مبادئ وخصائص واستخدامات أجهزة الاستشعار فوق الصوتية

مبادئ وخصائص واستخدامات أجهزة الاستشعار فوق الصوتية

مستشعر ريكا

أجهزة الاستشعار فوق الصوتية هي أجهزة تحوّل الإشارات فوق الصوتية إلى إشارات طاقة أخرى (عادةً إشارات كهربائية). الموجات فوق الصوتية هي موجات ميكانيكية بتردد اهتزازي أعلى من 20 كيلوهرتز. تتميز بترددها العالي، وطول موجتها القصير، وقلة حيودها، وتوجيهها الممتاز، مما يسمح لها بالانتشار في اتجاه محدد. تتمتع الموجات فوق الصوتية بقدرة فائقة على اختراق السوائل والمواد الصلبة، وخاصة المواد المعتمة لأشعة الشمس. عند اصطدام الموجة فوق الصوتية بالشوائب أو الأسطح البينية، فإنها تُحدث انعكاسًا قويًا يُشكّل صدى، كما تُحدث تأثير دوبلر عند اصطدامها بجسم متحرك. تُستخدم أجهزة الاستشعار فوق الصوتية على نطاق واسع في الصناعة، والدفاع الوطني، والطب الحيوي، وغيرها.

تصنيف أجهزة الاستشعار فوق الصوتية

المستشعر: "يستطيع استشعار القطعة المقاسة المحددة وتحويلها إلى قطعة قابلة للاستخدام وفقًا لقواعد معينة."

تتكون أجهزة الإشارة عادةً من عناصر حساسة وعناصر تحويل. المستشعر هو جهاز كشف قادر على استشعار المعلومات المراد قياسها، وتحويلها إلى إشارات كهربائية أو معلومات أخرى وفقًا لقواعد محددة. يجب أن يكون إخراج المعلومات بالشكل المطلوب مُلبيًا لمتطلبات نقلها ومعالجتها وتخزينها وعرضها وتسجيلها والتحكم بها. وهو الرابط الأساسي لتحقيق الكشف والتحكم الآليين.

لا توجد حاليًا طريقة تصنيف موحدة لأجهزة الاستشعار، ولكن هناك ثلاث طرق شائعة الاستخدام:

1. وفقًا للكمية الفيزيائية للمستشعر، يمكن تقسيمه إلى مستشعرات الإزاحة، والقوة، والسرعة، ودرجة الحرارة، والتدفق، وتركيب الغاز، وغيرها.

2. وفقًا لمبدأ عمل المستشعر، يمكن تقسيمه إلى مستشعرات المقاومة، والسعة، والحث، والجهد، ومستشعر هول، والمستشعرات الكهروضوئية، والمستشعرات الشبكية، والمستشعرات الحرارية، وغيرها.

3. وفقًا لطبيعة إشارة الخرج للمستشعر، يمكن تقسيمه إلى: مستشعر من نوع المفتاح يكون خرجه قيمة تبديل ("1" و "0" أو "تشغيل" و "إيقاف")؛ مستشعر تناظري؛ مستشعر رقمي نبضي أو رمزي.

هنا، سأقدم بشكل أساسي جهاز استشعار يستخدم على نطاق واسع في الحياة اليومية ويوفر راحة كبيرة للمجتمع البشري - جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية وتطبيقه في رادار الرجوع للخلف.

مقدمة أساسية عن أجهزة الاستشعار فوق الصوتية

أجهزة الاستشعار فوق الصوتية هي أجهزة استشعار مُطوَّرة باستخدام خصائص الموجات فوق الصوتية. لاستخدام الموجات فوق الصوتية كطريقة للكشف، يجب توليدها واستقبالها. الجهاز الذي يُنجز هذه الوظيفة هو جهاز استشعار فوق صوتي، ويُطلق عليه عادةً مُحوِّل طاقة فوق صوتي أو مسبار فوق صوتي.

تتكون مجسات الموجات فوق الصوتية بشكل أساسي من رقائق كهرضغطية، قادرة على إرسال واستقبال الموجات فوق الصوتية. ويكمن جوهر مجس الموجات فوق الصوتية في شريحة كهرضغطية داخل غلاف بلاستيكي أو معدني. ويمكن تصنيع الرقاقة من مواد متنوعة. أما المواد الرئيسية المستخدمة في مجسات الموجات فوق الصوتية فهي البلورات الكهرضغطية (الانقباض الكهربائي) وسبائك النيكل والحديد والألومنيوم (الانقباض المغناطيسي). وتشمل المواد الانقباضية الكهربائية زركونات تيتانات الرصاص (PZT) وغيرها. يُعد مجس الموجات فوق الصوتية المصنوع من البلورات الكهرضغطية مجسًا عكسيًا، حيث يحول الطاقة الكهربائية إلى اهتزازات ميكانيكية لتوليد الموجات فوق الصوتية. وفي الوقت نفسه، عند استقباله للموجات فوق الصوتية، يحولها أيضًا إلى طاقة كهربائية، ولذلك يُصنف إلى مرسلات ومستقبلات. ويمكن استخدام بعض مجسات الموجات فوق الصوتية للإرسال والاستقبال معًا. ويتكون مجس الموجات فوق الصوتية من وحدة إرسال (أو مرسل الموجات)، ووحدة استقبال (أو مستقبل الموجات)، ووحدة تحكم، ووحدة تزويد بالطاقة. يتكون مستشعر الإرسال من جهاز إرسال ومحول طاقة اهتزازي خزفي بقطر حوالي 15 مم. تتمثل وظيفة محول الطاقة في تحويل طاقة الاهتزاز الكهربائي للمهتز الخزفي إلى طاقة فائقة وبثها في الهواء؛ بينما يستقبل مستشعر الاستقبال الإشارة من المهتز الخزفي. يتكون محول الطاقة من مضخم ودائرة تضخيم. يستقبل محول الطاقة الموجة لتوليد اهتزاز ميكانيكي وتحويله إلى طاقة كهربائية، تُستخدم كمخرج لمستشعر الاستقبال للكشف عن الموجة فوق الصوتية المرسلة. يتحكم جزء التحكم بشكل أساسي في تردد سلسلة النبضات، ودورة التشغيل، والتعديل المتفرق، والعد، ومسافة الكشف المرسلة من جهاز الإرسال.

مبدأ عمل مستشعر الموجات فوق الصوتية

أجهزة الاستشعار فوق الصوتية هي أجهزة استشعار طُوّرت باستخدام خصائص الموجات فوق الصوتية. الموجات الصوتية هي شكل انتشار حالة الاهتزاز الميكانيكي لجسم ما. يُشير مصطلح الموجات فوق الصوتية إلى الموجات الصوتية ذات تردد اهتزاز يزيد عن 20000 هرتز. عدد الاهتزازات في الثانية الواحدة مرتفع للغاية، ويتجاوز الحد الأعلى للسمع البشري. يُطلق على هذه الموجات الصوتية غير المسموعة اسم الموجات فوق الصوتية.

الموجات فوق الصوتية نوع من الاهتزازات الميكانيكية في الأوساط المرنة، ولها شكلان: الاهتزاز المستعرض (الموجة المستعرضة) والاهتزاز الطولي (الموجة الطولية). يُستخدم الاهتزاز الطولي بشكل أساسي في التطبيقات الصناعية. تنتشر الموجات فوق الصوتية في الغازات والسوائل والمواد الصلبة، وتختلف سرعات انتشارها. إضافةً إلى ذلك، فهي تشهد ظواهر الانكسار والانعكاس والتوهين أثناء الانتشار.

لا تختلف قوانين انتشار الموجات فوق الصوتية، من انعكاس وانكسار وحيود وتشتت، في الوسط اختلافًا جوهريًا عن قوانين انتشار الموجات الصوتية المسموعة. وبالمقارنة مع الموجات الصوتية المسموعة، تتميز الموجات فوق الصوتية بخصائص فريدة، منها: خصائص الانتشار - حيث أن قدرة حيود الموجات فوق الصوتية ضعيفة جدًا، مما يسمح لها بالانتشار في خط مستقيم في وسط متجانس. وكلما قصر طول موجة الموجات فوق الصوتية، برزت هذه الخاصية بشكل أكبر. خصائص القدرة─ ─ عندما ينتشر الصوت في الهواء، فإنه يدفع جزيئات الهواء للاهتزاز ذهابًا وإيابًا، مما يؤدي إلى بذل شغل عليها. عند نفس الشدة، كلما زاد تردد الموجة الصوتية، زادت قوتها. وبسبب التردد العالي للموجات فوق الصوتية، تكون قوتها كبيرة جدًا مقارنةً بالموجات الصوتية العادية. التكهف─ ─ عندما تنتشر الموجات فوق الصوتية في السائل، تتشكل تجاويف صغيرة فيه نتيجةً للاهتزاز العنيف لجزيئاته. تتمدد هذه التجاويف الصغيرة ثم تنغلق بسرعة، مما يُسبب تصادمات عنيفة بين جزيئات السائل، مُنتجةً ضغوطًا تتراوح بين آلاف وعشرات آلاف الضغط الجوي. يؤدي هذا التفاعل العنيف بين الجزيئات إلى ارتفاع مفاجئ في درجة حرارة السائل، مما يُساعد على استحلاب سائلين غير قابلين للامتزاج (مثل الماء والزيت)، وتسريع ذوبان المواد المذابة، وتسريع التفاعلات الكيميائية. تُعرف هذه التأثيرات المختلفة الناتجة عن عمل الموجات فوق الصوتية في السائل باسم التجويف فوق الصوتي.

خصائص التصوير بالموجات فوق الصوتية:

(1) عندما تنتشر الموجة فوق الصوتية، يكون التوجيه قويًا، ويسهل تركيز الطاقة؛

(2) يمكن للموجات فوق الصوتية أن تنتشر في مجموعة متنوعة من الوسائط المختلفة وأن تقطع مسافة طويلة بما يكفي؛ (3) التفاعل بين الموجات فوق الصوتية ووسط نقل الصوت معتدل، ومن السهل نقل معلومات حول حالة وسط نقل الصوت (التشخيص أو التأثير على وسط نقل الصوت).

لطالما لعبت تكنولوجيا الاستشعار دوراً رائداً في الثورات الصناعية السابقة للحضارة الإنسانية. فهي تكنولوجيا أساسية تتخلل مختلف التقنيات ومجالات التطبيق، وتكاد تكون حاضرة في كل مجال يمكن تخيله.

مع تطور تكنولوجيا الاستشعار، سينتقل دور المستشعر من مجرد وظيفة تقييمية إلى وظيفة تعلم، وصولاً إلى الإبداع. وبالنظر إلى المستقبل في القرن الجديد، سيحظى المستشعر فوق الصوتي، بوصفه أداة بالغة الأهمية والفائدة، بفرص تطوير واسعة في جميع جوانبه، وسيتجه نحو تحديد المواقع بدقة عالية. وفي تلبية الاحتياجات الاجتماعية المتغيرة باستمرار، ستلعب المستشعرات ذات التصميم الجديد دورًا أكبر.