ультразвуковые датчики реферат. Реферат ультразвуковые датчики. Реферат на тему Ультразвуковые датчики по учебной дисциплине

• Название: Реферат на тему Ультразвуковые датчики по учебной дисциплине
• Анкор: ультразвуковые датчики реферат
• Дата: 26.04.2023
• Размер: 338 Kb.
• Имя файла: Реферат ультразвуковые датчики.doc
• Тип: Реферат; #1092245

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

«Защищенные высокопроизводительные вычислительные системы и технологии»

РЕФЕРАТ

на тему

Ультразвуковые датчики

по учебной дисциплине:

«Архитектура информационных систем/ Датчики и интерфейсы для робототехники»

Выполнил: Ахмад Радмир Мустафа

Проверил: Джаманшалов Муратбек Кусманович
Алматы, 2022
Содержание
Введение……………………………………………………………………………... Error: Reference source not found

1 Ультразвуковые датчики - назначение, устройство и принцип работы. Error: Reference source not found

1.1 Ультразвуковые датчик движения. 5

1.2. Двоичное обнаружение предмета. 8

2 Магнитострикционные излучатели 10

2.1. Излучатели ультразвуковых колебаний…………………………………… 11

2.2. Применение ультразвуковых датчиков……………………………………. 14

Заключение…………………………………………………………………………. 16

Список использованных источников……………………………………………... 17

Введение
Работа ультразвуковых датчиков основана на взаимодействии ульт­развуковых колебаний с измеряемой средой. К ультразвуковым от­носят механические колебания, происходящие с частотой более 20 000 Гц, т. е. выше верхнего предела звуковых колебаний, воспри­нимаемых человеческим ухом. Распространение ультразвуковых ко­лебаний в твердых, жидких и газообразных средах зависит от свойств среды. Например, скорость распространения этих колеба­ний для разных газов находится в пределах от 200 до 1300 м/с, для Жидкостей — от 1100 до 2000, для твердых материалов — от 1500 до 8000 м/с. Очень сильно выражена зависимость скорости колебаний в газах от давления.

Различны коэффициенты отражения ультразвуковых волн на границе раздела разных сред, различна и звукопоглощательная спо­собность разных сред. Поэтому в ультразвуковых датчиках инфор­мация о различных неэлектрических величинах получается благода­ря измерению параметров ультразвуковых колебаний: времени их распространения, затухания амплитуды этих колебаний, фазового сдвига этих колебаний.

Ультразвуковые методы измерения относятся к электрическим методам постольку, поскольку возбуждение ультразвуковых колеба­ний и прием этих колебаний выполняются электрическим спосо­бом. Обычно для этого используют пьезоэлементы и магнитострикционные преобразователи. В гл. 7 были рассмотрены пьезоэлектри­ческие датчики, преобразующие давление в электрический сигнал. Это прямой пьезоэффект. Он используется в приемниках ультразву­кового излучения. Обратный пьезоэлектрический эффект заключа­ется в сжатии и растяжении пьезокристалла, к которому приложено переменное напряжение. Для возбуждения ультразвуковых колеба­ний и используется этот эффект. Таким образом, пьезоэлемент мо­жет использоваться попеременно то излучателем, то приемником ультразвуковых колебаний.

1 Ультразвуковые датчики - назначение, устройство и принцип работы
1.1 Ультразвуковые датчик движения
Ультразвуковые датчики обнаруживают объекты и материалы различной формы, цвета и поверхности, путем изучения ультразвуковых волн, которые отражаются от обнаруживаемого предмета и возвращаются к излучателю. Расстояние на котором они работают колеблется от десятков сантиметров до 8 или 10 метров.

Ультразвук, звук частотой более 16 кГц, человек не воспринимает, тем не менее, скорость его распространения в воздушной среде известна, и составляет 344 м/с. Располагая данными о скорости звука и времени его распространения, можно вычислить точное расстояние, которое прошла ультразвуковая волна. Этот принцип положен в основу работы ультразвуковых датчиков.

Ультразвуковые датчики широко применяются в самых разных сферах производства, и в некотором роде являются универсальным средством решения многих задач автоматизации технологических процессов. Такие датчики применяются для определения удаленности и местонахождения различных объектов.

Определение уровня жидкости (например, расхода топлива на транспорте), обнаружение этикеток, в том числе и прозрачных, контроль передвижения объекта, измерение расстояния, - вот лишь некоторые из возможных применений ультразвуковых датчиков.

Как правило, на производствах немало источников загрязнения, что может стать проблемой для многих механизмов, но ультразвуковой датчик, в силу особенностей его работы, абсолютно не боится загрязнений, поскольку корпус датчика, при необходимости, может быть надежно защищен от возможных механических воздействий.

Активный диапазон ультразвукового датчика является рабочим диапазоном обнаружения. Диапазон обнаружения – это то расстояние, в пределах которого ультразвуковой датчик может обнаружить объект, и неважно, приближаются ли объект к чувствительному элементу в осевом направлении или двигается поперек звукового конуса.



Рис 1.1 - Устройство ультразвукового датчика движения
Принцип действия: ультразвуковой датчик вычисляет время, которое требуется звуку для движения от датчика до объекта и назад на датчик (диффузионный режим работы) или проверяет, был ли получен посланный сигнал отдельным приемником (оппозитный режим работы).

Оппозитный режим работы


Рис. 1.2 – Оппозитный режим работы

Передатчик и приемник являются отдельными устройствами и монтируются друг напротив друга. Выход выключателя активизируется, если ультразвуковой пучок прерывается объектов.

Особенности:

– Широкий диапазон, так как ультразвуковой пучок проходит сигнальное расстояние один раз;

– Менее восприимчив к интерференции, подходит для работы в трудных условиях;

– Очень быстрые переключения;

– Повышенная стоимость монтажа, так как должны быть подключены два датчика (Излучатель и Приемник).

Диффузионный режим работы:


Рис. 1.3 – Диффузионный режим работы
Передатчик и приемник находятся в одном корпусе. Это минимизирует стоимость монтажа, так как необходимо монтировать и подключить только один прибор. Время срабатывания дольше, чем у датчиков в оппозитном режиме. ультразвуковой датчик рефлекторный оппозитный. Переключающий выход.

Точка переключения у датчиков с двумя независимыми точками переключения каждый выход становится активным, когда объект находится в диапазоне переключения 1 и 2.

Эти точки переключения могут быть произвольно настроенными в рабочем диапазоне.
1. 2 Двоичное обнаружение предмета
Рабочий цикл звуковых импульсов определяет расстояние до объекта. Точка переключения или окно переключения определяется с точностью до миллиметра позиционирования посредством предварительной обучающей настройки или программирования. Расстояние до объекта от датчика, сравнивается с точкой переключения или окном переключения, выходные переключатели включаются или выключаются в зависимости от результата этого сравнения.

При обучающей настройке датчика с помощью двух потенциометров, кнопок или программатора (в зависимости от модели датчика) устанавливаются начало первого диапазона переключения 1 и конец второго диапазона переключения 2. Конец диапазона переключения 1 одновременно является началом диапазона переключения 2.

Особенности:

– Диапазон обнаружения зависит от свойств поверхности и угла падения на объект;

– Простая установка, полноценный датчик в одном блоке

Как правило, обнаружение объектов представлено двоичным сигналом в переключающем выходе, или аналоговым сигналом расстояния в аналоговом выходе (4…20 мА или 0…10В).

Излучатель и приемник устанавливаются в одном и том же корпусе. Ультразвуковой луч отражается назад на приемник от фона (рефлектора). Объекты, входящие в диапазон обнаружения, обнаруживаются:

– путем изменения в измеряемом расстоянии;

– путем потери в отраженном сигнале из-за поглощения или отражения;

Выход ультразвукового датчика включается в следующих случаях:

– Датчик получает эхо от маленького объекта в звуковом конусе и от опорного рефлектора;

– Датчик обнаруживает большой объект и больше не получает эхо от опорного рефлектора;

– Датчик не получает эхо, так как наклонный предмет отклоняет звук.

Положение опорного рефлектора не должно изменяться.

2 Магнитострикционные излучатели
Магнитострикционные излучатели ультразвука используют яв­ление деформации ферромагнитов в пе­ременном магнитном поле.

Поясним работу ультразвукового датчика на примере эхолота — прибора для измерения глубины моря (рис. 13.1). При подаче переменного напряжения на пьезоэлемент 1 возбуждаются ультра­звуковые колебания, направленные вер­тикально вниз. Отраженный ультразву­ковой импульс воспринимается пьезоэ-лементом 2. Электрический прибор 3 измеряет время t между посылаемым и принимаемым импульсами. Глубина моря пропорциональна этому времени и скорости распространения звука и в воде Н = υt/2.


Рис 1.1 - Устройство Магнитострикционного излучателя
Шкала прибора градуируется непо­средственно в метрах. Аналогично дей­ствует ультразвуковой локатор, определяющий расстояние до препятствия на пути корабля в горизонталь-лом направлении. Некоторые животные (например, летучие мыши и дельфины) имеют органы ориентировки, действующие по прин­ципу ультразвукового локатора.

Ультразвуковые колебания имеют энергию значительно боль­шую, чем звуковые, поскольку энергия пропорциональна квадрату частоты. Кроме того, сравнительно просто осуществляется направ­ленное излучение ультразвука.

С помощью ультразвуковых датчиков обнаруживают дефекты в металлических деталях: трещины в изделиях, полости в отливках и т. д. Ультразвуковые датчики играют важную роль в дефектоскопии, в неразрушающих методах контроля. Кроме того, ультразвуковые датчики используются в приборах для измерения расхода, уровня, давления.
2.1 Излучатели ультразвуковых колебаний
В ультразвуковых электрических датчиках наибольшее распростра­нение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические излу­чатели, возбуждаемые с помощью полупроводниковых и электрон­ных генераторов, вырабатывающих переменное напряжение с час­тотой более 10 кГц. Часто применяется и импульсное возбуждение ультразвуковых излучателей.

Магнитострикционный излучатель стержневого типа представляет собой набор тонких листов из ферромаг­нитного материала, на который намотана обмотка возбуждения. Чаще всего в магнитострикционных излучателях используется ни­кель и его сплавы (инвар и монель), а также ферриты.

Если стержень из ферромагнитного материала находится в пере­менном магнитном поле, то он будет попеременно сжиматься и раз­жиматься, т. е. деформироваться. Зависимость относительного из­менения длины ∆l/l стержня из никеля от напряженности магнит­ного поля Н показана на рис. 13.3. Так как знак деформации не зависит от направления поля, то частота колебании деформации бу­дет в два раза больше частоты переменного возбуждающего поля. Для получения больших механических деформаций используют по­стоянное подмагничивание стержня, чтобы работать на наиболее крутом участке кривой.

Магнитострикционные излучатели работают в условиях резо­нанса, когда частота возбуждающего поля совпадает (настроена в резонанс) с частотой собственных упругих колебании стержня, ко­торая определяется по формуле

Формула 2.1



где l — длина стержня; Е — модуль упругости; р — плотность мате­риала.

Для никелевого стержня длиной l= 100 мм частота собственных колебаний составляет 24,3 кГц, амплитуда достигает примерно 1 мкм. Наивысшая частота, на которой еще удается возбудить доста­точно интенсивные колебания, составляет 60 кГц, что соответствует длине 40 мм. Помимо основной частоты в стержне можно возбудить и колебания на высших гармониках (при соответствующем крепле­нии стержня), но с меньшей амплитудой.

В пьезоэлектрическом излучателе ультразвуковых колебаний используется пластина кварца (рис. 13.4), к которой приложено пе­ременное напряжение U_x, создающее электрическое поле в направ­лении электрической оси X (см. рис. 7.1). Продольный обратный пьезоэффект заключается в де­формации пластины по оси X.

При этом относительное из­менение толщины пластины

Формула 2.2



Поперечный обратный пьезо­эффект заключается в деформации пластины в направлении механиче­ской оси Y. При этом относитель­ное изменение длины пластины.

Формула 2.3



Как видно из (13.3), продольная деформация не зависит от раз­меров пластины, а поперечная деформация, как следует из (13.4), увеличивается с ростом отношения l/а. При напряжениях до 2,5 кВ сохраняется прямая пропорциональность между величиной дефор­мации и напряжением. При больших напряжениях деформация уве­личивается не столь быстро и при U_x=25 кВ оказывается на 30 % меньшей, чем рассчитанная по (13.3) и (13.4). Амплитуда колебаний достигает максимума при равенстве частоты приложенного напря­жения и частоты собственных колебаний пластины.

Частота собственных продольных колебаний определяется по формуле, аналогичной (13.4), где модуль упругости берется в на­правлении оси X:

Формула 2.4



Частота собственных поперечных колебаний зависит от модуля упругости в направлении оси Y:

Формула 2.5



Для кварцевых пластин f_a=285/а [кГц] и f₁= 272,6/l [кГц], где размеры пластины выражены в сантиметрах.

По сравнению с магнитострикционными пьезоэлектрические излучатели обеспечивают значительно большую (на 1—2 порядка) частоту ультразвуковых колебаний.
2.2 Применение ультразвуковых датчиков
В ультразвуковых уровнемерах и дефектоскопах используется свой­ство ультразвука отражаться от границы двух сред. Соотношение между энергиями отраженных и падающих колебаний называется коэффициентом отражения. Этот коэффициент весьма велик для сред, существенно отличающихся по плотности и скорости распро­странения звука. Например, коэффициент отражения на границе вода — сталь составляет 88, а на границе вода — трансформаторное масло он равен 0,6.

Но даже и при малых коэффициентах отраже­ния полученный отраженный сигнал вполне достаточен для измере­ния положения уровня раздела двух сред. Мерой уровня является время распространения колебаний от источника излучения к грани­це раздела и обратно к приемнику. Эти величины уровня и времени связаны между собой соотношением. Благодаря свойству ультразвуковых колебаний распростра­няться в любых упругих средах между излучателем и измеряемой средой может находиться металли­ческая стенка, что позволяет вести измерение без контакта измерите­льных элементов с контролируемой средой и без электрических вводов в резервуар.

В ультразвуковых уровнемерах используется в основном импуль­сный режим передачи колебаний в среду. При этом пьезоэлемент мо­жет попеременно работать то излучателем, то приемником ультра­звука. Схема ультразвукового уровнемера показана на рис. 13.5. Электрические высокочастотные импульсы от генератора 2 подают­ся по кабелю к пьезоэлементу датчика 1, который излучает ультра­звуковые колебания в измеряемую среду.

Эти колебания отражаются от границы раздела сред и возвращаются к пьезоэлементу, который преобразует их в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается усилителем З и подается на измерительное устройство 4, определяю­щее время между посылкой импульса генератором 2 и приходом им­пульса в усилитель 3.

В результате многократного отражения по­сланного импульса могут вернуться три-четыре сигнала, убывающие по амплитуде и запаздывающие друг относительно друга на одинако­вое время. Частота посылаемых импульсов должна быть не слишком большой, чтобы все отраженные сигналы успели вернуться до по­сылки следующего импульса. Ультразвуковые уровнемеры обеспечи­вают точность в 1 % при измерениях уровня в 5—10 м в условиях вы­сокой температуры, высокого давления, большой химической актив­ности контролируемой среды. В воздухе ультразвуковые колебания затухают во много раз быстрее, чем в жидких (и вообще в более плотных) средах. Поэтому предпочтительнее располагать излучатель и приемник под резервуаром, а не сверху.

В ультразвуковом расходомере используется эффект сложения скорости распространения ультразвука в упругой среде со скоро­стью движения этой среды. Пьезоэлементы 7 и 2 располагаются вдоль тру­бопровода и возбуждаются от генератора 3 на частоте в несколько сотен килогерц. Каждый из пьезоэлементов попеременно с помо­щью переключателя сработает то излучателем, то приемником.

Та­ким образом, ультразвуковые колебания посылаются то по потоку среды, то навстречу ему. В первом случае скорости колебаний и потока складыва­ются, во втором случае — вычитаются. После прохождения по среде сигналы, принятые пьезоэлементами, усиливаются усилителем 5 и поступают попеременно на измерительное устройство 6. Разность фаз принятых колебаний будет пропорци­ональна скорости среды. Градуировка прибора выполняется для определенной среды. При использовании прибора для измерений расхода среды с другим значе­нием скорости распространения ультра­звука изменяется и градуировка.

Следует отметить, что измерительные схемы для ультразвуковых датчиков дово­льно сложны.

Заключение
Целью данного реферата является изучение а также объяснений «Ультразвуковых датчиков» их видов особенностей и их применений.

Использование ультразвуковых датчиков - это поиск способов удовлетворения функциональных требований средствами имеющейся компьютерной технологии с учетом заданных ограничений.

Ультразвуковой датчик может использоваться для измерения скорости расстояния и угла направления, Для измерения расстояния или направления устройство использует несколько детекторов и вычисляет скорость по относительным расстояниям. Для измерения уровня. Другие области применения включают: увлажнители воздуха, гидролокаторы, медицинское ультразвуковое исследование, охранную сигнализацию, неразрушающий контроль и беспроводную зарядку.

Эта технология также может обнаруживать приближающиеся объекты и отслеживать их местоположение.

Ультразвукой датчик может использоваться для измерения расстояния от точки до точки путем передачи и приема дискретных пакетов ультразвука между преобразователями. Этот метод известен как сономикрометрия, при котором время прохождения ультразвукового сигнала измеряется электронным (то есть цифровым) способом и математически преобразуется в расстояние между преобразователями, предполагая, что скорость звука среды между преобразователями известна. Этот метод может быть очень точным с точки зрения временного и пространственного разрешения, поскольку измерение времени пролета может быть получено из отслеживания одного и того же падающего (принятого) сигнала либо по опорному уровню, либо по пересечению нуля. Это позволяет разрешающей способности измерений намного превышать длину волны звуковой частоты, генерируемой преобразователями
Список использованных источников

1. 
   Брук, Карен (2020-07-22)."Советы по уходу и обращению с ультразвуковым преобразователем". Ультразвук. Проверено 2022-02-20. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://osensorax.ru/posiciya/ultrazvukovoj-datchik
   
2. 
   Carotenuto, Riccardo; Merenda, Massimo; Iero, Demetrio; Della Corte, Francesco G. (Июль 2019). "Ультразвуковая система для автономного трехмерного позиционирования в помещении". IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 68 (7): 2507-2518. doi: 10.1109/TIM.2018.2866358. S2CID116511976. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://mirrobo.ru/micro/ultrazvukovye-datchiki/
   
3. 
   Вестервельд, Ваутер Дж. (2014). Кремниевые фотонные микрокольцевые резонаторы для измерения деформации и ультразвука (доктор философии). Технологический университет Делфта. doi:10.4233/uuid:22ccedfa-545a-4a34-bd03-64a40ede90ac. ISBN9789462590793. [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://electricalschool.info/automation/1548-ultrazvukovye-datchiki.html
   
4. 
   С.М. Лейндерс, У.Дж. Вестервельд, Дж. Позо, П.Л.М.Дж. Ван Нир, Б. Снайдер, П. О'Брайен, Х.П. Урбах, Н. де Йонг и М.Д. Вервейдж (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. PMC4585719. PMID 26392386. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://rusautomation.kz/datchiki_urovnya/ultrazvukovie-datchiki-urovnya
   
5. 
   Vieira, Silvio L.; Andrade, Marco A.B. (2020). "Поступательные и вращательные резонансные частоты диска в одноосном акустическом левитаторе". Дщд. 127 (22): 224901. Bibcode:2020JAP...127v4901V. doi: 10.1063/5.0007149. S2CID225744617. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://studme.org/356825/tehnika/ultrazvukovye_opticheskie_datchiki
   
6. 
   "Эхо-зондирование / Ранние звуковые методы". Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA). Центральная библиотека NOAA. 2006. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://rusautomation.ru/articles/ultrazvukovye-datchiki-urovnya-osobennosti-primeneniya/
   
7. 
   SCHNEIDER, MICHEL (1999). "Характеристики SonoVue™". Эхокардиография. Уайли. 16 (s1):743-746. doi: 10.1111/j.1540-8175.1999.tb00144.x. ISSN 0742-2822. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://ruelectronics.com/elektronnye-ustrojstva/elektronnye-moduli-arduino/hc-sr04/?yclid=7186278680627827686
   
8. 
   Шривастав, А.; Бхоги, К.; Мандал, С.; Шарад, М. (август 2019). "Адаптивная схема обнаружения аномалий низкой сложности для носимого ультразвукового исследования". IEEE Transactions on Circuits and Systems. 66 (8): 1466-1470. doi:10.1109/TCSII.2018.2881612. S2CID 117391787. [Электронный ресурс] // Режим доступа: https://uzimir.ru/news-events-reviews/tipyi-ultrazvukovyix-datchikov-i-ix-naznachenie.