Как работает ультразвуковой датчик

Сенсорные устройства, преобразующие электрический ток в волны ультразвука, называются ультразвуковые датчики. Их принцип действия аналогичен работе радара, они улавливают цель по отраженному сигналу. Скорость звука – величина постоянная. На основании этого таким датчиком вычисляется расстояние до некоторого объекта, соответствующее диапазону времени между выходом сигнала и его возвращением.

Устройство и принцип действия

Работают ультразвуковые датчики основываясь на взаимодействии колебаний ультразвука с измеряемым пространством. Ультразвуковые колебания – это механические колебания, которые совершаются с частотой выше 20000 герц, а значит, больше верхней границы колебаний звука, воспринимаемого человеком.

Распространение таких колебаний в газообразных, жидких и твердых средах зависит от параметров самой среды. Скорость передачи колебаний для газов равна 200-1300 метров в секунду, для твердых тел 1500-8000 м/с, для жидких веществ 1100-2000 м/с. Значительно зависит скорость колебаний от давления газа.

Коэффициенты отражения волн ультразвука отличаются на границах различных сред, так же как и их способность поглощения звука. Поэтому ультразвуковые датчики используют для получения информации о разных неэлектрических параметрах с помощью измерения свойств колебаний ультразвука: сдвига фаз, времени затухания, распространения колебаний.

Ультразвуковые способы измерения являются электрическими, так как возбуждение колебаний и их прием осуществляется с помощью электричества. Чаще всего в датчиках применяют пьезоэлементы, преобразователи магнитострикционного вида. Для возбуждения колебаний ультразвуковой частоты применяется эффект растяжения и сжатия пьезокристалла, называемый обратным пьезоэффектом. Поэтому пьезоэлемент применяется как в качестве приемника колебаний, так и в качестве излучателя.

Излучатели магнитострикционного вида применяют эффект деформации ферромагнитов в магнитном поле. Излучатель стержневого вида выполнен в виде тонких листов ферромагнетика, на котором намотана катушка возбуждения.

В магнитострикционных излучателях часто применяются сплавы никеля, ферриты. При нахождении ферромагнитного стержня в переменном магнитном поле, он будет разжиматься, и сжиматься с частотой поля. На рисунке показана зависимость изменения (относительного) длины стержня от напряженности поля Н. Так как направление поля не влияет на знак деформации, то частота деформации будет в 2 раза выше частоты возбуждающего поля.

Чтобы получить значительные механические деформации применяют подмагничивание стержня. Магнитострикционные излучатели действуют в условиях резонанса, если частота поля возбуждения совпадает с колебаниями стержня, определяемыми по формуле:

Где l — длина стержня, Е — модуль упругости, р — плотность.

В излучателе на основе пьезоэлемента применяется кварцевая пластина, к которой подключено переменное напряжение U_х, образующее электрическое поле по оси Х.

Обратный эффект состоит в деформации пластины по оси Х. Относительное изменение размера пластины (толщины) равно:

Δa/a=kUx/a

Поперечный эффект состоит в деформации пластины по оси У. Относительное изменение толщины пластины равно:

Δl/l=kUx/a

Размеры пластины не влияют на величину продольной деформации. Поперечная деформация повышается с увеличением отношения l/а. При разности потенциалов до 2500 вольт имеется прямая зависимость деформации и напряжения. При высоких напряжениях деформация повышается не так интенсивно. Амплитуда колебаний доходит до наибольшего значения, когда частота напряжения и частота колебаний пластины совпадают.

Частота продольных колебаний вычисляется:

Модуль упругости определяется по оси Х. Модуль упругости по оси У влияет на частоту поперечных колебаний:

Если сравнить два рассмотренных типа излучателей, то можно сделать вывод, что пьезоэлектрические излучатели могут обеспечить большую частоту колебаний ультразвука.

Рассмотрим работу датчика по времени прохождения сигнала. Обработка отраженного сигнала осуществляется в той же точке, откуда и излучается. Такой метод является непосредственным обнаружением.

Рис 1

Ультразвуковые датчики в момент времени Т излучают сигнал (некоторый набор импульсов) длительностью ∆t, распространяющийся в среде со звуковой скоростью С. При достижении объекта сигналом, часть его отражается и возвращается в приемник за время Т₁. Схема электронного устройства, предназначенная для обработки сигнала, определяет расстояние, вычисляя время Т₁ — Т.

Для определения расстояния может использоваться схема с одной или двумя головками датчика. В случае с двумя головками, одна из них излучает сигнал, а вторая принимает отраженный сигнал.

Ультразвуковые датчики с одной головкой

Эта схема обладает значительным недостатком, который заключается в том, что после выдачи сигнала необходимо время для успокоения мембраны для дальнейшей работы на прием отраженного сигнала. Этот период времени называют «мертвым» временем.

Мертвое время вынуждает ультразвуковые датчики работать в «слепой зоне». Другими словами, когда объект расположен очень близко, то отраженный сигнал возвращается в измерительную головку настолько быстро, что она еще не перестроилась на работу приема, вследствие чего объект не обнаруживается.

Рис 2

Продолжительность процессов перехода от излучателя до приемника зависит от различных факторов, которыми являются: особенности устройства датчика, материал изготовления, внутреннее затухание, общая колеблющаяся масса.

На рисунке 2 изображена схема функционирования датчика непосредственного обнаружения. С помощью импульса запуска схема возбуждения излучателя становится активной. Она формирует некоторый набор импульсов. Тем же импульсом запуска производится блокировка входа усилителя приемника. При отключении излучателя происходит разблокировка приемника.

Восстановление приемника происходит около 300 мкс. Это намного меньше времени успокоения излучателя. Вследствие этого параметры приемника не оказывают влияния на размер слепой зоны.

При нахождении объекта с необходимой способностью отражения в контролируемой зоне, отраженный сигнал возбуждает на мембране переменное напряжение высокой частоты, которое обрабатывается методами обнаружения сигналов аналогового типа: усиливается, ограничивается, приходит на компаратор.

Это напряжение превышает заданное значение порога обнаружения, что является сигналом того, что объект находится в контролируемой зоне. Схема электронного устройства фиксирует промежуток времени, который прошел с момента активации излучателя и создает на выходе электрический сигнал. Длина этого сигнала зависит от размера этого интервала времени, и передается на цифровой индикатор.

Схема управления после регистрации первого сигнала отражения задерживает создание следующего пускового импульса. При этом она ожидает вероятного прихода отраженного сигнала от наиболее удаленных объектов в контролируемой зоне.

Ультразвуковые датчики с двумя головками

Существенно сократить слепую зону можно путем использования двух разных головок датчика для приемника и излучателя. При этом необходимо создать наибольшую чувствительность схемы правильным выбором одинаковой частоты резонанса для приемника и излучателя.

Отслеживание порога

Размер слепой зоны является важным параметром ультразвукового датчика, который определяет его успех применяемости. Поэтому изготовители стараются снизить эту величину разными способами.

Для таких целей применяют метод отслеживания порога обнаружения. На малых расстояниях в течение процесса перехода сигнал успевает много раз пройти путь между объектом и сенсором. Точность обнаружения значительно уменьшается вследствие искажений, которые вносит сигнал с многократным отражением. Погрешность этого метода возрастает с приближением к объекту.

Это заставляет найти компромисс между точностью измерения, ложной тревоги и чувствительностью обнаружения. На рисунке 3 показан способ отслеживания порога обнаружения.

Рис 3

Он заключается в том, что напряжение порога детектора, которое подается на компаратор, создается напряжением, изменяемым во времени и копирующим форму «хвоста» набора импульсов, получаемых во время затухания колебаний мембраны.

Проблема заключается в том, что детектору неизвестно какой по счету из отраженных сигналов превзошел границу порога обнаружения. По рисунку видно, что второй из отраженных сигналов оказался зарегистрированным. Это привело к определению расстояния величиной, превышающей действительную величину в два раза. Такую ситуацию нельзя допускать, поэтому датчики подлежат настройке, во избежание попадания объектов в слепую зону.

Примерные свойства ультразвуковых датчиков в зависимости от расстояния приводятся в таблице

Использование способа отслеживания границы чувствительности дало возможность снизить слепую зону в два раза. Но для применения датчиков возле слепой зоны необходима тщательная проработка. Поэтому в свойствах датчика по расстоянию кроме интервала зондирования приведен интервал настройки.

Интервал зондирования – это интервал расстояния обнаружения, который определяется только возможностями датчика в виде направленности и мощности луча, а также свойствами объекта.

Интервал настройки – это интервал расстояний, в котором можно регулировать датчик по месту для его наилучшего применения в конкретном случае. При этом необходимо учитывать расположение объекта относительно датчика и его свойства.

Как и оптический, ультразвуковой датчик широко используется для автоматизации на производствах и в быту. Принцип его работы основан на определении расстояния до объекта с помощью акустического излучения.

Измерения отличаются стабильностью и высокой точностью. Диапазон их находится в пределах 2-400 см. На показания не оказывают влияния ни электромагнитные шумы, ни солнечная радиация.

В быту их используют для автоматического включения вентиляции и освещения. Данные ультразвуковые приборы реагируют на движение как внутри, так и за пределами помещения. При приближении человека, они срабатывают, включая свет, который гаснет при отсутствии движения. Это упрощает жизнь пользователей, позволяет экономить электроэнергию.

Преимущества

Как уже сказано, датчик ультразвуковой — это высокая точность, стабильность показаний, независимость от внешних воздействий, а также:

• низкая чувствительность к загрязнениям воздуха;
• независимость от окраски предметов, до которых определяется расстояние;
• широкий температурный диапазон эксплуатации;
• компактные размеры;
• отсутствие необходимости специального опыта для работы с ними;
• качественная сборка, поскольку отсутствуют подвижные детали.

Помимо перечисленных достоинств, подобные ультразвуковые датчики не требуют обслуживания.

Приборы ультразвуковые бывают внутренними и наружными.

Первые подразделяют на:

Выбирая такие ультразвуковые устройства, важно понимать, что они отличаются типом установки и конструкцией. Для контроля за внешним освещением выбирают наружные модели, снабженные защитным кожухом, необходимым для предохранения от физического воздействия и погодных условий. Бытовые устройства ультразвуковые такой защиты не имеют.

Их также условно разделяют на:

• ультразвуковой датчик расстояния;

• движения;

• уровня.

Принцип работы

В ее основе лежат два метода – диффузный и оппозиционный:

• если измеряется промежуток времени, необходимый для преодоления звуком расстояния от прибора к объекту и обратно – это режим диффузный;
• когда проверяют, получил ли конкретный объект сигнал, отправленный прибором – режим называется оппозиционным.

Применение

Датчики ультразвуковые положения используют для:

• определения месторасположения и наличия различных механизмов;
• подсчета количества конкретных объектов.

Прибор выполнять может роль сигнализатора, информирующего о достижении жидкостями или сыпучими веществами допустимого уровня.

В этом случае требуется два отдельных прибора – приемник и передатчик установить напротив. В этом случае, активирование выхода выключателя произойдет тогда, когда УЗ пучок достигнет объекта.

К особенностям относятся:

• больший диапазон;
• мгновенное переключение;
• устойчивость к интерференции, позволяющая применять его в особо сложных случаях.

Из недостатков отметить можно достаточно высокие затраты на монтаж, поскольку установить необходимо два датчика.

Их используют на производствах и в быту для автоматического включения и выключения света. Но, вовсе не обязательно датчик покупать – его изготовить несложно своими руками, найдя в Интернет пошаговую инструкцию.

Если приемник с передатчиком помещен в один корпус, говорят о диффузном режиме. Основными преимуществами метода является небольшая стоимость монтажа, поскольку устанавливается единственное устройство.

Рекомендуем:

• Натриевый аккамулятор заряжаемый за 1 секунду как работает
• Арт самолеты: особенности, цена, где купить
• О работе, достоинствах и недостатках безлопастного вентилятора

Недостатки его следующие:

• большее время срабатывания по сравнению с устройствами, функционирующими в режиме оппозиционном.

Функционирование ультразвуковых датчиков движения и расстояния аналогично описанному выше. Отличие заключается только в выходящем сигнале, т.е. вместо дискретного, имеется аналоговый.

Эти приборы способны преобразовывать сигналы до конкретного предмета линейные, в электрический, соответствующие стандартам 1-10 Вольт или 4-20 мА.

Погрешность расчетов равна:

• 0,5 мм при дальности расположения исследуемого объекта до одного метра;
• 1 мм – более метра.

Подключение

Для домашнего безопасного применения важно подключить правильно автоматический выключатель, а также учесть нюансы, существующие для установки разновидностей оборудования, оценить показатели срабатывания автоматов в разных ситуациях, прежде, чем переходить к подключению к щитку.

Насколько электропроводка в доме и монтаж будут успешными, определит грамотно составленная схема ультразвукового датчика и строгое соблюдения установочных шагов. Для приборов с входом аналоговым и верхним значением границы показаний, необходимо указывать верхний предел.

Это реализовать помогают выведенные на корпус шлицы потенциометра.

Для приборов с аналоговым входом, запоминающих рабочий диапазон, важны фиксированные настройки обоих пределов, что объясняется энергозависимой их памятью и способом программирования.

Как настроить диапазон работ

Для этого, следует разместить объект перед датчиком на первой границе показания, нажать клавишу запоминания, затем, переместив его к другой границе, вновь воспользоваться вновь кнопкой.

Прибор с двумя цифровыми выходами

Имеющий два цифровых выхода прибор с порогом включения, тем, что для регулирования порогов важно, чтобы значение уровня жидкости или провис не были больше одного значения или меньше другого.

У данного регулятора провод подсоединяется к одному устройству. На панели, для настраивания порога срабатывания, предусмотрена клавиша, воспользовавшись которой настраивают оба выхода.

Оба датчика в непосредственной близости необходимо устанавливать, поскольку работают они попеременно. Это дает возможность реализовать вход синхронизации, что в свою очередь помогает создать четырехпороговый регулятор, измеряющий значения порогов срабатывания обеих пар.

Приборы уровня

Датчик уровня ультразвуковой — прибор многофункциональный. Он может измерять наполнение жидкостью резервуаров, служить расходомером.

Применение принципиальной схемы грамотной позволяет жидкость, находящуюся в емкостях, регулировать по двум значениям.

Один из датчиков служит для замера уровней регулировочных, другой – аварийных. Синхронизация приборов исключает не мешают работе друг друга.

С помощью современных датчиков уровня контролируют без прямого контакта количество жидкости в средах:

Это важно для таких областей, как:

• пищевая, фармацевтическая и химическая промышленность;
• водоочистка.

Основана работа уровнемера на распространении ультразвукового сигнала, посылаемого датчиком, ее приеме и расчете наполненности емкости.

Видео

Видео: Работа с ультразвуковым датчиком расстояния HC-SR04 в BASCOM-AVR

Стоимость

В зависимости от бренда производителя и функциональных возможностей, можно купить ультразвуковые датчики по цене от 2300 до 6000 рублей.

Выгодно ультразвуковые датчики купить предлагают интернет-магазины:

Природа кристаллов пьезоэлектрических элементов позволяет генерировать звук высокой частоты под воздействием электрического напряжения. Оказавшись в поле высокочастотных звуковых колебаний, пьезокристалл, напротив, генерирует электрическую энергию. Включив такие кристаллы в электрическую цепь, и определенным образом обрабатывая получаемые с них сигналы, мы можем видеть изображение на экране УЗИ-аппарата.

Меры предосторожности при работе с ультразвуковыми датчиками

Между кристаллической матрицей датчика и телом пациента располагается ряд согласующих материалов для лучшего проникновения и дополнительной фокусировки УЗ-луча. Это согласующие слои самого датчика, акустическая линза и согласующий акустический гель.

Необходимо помнить, что применять следует гель из рекомендуемого производителем списка, поскольку гели отличаются физическими параметрами. Использование «неправильного» геля будет приводить к перегреву пьезокристаллической матрицы, согласующих слоев и линзы, а также к повышенной нагрузке на электронные блоки формирования высокого напряжения и усиления принятого сигнала.

Таким образом, кажущаяся необоснованность и экономия от использования более дешевого геля приведет к поломке датчика и дорогостоящему ремонту самого аппарата, а в некоторых случаях даже электротравмам пациента или врача, так как на головку датчика подается высокое электрическое напряжение.

Если у Вас все же возникла проблема с датчиком, не спешите его списывать:

Несмотря на всю сложность, ремонт датчиков УЗИ возможен практически в любом случае.

Как работает ультразвуковой датчик в B-режиме

Через ультразвуковой пьезоэлектрический датчик в ткани отправляется короткий импульс.

Он распространяется и отражается от объектов, расположенных на разной глубине. Скорость распространения ультразвука в тканях известна, поэтому можно определить определить расстояние до объекта, который отразил данный эхо-сигнал.

Амплитуда принятого сигнала кодируется на экране с помощью оттенков серого цвета. Глаз человека больше всего восприимчив именно к оттенкам серого. Таким образом происходит кодировка амплитуды принимаемого сигнала в яркость на мониторе УЗ-сканера.

При этом работа ультразвукового датчика для пользователя заключается в следующем:

твердые объекты выглядят более светлыми, почти белыми, пустоты наоборот — черными.

Это происходит потому, что амплитуда отраженного от кости сигнала велика. Если же направить луч в полость (в пустоту), УЗ-луч пройдет очень глубоко, сильно ослабнет и амплитуда принятого отраженного сигнала будет близка к нулю. Биологические ткани, представляющие наибольший интерес для врача, на дисплее аппарата отображаются в промежуточных градациях серого цвета.

Работа линейных, конвексных и секторных датчиков

В линейных и конвексных датчиках пьезокристаллы излучают группами поочередно, пока не отработают все кристаллы от начала пьезокристаллической матрицы до конца. Один кадр на дисплее обновится тогда, когда все группы поочерёдно отправят и примут ультразвуковой сигнал.

В секторных фазированных датчиках все кристаллы излучают почти одновременно. Специально вводятся небольшие электронные задержки сигнала на каждый кристалл для того, чтобы направлять сканирующий луч. Изображение на дисплее обновится тогда, когда луч просканирует весь сектор обзора.

Работа ультразвукового датчика в режимах допплера

Рассмотрим прам из видов доплера – режиме постоянного доплера. Суть метода заключается в применении эффекта Доплера.

Звук, отражаясь от подвижного объекта, меняет свою частоту. В зависимости от направления движения объекта и его скорости, Эта разница, или сдвиг частот, называется Допплеровским. Он будет изменяться с течением времени.

В данном режиме одна половина кристаллов датчика работает на излучение ультразвука, а вторая – на приём. Сравнивая принятый сигнал с отправленным, мы получим частотный допплеровский сдвиг ультразвука.

По значению сдвига можно высчитать скорость движения тканей или жидкостей в организме. Допплеровский сдвиг часто лежит в пределах слышимых человеком частот (20Гц-20кГц), поэтому его в качестве дополнительного источника информации выводят в форме звука, через динамик аппарата.

Существуют и другие режимы работы УЗ-сканера, в которых работа датчика отличается от изложенных выше, как программно, так и аппаратно.

Описать все нюансы работы такого сложного оборудования в сжатом виде крайне сложно, поэтому, если у Вас остались вопросы, наши специалисты готовы проконсультировать Вас по телефону, электронной почте или через онлайн-форму на нашем сайте.