1.3. Ультразвуковые датчики
Звуковые частоты, лежащие выше порога слышимости, называются ультразвуковыми. Ультразвук занимает диапазон колебаний с частотой 20 кГц – 1 ГГц. Особые свойства ультразвука обусловлены высокой частотой и связанной с ней малой длиной волны. Свойства ультразвука сходны со свойствами света: они могут образовывать строго направленные пучки, для ультразвуковых волн справедливы законы отражения. С помощью вогнутого зеркального рефлектора ультразвуковые волны можно направлять от источника в строго определенном направлении. Ультразвук не дифрагирует и распространяется прямолинейно. Перечисленные свойства ультразвука определяют его применение:
– измерение глубины с помощью эхолота;
дефектоскопия материалов (используется свойство ультразвука отражаться от границ двух сред);
пайка алюминия;
обезгаживание металлических расплавов и жидкостей;
разрушение биологических клеток и ряд других специфических случаев применения (эмульгирование, массаж).
Ультразвук можно создавать различными способами: механическими, магнитострикционными, электрическими. Последние два получили наибольшее распространение. Магнитострикционные излучатели ультразвука основаны на деформации ферромагнетиков (железо, никель и др.) в переменном магнитном поле. Частоту генерируемых колебаний магнитострикционными излучателями определяют по формуле:
(1.5)
где ℓ – длина стержня; Е – модуль упругости; ρ – плотность материала.
Так, например, никелевый стержень длиной ℓ = 100 мм, помещенный в переменное магнитное поле, совершает продольные колебания с частотой ƒ = 24,3 кГц и амплитудой 1 мкм.
Наибольшая частота, на которой удается возбудить достаточно интенсивные колебания, составляет 60 кГц, что соответствует длине стержня 40 мм.
Электрический способ получения ультразвуковых волн основан на использовании пьезоэлемента. В пьезоэлектрическом излучателе используется кварцевая пластина, к которой приложено переменное напряжение Uх, создающее электрическое поле в направлении электрической оси Х (рис. 1.7). Продольный обратный пьезоэффект заключается в деформации кварцевой пластины вдоль оси Х. При этом относительное изменение толщины пластины определяется формулой:
.
(1.6)
Из формулы (1.6) следует, что продольная деформация не зависит от размеров (ширины b и длины ℓ) пластины, а определяется только ее толщиной d.
Рис. 1.7
Частота собственных продольных колебаний определяется по формуле:
(1.7)
где d – толщина кварцевой пластины; Ех – модуль упругости пластины кварца в направлении электрической оси Х.
Эффект обратимости в кварцевых или керамических пластинах используется в ультразвуковых датчиках. Приложенное к пластине изменяющееся с некоторой частотой напряжение вызывает колебания электрического поля, что, в свою очередь, создает звуковые волны той же частоты. Эти волны, распространяясь в воздухе со скоростью 340 м/с, достигают препятствия и отражаются от него, возвращаясь к излучателю. Воздействуя на пластину, отраженные волны вызывают появление на ней разности потенциалов. Таким образом, пластина вначале работает как излучатель, а затем как приемник ультразвуковых волн. Диапазон срабатывания датчика регулируется изменением мощности излучаемых волн и промежутком времени ожидания отраженного сигнала.
Пьезокерамические высокочастотные датчики/излучатели, например, серии МА, выпускаемые японской фирмой MURATA, применяются в основном для измерения расстояний и определения уровня жидкостей.