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Il numero di onde o segnali che si verificano in un intervallo di tempo fisso specifica la frequenza e viene misurato nelle unità di Hertz (Hz). Sulla base dei valori di frequenza, la gamma di frequenza è variata e viene determinata. Quando il suono prodotto è ad un livello superiore rispetto alla gamma uditiva umana, allora si dice che sia ad ultrasuoni, con uno spettro di frequenza di oltre 20kHz. Il dispositivo che può generare o percepire l’ultrasuono è chiamato trasduttore ultrasonico e sensore ultrasonico.

Le varie gamme di frequenza Molto Bassa Frequenza – 3 a 30KHz (VLF), a Bassa Frequenza – 30KHz a 300 khz (LF), a Media Frequenza da 300 a 3000KHz (MF), ad Alta Frequenza – 3MHz a 30 MHz (HF), con Frequenze Molto Elevate – 30 mhz a 300 mhz (VHF), Ultra ad Alta Frequenza di 300MHz a 3000MHz (UHF), Super Alta Frequenza di 3GHz 30GHz (SHF) e alta Gamma ad Alta Frequenza (EHF) – 30GHz a 300GHz. Questo articolo fornisce una breve descrizione del principio di funzionamento e del circuito di un trasduttore ad ultrasuoni.

Che cosa è un trasduttore ultrasonico?

Definizione: Un trasduttore ultrasonico si riferisce al trasduttore capacitivo o al trasduttore piezoelettrico che può convertire l’energia elettrica in energia di ultrasuono e viceversa. È uno dei tipi di trasduttori correlati al suono. La gamma di spettro di frequenza di questo ultrasuono o onda ultrasonica è sopra 20kHz e questo è usato a 200KHz basato sull’applicazione.

Questi sono utilizzati in prove non distruttive, materiali di misura, e identificare piccoli difetti a causa della lunghezza d’onda inferiore degli ultrasuoni. Questi sono importanti nei sensori per la misura del livello e del flusso, il calcolo della distanza e anche nelle applicazioni biomediche, di potenza e di altri ultrasuoni. Ha una vasta gamma di applicazioni in vari campi.

Trasduttore ultrasonico di lavoro

Quando questo trasduttore trasmette i segnali elettrici sul bersaglio, poi il segnale colpisce l’oggetto e ritorna al trasduttore. Qui viene calcolata la distanza dell’oggetto piuttosto che l’ampiezza del segnale e la qualità del suono. Questi trasduttori utilizzano le onde ultrasoniche per calcolare alcuni parametri ma sono utilizzati tipicamente nella misura di distanza.

Questo trasduttore dipende dalla sensibilità o dalla risoluzione. La capacità del trasduttore di scollegare i segnali formati dai due riflettori vicini è chiamata risoluzione. La capacità del trasduttore di rilevare il guasto nelle sostanze è nota come sensibilità. Un trasduttore estremamente smorzato aiuta ad abbassare il segnale riflesso e consente al trasduttore di studiare i guasti ravvicinati. Per trasduttore dovrebbe avere una maggiore risoluzione e sensibilità con grandi materiali ceramici polarizzati e cristalli di cambiare il suo processo.

Questo sistema può ricevere e generare vibrazioni ultrasoniche. Consiste di una piastra di usura, supporto e un elemento attivo. Un piezoelettrico o il singolo cristallo è un elemento attivo nel trasduttore che può convertire o trasforma l’energia del segnale elettrico in energia ultrasonica e può anche recuperare l’energia ultrasonica e convertirla in energia elettrica. Un dispositivo chiamato rilevatore di guasti genera l’impulso elettrico.

Nei test non distruttivi (NDT), questo trasduttore trasforma l’impulso di energia elettrica generato dal dispositivo di prova in energia meccanica nelle onde sonore che si muovono all’interno del dispositivo di prova. Le onde sonore possono essere trasmesse indietro dal dispositivo di prova per trasformarsi in un impulso di energia elettrica dal trasduttore che può essere eseguito e dimostrato dal sistema di prova.

Per produrre e recuperare le onde sonore ad una gamma di frequenza più elevata e superiore al livello dell’udito umano, i trasduttori agiscono come altoparlanti e microfoni ad ultrasuoni. Questo trasduttore è composto da un trasmettitore, ricevitore, parte di controllo e alimentazione. Il trasmettitore di questo contiene un trasmettitore e vibratore in ceramica di circa 15mm di diametro.

La funzione del trasduttore del trasmettitore è di trasformare l’energia elettrica del vibratore ceramico in energia ultrasonica e irradia nell’aria. Mentre il trasduttore ricevitore contiene un circuito amplificatore e un amplificatore. Riceve l’onda sonora / onda ultrasonica per generare vibrazioni meccaniche e la trasforma in energia elettrica.

Questa energia elettrica convertita è l’uscita di questo ricevitore del trasduttore ed è usata per individuare l’energia ultrasonica trasmessa. La sezione di controllo di questo trasduttore controlla la frequenza della catena degli impulsi di energia, il ciclo di lavoro, il conteggio, il rilevamento della distanza da parte del trasmettitore e la modulazione sparsa. L’alimentazione richiesta può essere DC 24 V+-10% o DC 12 V +-10%

Questo trasduttore utilizza il mezzo acustico per rilevare oggetti senza contatto e senza usura. Possono identificare qualsiasi tipo di materiali e sostanze come oggetti trasparenti, oggetti colorati, oggetti metallici e non metallici, solidi, liquidi e anche sostanze in polvere. Le sue prestazioni di rilevamento sono influenzate da condizioni ambientali come polvere, fumo, acqua, ecc.

Le prestazioni di questo trasduttore dipendono dalla produzione del wafer e dovrebbero avere un grande coefficiente di accoppiamento elettromeccanico ad alta sensibilità. La frequenza operativa di questo trasduttore è la frequenza di risonanza del materiale piezoelettrico. La frequenza della tensione CA applicata è uguale alla frequenza di risonanza del chip, che ha la più alta energia di uscita e la più alta sensibilità.

Dovuto l’alto punto di Curie dei materiali piezoelettrici, il trasduttore usa il potere basso e la temperatura di funzionamento bassa per la diagnosi e funziona i periodi più lunghi senza alcun danno del circuito. Le sonde del trasduttore ultrasonico medico hanno temperature elevate e richiedono l’attrezzatura di raffreddamento separata per impedire la ripartizione.

Principio di funzionamento del trasduttore ultrasonico

L’onda sonora viene prodotta quando un segnale elettrico viene applicato a un trasduttore ultrasonico e vibra in tutta la gamma di frequenza specificata. Queste onde sonore viaggiano e rispediranno i dati del trasduttore (o il riflesso dell’eco del trasduttore) ogni volta che appare qualsiasi ostacolo/interferenza. Quindi i dati vengono trasformati in segnali elettrici.

Il trasduttore determina l’intervallo di tempo tra l’onda sonora trasmessa e il segnale di eco ricevuto. Il principio di funzionamento del trasduttore ultrasonico si basa sulla trasformazione di una forma di energia in un’altra forma. Lo schema di base del trasduttore ultrasonico che descrive il suo principio di funzionamento e i componenti è mostrato di seguito.

A 40KHz, l’impulso ultrasonico viene trasmesso dal trasduttore ultrasonico che viaggia attraverso l’aria. Questo tipo di trasduttore è più preferito di qualsiasi altro sensore a infrarossi perché non sono influenzati da polvere, smote, materiali neri, ecc. I trasduttori ultrasonici funzionano efficientemente nella soppressione di distorsione di rumore.

Per valutare la distanza, i trasduttori ultrasonici utilizzano le onde ultrasoniche. La formula per calcolare la distanza è data come,

D = ½ * T * C

Dove ‘D’ è la distanza.

‘T’ indica il divario di tempo tra la trasmissione e la ricezione delle onde ultrasoniche da parte del trasduttore

‘C’ è la velocità del suono

Circuito trasduttore ultrasonico

Ci sono due principali circuiti trasduttore ultrasonico – uno per il trasmettitore e l’altro per il ricevitore. Sono progettati con tecnologia CMOS o un timer 555. Il trasmettitore e il ricevitore del trasduttore ultrasonico funzionano alla stessa frequenza.

Quando il trasmettitore ad ultrasuoni invia le onde ultrasoniche verso il particolare bersaglio e le onde sonore colpiscono l’oggetto, i segnali sonori vengono convertiti in segnali elettrici e ultrasonici. Il circuito del trasduttore ultrasonico per il trasmettitore è mostrato sotto.

Dopo aver colpito le onde ultrasoniche al bersaglio, il trasduttore ad ultrasuoni ricevitore riceve i segnali e li trasforma in segnali elettrici. Lo schema elettrico del ricevitore del trasduttore ad ultrasuoni è mostrato di seguito.

Tipi ultrasonici del trasduttore

Ci sono tipi differenti di trasduttori basati sui fattori importanti quali orma, frequenza e disposizione di un cristallo piezoelettrico. Di seguito sono riportati i tipi di trasduttori ad ultrasuoni efficienti indicati di seguito.

Tipo lineare: In questo tipo di trasduttore, la matrice di un cristallo piezoelettrico è lineare.

Phased Array: Questo tipo di trasduttore ha un’orma limitata e gamme di bassa frequenza da 2MHz-7MHz

Norma: Inoltre è conosciuto come trasduttore ultrasonico normale o trasduttore ultrasonico convesso. La forma di un cristallo piezoelettrico è sinuosa in questo tipo. È principalmente preferito per applicazioni di test approfonditi.

Esistono vari tipi di trasduttori per test non distruttivi come trasduttori a linea di ritardo, trasduttori a fascio angolare, trasduttori a contatto, trasduttori ad immersione e trasduttori a doppio elemento.

Fare riferimento a questo link per saperne di più sul sensore ad ultrasuoni MCQs

Vantaggi& Svantaggi

I vantaggi dei trasduttori ad ultrasuoni includono quanto segue.

• Possono misurare qualsiasi tipo di materiale e percepire qualsiasi tipo di sostanza.
• Non sono influenzati dalla temperatura, dall’acqua, dalla polvere o da qualsiasi altro.
• Opereranno in una condizione rilevante in qualsiasi ambiente.
• Questi sono importanti per misurare intervalli di rilevamento elevati.

Alcuni degli svantaggi del trasduttore ultrasonico sono i seguenti,

• Questi sono sensibili alle variazioni immediate e elevate della temperatura
• Il cambiamento nella capacità di rilevamento è dovuto alle conversioni di temperatura imprevedibili.
• Difficile determinare i riflessi dai piccoli bersagli, che sono troppo morbidi e sottili. Tuttavia, nuovi esperimenti sono in corso per affrontare questi problemi.

Applicazioni

Le varie applicazioni del trasduttore ultrasonico includono,

• Utilizzato nei campi differenti come industriale, medico, ecc.
• Le onde ultrasoniche vengono utilizzate per rilevare il bersaglio e misurare la distanza tra l’oggetto e il bersaglio.
• Utilizzato per identificare la posizione dell’oggetto e valutare lo stato del target.
• In campo medico, questi trasduttori sono utilizzati nei test diagnostici e nelle applicazioni chirurgiche come i trattamenti del cancro, i test degli organi interni, i controlli cardiaci, gli occhi e i controlli dell’utero.
• Nel settore industriale, questi trasduttori sono utilizzati per determinare la distanza dell’obiettivo specificato per prevenire collisioni, gestione della linea di prodotti, controllo e monitoraggio del livello del liquido, rilevamento della rottura del filo, rilevamento di veicoli e persone per il conteggio e molti altri.

Pertanto, si tratta di una panoramica della definizione del trasduttore ultrasonico, del principio di funzionamento, dello schema elettrico, dei tipi, delle applicazioni, dei vantaggi e degli svantaggi. Possiamo concludere che il trasduttore ultrasonico viene utilizzato per determinare la distanza del bersaglio impiegando onde sonore. Per calcolare gli intervalli, trasmette l’onda sonora alla frequenza desiderata e attende quell’onda sonora fino a quando non la riceve indietro. Ecco una domanda per voi, ” Quali sono i vantaggi e gli svantaggi dei sensori ad ultrasuoni rispetto ai trasduttori ad ultrasuoni? “