Зенькович гр.990241 КР ИАТК

Ультразвуковые датчики, применение, принцип действия.

Внимание к акустике было вызвано потребностями морского флота ведущих держав - Англии и Франции, т.к. акустический – единственный вид сигнала, способный далеко распространяться в воде. В 1826 году французский учёный Колладон определил скорость звука в воде. Эксперимент Колладона считается рождением современной гидроакустики. Удар в подводный колокол в Женевском озере происходил с одновременным поджогом пороха. Вспышка от пороха наблюдалась Колладоном на расстоянии 10 миль. Он также слышал звук колокола при помощи подводной слуховой трубы. Измеряя временной интервал между этими двумя событиями, Колладон вычислил скорость звука - 1435 м/сек. Разница с современными вычислениями только 3 м/сек.

В 1838 году, в США, звук впервые применили для определения профиля морского дна . Источником звука, как и в опыте Колладона, был колокол, звучащий под водой, а приёмником большие слуховые трубы, опускавшиеся за борт. Результаты опыта были неутешительными – звук колокола, также как и подрыв в воде пороховых патронов, давал слишком слабое эхо, почти не слышное среди других звуков моря. Надо было уходить в область более высоких частот, позволяющих создавать направленные звуковые пучки.

Первый генератор ультразвука сделал в 1883 году англичанин Гальтон. Ультразвук создавался подобно звуку высокого тона на острие ножа, когда на него попадает поток воздуха. Роль такого острия в свистке Гальтона играл цилиндр с острыми краями. Воздух (или другой газ), выходящий под давлением через кольцевое сопло, диаметром таким же, как и кромка цилиндра, набегал на неё и возникали высокочастотные колебания. Продувая свисток водородом, удалось получить колебания до

170 кГц.

В 1880 году Пьер и Жак Кюри сделали решающее для ультразвуковой техники открытие. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца генерируется электрический заряд, прямо пропорциональный прикладываемой к кристаллу силе. Это явление было названо "пьезоэлектричество" от греческого слова, означающего "нажать". Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу, вызывая его вибрацию. Отныне появилась техническая возможность изготовления малогабаритных излучателей и приёмников ультразвука.

Гибель «Титаника» от столкновения с айсбергом, необходимость борьбы с новым оружием - подводными лодками требовали быстрого развития ультразвуковой гидроакустики. В 1914 году, французский физик Поль

Ланжевен совместно с русским учёным, жившим в Швейцарии - Константином Шиловским впервые разработали гидролокатор, состоящий

из излучателя ультразвука и гидрофона - приёмника УЗ колебаний, основанный на пьезоэффекте. Гидролокатор Ланжевена – Шиловского, был первым ультразвуковым устройством, применявшимся на практике. Также в начале века российский ученый С.Я.Соколов разработал основы ультразвуковой дефектоскопии в промышленности. В 1937 году немецкий врач-Упсихиатр Карл Дуссик, вместе с братом Фридрихом, физиком, впервые применили ультразвук для обнаружения опухолей головного мозга, но результаты полученные ими оказались недостоверными. В медицинской диагностике ультразвук начал применяться только с 50-х годов XX-го века в США.

Используемые в промышленности источники ультразвука могут быть разделены на две группы: механические и электромеханические.

Из механических источников ультразвука наибольшее применение получили динамические (сирены) и статические (свистковые). Сирены имеют статор с отверстиями и ротор из перфорированного диска. При подаче в корпус сирены пара, газа или сжатого воздуха ротор вращается, периодически закрывая и открывая отверстия статора, создавая механические колебания. Сирены широко применяют, например, для осаждения тумана серной кислоты и мелкодисперсной сажи в процессе их производства.

Из статических источников ультразвука (генераторов) наиболее известен свисток Гартмана, в котором звуковые колебания возникают при ударе струи газа, движущейся со сверхзвуковой скоростью из сопла в цилиндрический резонатор.

Из электромеханических источников наибольшее применение получили магнитострикционные и пьезокерамические преобразователи.

Основной частью магнитострикционного преобразователя служит так называемый двигатель из ферромагнитного материала, обладающий способностью изменять свои размеры в магнитном поле. Например, стержень из никеля, помещенный в магнитное поле, укорачивается, а стержень из железокобальтового сплава (пермендюра) — удлиняется.

Пьезоэлектрический эффект заключается в том, что при растяжении и сжатии в определенных направлениях некоторых кристаллов, например кварца, на их поверхности возникают электрические заряды (прямой пьезоэффект).

Если к такой кварцевой пластинке подвести электрический заряд, то она изменит свои размеры (обратный пьезоэффект). При действии на пластинку переменного электрического поля она будет сжиматься или разжиматься

синхронно с изменением приложенного напряжения. Прямой пьезоэлектрический эффект используется в приемниках ультразвуковых колебаний, где последние преобразуются в переменный ток.

Обратный пьезоэффект используется при изготовлении излучателей ультразвуковых колебаний, которые преобразуют электрические колебания в механические, главным образом, более высоких частот по сравнению с магнитострикционными.

Одним из основных технологических применений ультразвука является интенсификация многих технологических процессов.

Ультразвуковые колебания применяются при ускорении таких процессов, как полимеризация (например, ультразвуковая обработка эмульсии при изготовлении искусственного каучука).

С помощью ультразвука можно ускорить и растворение твердых веществ в жидкости. Например, продолжительность растворения вискозы в процессе изготовления химических волокон при применении ультразвука сокращается с 7 до 3 ч.

В химических процессах ультразвук применяют для очистки деталей (подшипников, электрических контактов и др.) и сборочных единиц от загрязнений.

Качество ультразвуковой очистки несравнимо с другими способами. Например, при очистке деталей в различных органических растворителях на их поверхности остается до 80% загрязнений, при вибрационной очистке — около 55 %, а при ультразвуковой — не более 0,5 %.

Ультразвуковые методы в большинстве случаев обеспечивают полную очистку деталей от технических загрязнений.

Ультразвуковые датчики обладают своими особенностями, определяющими их сферу применения. Они имеют малую дальность функционирования, направление сигнала, малую скорость распространения волн. Главным достоинством датчиков является низкая цена.

Типы ультразвуковых датчиков

Ультразвуковые датчики работа которых основана на скорости ультразвука в различных средах.

Аналоговые

Работа такого датчика заключается в том, что время прохождения ультразвука в датчике создается в форме аналогового сигнала. Изготовители

производят комбинированные датчики с двумя выходами: аналоговым и переключательным. В таких датчиках можно задавать границы измерения внутри интервала обнаружения.

Различные исполнения датчиков имеют аналоговый выход с возможностью сигнала выхода от 4 до 20 миллиампер, либо выход напряжения до 10 вольт. Существуют также датчики с автоматическим переключением вида выхода в зависимости от типа нагрузки.

Границы измерения в разных датчиках имеют возможность регулировки:

Заданием свойств по интерфейсу.

С помощью кодирующих переключателей.

Двумя потенциометрами.

Цифровые ультразвуковые датчики

Существуют датчики, которые обрабатывают сигнал в цифровой вид. В них предусмотрен цифровой дисплей с прилагаемым устройством обработки данных. Чаще всего применяется интерфейс RS – 232. Это позволяет создать информативный диалог между устройством управления и датчиком, что в свою очередь увеличивает гибкость использования датчика и дает возможность более полно применять его функциональные возможности.

Цифровой интерфейс позволяет вводить параметры, необходимые для обработки сигнала. Такими параметрами являются пределы интервала обнаружения, вид переключения выхода, режим зондирования, параметры и свойства среды. Одним датчиком можно обнаружить объект, и вычислить на каком расстоянии он находится. В датчиках имеются два вспомогательных переключателя выхода.

Интеллектуальные датчики

Кроме регулируемых датчиков с возможностью настройки, существуют самообучающиеся датчики. Они могут сохранить в памяти диаграмму сигнала отражения при включении или активации конфигурации. В конце этого процесса поступающие сигналы подлежат сравнению с сохраненными ранее сигналами. Датчик взаимодействует только с отличающимися от сохраненных сигналами. В результате в интервале обнаружения посторонние объекты никак не влияют.

Инновационные ультразвуковые датчики из-за широкого применения возможностей и научных достижений в области электроники характерны своими малыми размерами. Поэтому они требуют совсем незначительное количество места для монтажа. В малом объеме корпуса заключено много сложнейших функций: компенсация температуры, синхронизация, предварительная конфигурация и т.д.

Датчики способны обнаруживать объекты бесконтактным методом в интервале 30-500 мм.

Интеллектуальные ультразвуковые датчики используются в устройствах для определения уровня наполнения емкости, сохраняют в памяти сигнал отражения при пустой емкости. При этом сохраняются все отраженные сигналы от специальной оснастки, которая вмонтирована в емкость, например, спирали нагревания, мешалки, аварийные трапы. Если уровень наполнения емкости изменяется, то отраженные сигналы сравниваются с первоначальным значением.

«Обнаруженными» являются объекты, которые не присутствовали на предварительной конфигурации. Помехи в виде случайных сигналов в результате проверки на достоверность исключаются.

Сфера использования Работа эхолота

Действие ультразвукового датчика можно рассмотреть на работе прибора, определяющего глубину моря, то есть, эхолота. На пьезоэлемент 2 подается переменное напряжение, возникают колебания ультразвука, которые имеют направление вертикально вниз.

Импульс ультразвука отражается и поступает на пьезоэлемент 2. Электронный прибор 3 определяет время t между отправленным и принимаемым импульсами. Можно рассчитать глубину моря по формуле, из которой видно, что глубина h прямо зависит от скорости звука v и

времени t: h = v * t / 2.

Шкала прибора отградуирована в метрах. Подобным образом работает ультразвуковой локатор, который определяет дальность до препятствия по ходу корабля в прямом направлении. Существуют животные, у которых есть органы чувств, работающие на ультразвуковом принципе, например, дельфины, летучие мыши.

Уровнемеры и дефектоскопы

В ультразвуковых дефектоскопах и уровнемерах применяется свойство отражения ультразвука от границы сред. Отношение между энергиями излучающих и отраженных колебаний является коэффициентом отражения. Он имеет значительную величину в средах с разными скоростями звука и плотностью. На границе сталь-вода коэффициент отражения равен 88, а на границе трансформаторное масло-вода – 0,6. Однако даже при незначительных коэффициентах отражения величина отраженного сигнала достаточна для определения положения границы сред.

Единицей измерения удаленности до границы сред является время распространения колебаний до нее и обратно до приемника. С помощью способности ультразвука проходить через любые среды можно производить измерения бесконтактным методом, не касаясь среды.

Ультразвуковые уровнемеры работаю чаще всего по принципу передачи импульсов в среду. Пьезоэлемент работает поочередно излучателем и приемником.

Импульсы высокой частоты подаются от генератора 2 по проводнику к датчику, излучающему колебания ультразвука в контролируемую среду. Они отражаются от раздела сред и приходят обратно к пьезоэлектрическому элементу, преобразующему колебания в сигнал электрического тока.

Сигнал проходит через усилитель 3 и поступает на устройство измерения 4, которое определяет время между отправлением импульса генератором 2 и возвращением его в усилитель. В итоге многоразового отражения импульса могут возвратиться несколько сигналов, которые уменьшаются в амплитуде и опаздывающие на равное время.

Частота импульсов не должна быть очень большой, так как отраженные сигналы должны успеть возвратиться до отправления следующего импульса. Такие уровнемеры работают с точностью 1% при уровне измерения около 10 метров при повышенной температуре, давлении, в агрессивной среде. В воздушном пространстве колебания ультразвука затухают намного быстрее, чем в жидкостях и твердых телах. Поэтому в устройстве расходомера излучатель целесообразно установить под емкостью с жидкостью, а не над ней.

Ультразвуковые расходомеры

Принцип действия ультразвукового расходомера заключается в эффекте суммирования скорости ультразвука в среде со скоростью перемещения среды. Пьезоэлементы 1 и 2 находятся возле трубопровода и приводятся в действие от генератора 3. Каждый пьезоэлемент поочередно действует приемником и излучателем с помощью переключателя 4.

В результате колебания ультразвука проходят в одну сторону попутно потоку среды, а другую сторону навстречу потоку. По потоку скорости колебаний складываются со скоростью потока, а в обратном направлении вычитаются.

Сигналы, прошедшие по среде, усиливаются с помощью усилителя 5 и проходят на устройство измерения 6. Разность фаз колебаний прямо зависит от скорости среды. Шкала прибора градуируется для каждой отдельной среды. Если прибор применяется для другой среды, то градуировка должна меняться.

Датчики парковки

Чаще всего датчики применяются в автомобилях в системах парковки. Датчики с повышенной дальностью работы широко применяются в системах управления транспортом в автоматическом режиме. Принцип их действия аналогичен принципу рассмотренных выше датчиков. Парктроники могут устанавливаться на различные модели автомобилей.