, и, следовательно, снижает стоимость устройств.

(А)

Рис.7.39. Ультразвуковые датчики расстояний: А — принципиальная схема, Б — импедансная характеристика пьезоэлектрического преобразователя

Для генерации любых механических волн, включая ультразвуковые, требует­ся организовать обратно поступательное движение поверхности, при котором со­здаются зоны разряжения и сжатия рабочей среды: газовой (воздушной), жидко­стной или твердой (см. раздел 3.10 главы 3, где рассматриваются звуковые вол­ны). Для возбуждения ультразвуковых волн чаще всего применяются пьезоэлект­рические преобразователи, работающие в так называемом моторном режиме. Это название указывает на то, что в данном режиме пьезоэлектрические устройства напрямую преобразуют электрическую энергию в механическую.

На рис. 7.40А показано, что входное напряжение, приложенное к пьезокера-мическому элементу заставляет его изгибаться, возбуждая тем самым ультразву­ковые волны. Поскольку пьезоэлектричество является обратимым эффектом, воз­действие ультразвуковых волн на тот же керамический элемент приводит к появ­лению на его поверхности электрических зарядов. Другими словами, элемент мо­жет работать и как излучатель, и как приемник (микрофон). Типичная рабочая частота излучающего пьезоэлемента составляет около 32 кГц. Для повышения эффективности частота задающего генератора должна быть равна резонансной частоте/_г керамического элемента (рис. 7.39Б). При соблюдении этого условия удается реализовать лучшую чувствительность и эффективность элемента. При работе схемы в импульсном режиме для передачи и приема сигнала можно ис­пользовать один и тот же пьезопреобразователь. При непрерывном режиме рабо­ты необходимы два пьезоэлемента. На рис. 7.40Б показана типовая схема ультра­звукового датчика перемещений, работающего в воздушной среде, а на рис. 7.41 А — его внешний вид. Часто на практике важно знать диаграмму направленности датчика, которая имеет вид, изображенный на рис. 7.41 Б. Чем уже диаграмма, тем выше чувствительность преобразователя.

Рис. 7.40.Пьезоэлектрический ультразвуковой преобразователь: А — входное на­пряжение приводит к изгибу элемента, что вызывает генерацию уль­тразвуковых волн. И наоборот, в результате воздействия волн на вы­ходе преобразователя появляется напряжение; Б — ультразвуковой преобразователь с открытой апертурой для работы в воздухе (напеча­тано с разрешения Nippon Ceramic, Japan)

(А)

(Б)

Рис. 7.41.А — ультразвуковой преобразователь, работающий в воздухе, Б — диаграмма направленности

7.7. Радары

Поиск по сайту: