Princípios, características e aplicações de sensores ultrassônicos

Princípios, características e aplicações de sensores ultrassônicos

Sensor Rika

Sensores ultrassônicos são sensores que convertem sinais ultrassônicos em outros sinais de energia (geralmente sinais elétricos). O ultrassom é uma onda mecânica com frequência de vibração superior a 20 kHz. Possui características como alta frequência, comprimento de onda curto, baixa difração e excelente diretividade, podendo se propagar em forma de raios. O ultrassom tem grande capacidade de penetrar líquidos e sólidos, especialmente sólidos opacos à luz solar. Quando a onda ultrassônica atinge uma impureza ou uma interface, produz uma reflexão significativa, formando um eco, e pode gerar o efeito Doppler ao atingir um objeto em movimento. Sensores ultrassônicos são amplamente utilizados na indústria, defesa nacional, biomedicina, entre outros.

Classificação de sensores ultrassônicos

Sensor: "Capaz de detectar a peça medida especificada e convertê-la em utilizável de acordo com determinadas regras."

Dispositivos ou equipamentos de sinal são geralmente compostos por elementos sensíveis e elementos de conversão. Um sensor é um dispositivo de detecção capaz de captar informações e transformá-las em sinais elétricos ou outras informações, de acordo com regras específicas. A saída de informações em um formato adequado atende aos requisitos de transmissão, processamento, armazenamento, exibição, registro e controle de informações. É o elo fundamental para a realização de detecção e controle automatizados.

Atualmente, não existe um método de classificação unificado para sensores, mas existem três métodos comumente utilizados:

1. De acordo com a grandeza física medida pelo sensor, ele pode ser dividido em sensores de deslocamento, força, velocidade, temperatura, fluxo, composição de gás e outros.

2. De acordo com o princípio de funcionamento do sensor, ele pode ser dividido em sensores de resistência, capacitância, indutância, tensão, efeito Hall, fotoelétrico, grade de difração, termopar e outros.

3. De acordo com a natureza do sinal de saída do sensor, ele pode ser dividido em: sensor tipo chave, cuja saída é um valor de comutação ("1" e "0" ou "ligado" e "desligado"); sensor de saída analógica; sensor de saída digital de pulso ou código.

Aqui, apresento principalmente um sensor amplamente utilizado no dia a dia e que traz grande comodidade à sociedade humana: o sensor ultrassônico e sua aplicação em radares de ré.

Introdução básica aos sensores ultrassônicos

Sensores ultrassônicos são sensores desenvolvidos utilizando as características das ondas ultrassônicas. Para usar o ultrassom como método de detecção, é necessário gerar e receber ondas ultrassônicas. O dispositivo que realiza essa função é um sensor ultrassônico, também chamado de transdutor ultrassônico ou sonda ultrassônica.

As sondas ultrassônicas são compostas principalmente por pastilhas piezoelétricas, que podem transmitir e receber ondas ultrassônicas. O núcleo da sonda ultrassônica é um chip piezoelétrico envolto em um revestimento de plástico ou metal. Diversos materiais podem compor a pastilha. Os principais materiais dos sensores ultrassônicos são o cristal piezoelétrico (eletrostrição) e a liga de níquel-ferro-alumínio (magnetostrição). Os materiais eletrostritivos incluem o titanato zirconato de chumbo (PZT), entre outros. O sensor ultrassônico composto por cristal piezoelétrico é um sensor reversível. Ele pode converter energia elétrica em oscilação mecânica para gerar ondas ultrassônicas. Ao mesmo tempo, ao receber ondas ultrassônicas, também pode convertê-las em energia elétrica, podendo ser classificado como transmissor ou receptor. Alguns sensores ultrassônicos podem ser usados ​​tanto para transmitir quanto para receber. Um sensor ultrassônico é composto por um sensor transmissor (ou transmissor de ondas), um sensor receptor (ou receptor de ondas), uma unidade de controle e uma unidade de alimentação. O sensor transmissor é composto por um transmissor e um transdutor vibratório de cerâmica com cerca de 15 mm de diâmetro. A função do transdutor é converter a energia de vibração elétrica do vibrador de cerâmica em energia ultrassônica e irradiá-la para o ar; enquanto o sensor receptor recebe a onda ultrassônica transmitida pelo vibrador de cerâmica. O transdutor é composto por um amplificador e um circuito amplificador. O transdutor recebe a onda para gerar vibração mecânica e a converte em energia elétrica, que é usada como saída do sensor receptor para detectar a onda ultrassônica transmitida. A parte de controle regula principalmente a frequência da cadeia de pulsos, o ciclo de trabalho, a modulação esparsa e a contagem, além da distância de detecção enviada pelo transmissor.

Princípio de funcionamento do sensor ultrassônico

Sensores ultrassônicos são sensores desenvolvidos utilizando as características das ondas ultrassônicas. Ondas sonoras são a forma de propagação do estado de vibração mecânica de um objeto. Ultrassom refere-se a ondas sonoras com uma frequência de vibração superior a 20.000 Hz. O número de vibrações por segundo é muito alto, ultrapassando o limite superior da audição humana. Essas ondas sonoras inaudíveis são chamadas de ultrassom.

O ultrassom é um tipo de oscilação mecânica em um meio elástico, que apresenta duas formas: oscilação transversal (onda transversal) e oscilação longitudinal (onda longitudinal). A oscilação longitudinal é utilizada principalmente em aplicações industriais. As ondas ultrassônicas podem se propagar em gases, líquidos e sólidos, e suas velocidades de propagação são diferentes. Além disso, também apresentam fenômenos de refração e reflexão, bem como atenuação durante a propagação.

As leis de propagação por reflexão, refração, difração e dispersão de ondas ultrassônicas em um meio não são essencialmente diferentes das leis das ondas sonoras audíveis. Comparadas às ondas sonoras audíveis, as ondas ultrassônicas possuem muitas características peculiares: características de propagação — o poder de difração das ondas ultrassônicas é muito baixo. Elas podem se propagar em linha reta em um meio uniforme. Quanto menor o comprimento de onda das ondas ultrassônicas, mais proeminente essa característica. Características de potência─ ─ Quando o som se propaga no ar, ele empurra as partículas do ar, fazendo-as vibrar para frente e para trás e realizando trabalho sobre elas. Sob a mesma intensidade, quanto maior a frequência da onda sonora, maior a sua potência. Devido à alta frequência das ondas ultrassônicas, a potência dessas ondas é muito maior em comparação com as ondas sonoras comuns. Cavitação─ ─ Quando ondas ultrassônicas se propagam em um líquido, pequenas cavidades são criadas devido à vibração intensa das partículas. Essas cavidades se expandem e se fecham rapidamente, causando colisões violentas entre as partículas, resultando em pressões de milhares a dezenas de milhares de atmosferas. Essa interação violenta entre as partículas provoca um aumento repentino da temperatura do líquido, fazendo com que dois líquidos imiscíveis (como água e óleo) se emulsifiquem, acelerando a dissolução dos solutos e as reações químicas. Os diversos efeitos causados ​​pela ação das ondas ultrassônicas em um líquido são chamados de cavitação ultrassônica.

Características do ultrassom:

(1) Quando a onda ultrassônica está se propagando, a direcionalidade é forte e a energia é fácil de se concentrar;

(2) O ultrassom pode se propagar em diversos meios diferentes e percorrer uma distância suficientemente longa; (3) A interação entre o ultrassom e o meio de transmissão sonora é moderada, facilitando a transmissão de informações sobre o estado do meio de transmissão sonora (diagnóstico ou influência sobre o meio de transmissão sonora).

Nas revoluções industriais anteriores da civilização humana, a tecnologia de sensores sempre desempenhou um papel importante como pioneira. É uma tecnologia fundamental que permeia diversas áreas e campos de aplicação. Ela está praticamente onipresente em todos os campos imagináveis.

Com o avanço da tecnologia de sensores, estes evoluirão de uma função puramente de julgamento para uma função de aprendizado e, eventualmente, para uma função criativa. Olhando para o futuro neste novo século, como um novo tipo de ferramenta muito importante e útil, o sensor ultrassônico terá um amplo espaço para desenvolvimento em todos os aspectos, evoluindo na direção de posicionamento mais preciso e de alta exatidão. Para atender às necessidades sociais em constante evolução, sensores com um novo design desempenharão um papel ainda mais importante.