(آرم دانشگاه)
پروژه دوره کارشناسی (پیوسته)
رشته برق-الکترونیک
عنوان:
سنسور آلتراسونیک
استاد راهنما:
(نام استاد)
نگارش:
(نام دانشجو)
94-1393
استاد گرامی آقای/خانم (نام استاد)
همهی پیشرفتهای معنوی و مادی بشر ریشه در تربیت افراد دارد که از منبع زلال ایمان، معرفت، تعهد و ایثار معلم سیراب میشوند. از این رو کشور وامدار همهی استادانی است که بهحق چراغ هدایت بشریت را روشن و فروزان نگاه داشتهاند.
دلسوزی، تلاش و کوشش شما در تعلیم و تربیت و انتقال معلومات و تجربیات ارزشمند در کنار برقراری رابطه صمیمی و دوستانه با دانشجویان و ایجاد فضایی دلنشین برای کسب علم و دانش و درک شرایط دانشجویان، حقیقتاً قابل ستایش است. اینجانب بر خود وظیفه میدانم در کسوت شاگردی از زحمات و خدمات ارزشمند شما استاد گرانقدر، تقدیر و تشکر نمایم.
از خداوند متعال برایتان سلامتی، موفقیت و همواره یاد دادن را مسئلت دارم.
گفت استاد مبر درس از یاد یاد باد آنچه مرا گفت استاد
هرچه میدانست آموخت مرا غیر یک اصل که ناگفته نهاد
قدر استاد نکو دانستن حیف استاد به من یاد نداد
چکیده
امواج التراسونیک به دستهای از امواج مکانیکی گفته میشود که فرکانس نوسانشان بیش از محدوده شنوایی انسان 20 kHz باشد. یک سنسور التراسونیک غالباً دارای یک فرستنده و یک گیرنده امواج التراسونیک میباشد که این امواج بعد از برخورد با یک مانع منعکس شده و به طرف سنسور بر میگردند و با توجه به زمان بازگشت و همچنین کیفیت امواج بازتابش شده، به فاکتورهایی همچون فاصله تا مانع، نوع مانع و سرعت مانع دست پیدا میکنیم.
لازم به ذکر است که هر مادهای یک کیفیت خاص امواج التراسونیک را از خود عبور و مقداری از آن را بازتابش میدهد. فرکانسهای این محدوده را میتوان بین 40 kHz تا چندین مگاهرتز در نظر گرفت. امواجی با این فرکانسها که کاربردهایی چون سنجش میزان فاصله، سنجش میزان عمق یک مخزن، تعیین فشار خون یک بیمار، همگن کردن مواد مذاب، استفاده در دریلها جهت ایجاد ضربه و کارائی بیشتر دریل، تست قطعات صنعتی از نظر کیفی جهت تشخیص شکافها و سوراخهای ریز و غیره اشاره کرد. جهت استفاده از این امواج، یک سری سنسورهای مخصوص طراحی شده که میتوان این سنسورها را به دو دسته صنعتی و غیر صنعتی تقسیمبندی کرد.
سنسورهای غیر صنعتی در فرکانسهایی در حدود 40 kHz کار میکنند و در بازار با قیمتهای پایین در دسترس هستند. در این سنسورها دقت کار بالا نبود و فقط در حد تشخیص یک فاصله یا عمق یک مایع میتوان از آنها استفاده کرد. اما در سنسورهای صنعتی که در فرکانسهای در حد مگاهرتز کار میکنند، بهدلیل همین فرکانس بالا، ما دقت زیادی را خواهیمداشت.
"فهرست مطالب"
فصل اول
سنسورها
تعریف سنسور یا حسگر…………………………………………………………………………………………………………….. 1
سنسورهای بدون تماس……………………………………………………………………………………………………………. 2
کاربرد سنسورها در صنعت……………………………………………………………………………………………………….. 2
مزایای سنسورهای بدون تماس………………………………………………………………………………………………… 3
انواع سنسورهای القائی……………………………………………………………………………………………………………… 4
سنسور تشخیص حرکت بدن انسان………………………………………………………………………………………….. 6
سنسورهای فشار……………………………………………………………………………………………………………………….. 7
سنسور در ربات…………………………………………………………………………………………………………………………. 7
ترانسدیوسر………………………………………………………………………………………………………………………………… 8
فصل دوم
سنسورهای التراسونیک
تاریخچه سنسور التراسونیک…………………………………………………………………………………………………… 11
روشهای تولید امواج التراسونیک………………………………………………………………………………………….. 12
دستهبندی سنسورهای التراسونیک……………………………………………………………………………………….. 15
فیزیک امواج التراسونیک………………………………………………………………………………………………………… 16
تضعیف امواج صوتی………………………………………………………………………………………………………………… 17
امپدانس صوتی……………………………………………………………………………………………………………………….. 17
انتقال و بازتابش صوت……………………………………………………………………………………………………………. 17
بازتابش و قانون snell…………………………………………………………………………………………………………….. 18
نحوه عملکرد سنسورهای التراسونیک……………………………………………………………………………………. 18
انواع سنسورهای التراسونیک………………………………………………………………………………………………….. 19
فاصله مجاز نصب سنسور التراسونیک…………………………………………………………………………………….. 20
مسیر امواج التراسونیک…………………………………………………………………………………………………………… 22
دقت سنسور التراسونیک و تاثیرات محیطی………………………………………………………………………….. 22
کاربرد سنسورهای التراسونیک……………………………………………………………………………………………….. 23
کاربردهای مسافت یابی (Ranging) …………………………………………………………………………………….. 25
کاربرد در رباتیک…………………………………………………………………………………………………………………….. 26
کاربرد در اندازهگیری فاصله پارک کردن (PDC) ………………………………………………………………… 26
دیگر کاربردهای سنسورهای التراسونیک……………………………………………………………………………….. 27
مزایای سنسورهای التراسونیک………………………………………………………………………………………………. 36
معایب سنسورهای التراسونیک……………………………………………………………………………………………….. 36
مشخصات فعلی………………………………………………………………………………………………………………………. 37
فروشندگان بزرگ سنسورها……………………………………………………………………………………………………. 37
سایتهای مربوطه…………………………………………………………………………………………………………………… 38
Data sheet چند سنسور……………………………………………………………………………………………………….. 39
راهاندازی سنسورهای التراسونیک…………………………………………………………………………………………… 43
بایاس سنسور التراسونیک………………………………………………………………………………………………………. 43
فرستنده التراسونیک……………………………………………………………………………………………………………….. 44
گیرنده التراسونیک………………………………………………………………………………………………………………….. 46
ماژولهای التراسونیک…………………………………………………………………………………………………………….. 48
فصل سوم
اندازهگیری فاصله با سنسورهای التراسونیک
مبدلهای سطح………………………………………………………………………………………………………………………. 56
درایو کردن سنسورهای التراسونیک………………………………………………………………………………………. 57
فصل چهارم
اندازهگیری سطح مایعات با التراسونیک
فاصله سنجی…………………………………………………………………………………………………………………………… 63
سونار……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 64
اندازهگیری ارتفاع مایعات با استفاده از سنسور فشار……………………………………………………………… 65
تشخیص مانع (دیواره) با مادون قرمز…………………………………………………………………………………….. 65
لیست کامل قطعات………………………………………………………………………………………………………………… 69
روش اندازهگیری فاصله با لیزر……………………………………………………………………………………………….. 70
اصول عملکرد سیستم با لیزر………………………………………………………………………………………………….. 71
ساخت سنسور…………………………………………………………………………………………………………………………. 72
فاصله سنجی با استفاده از رادار……………………………………………………………………………………………… 73
مکانیسم عمل رادار…………………………………………………………………………………………………………………. 73
کاربردهای رادار………………………………………………………………………………………………………………………. 74
اندازهگیری ارتفاع با استفاده از امواج صوتی…………………………………………………………………………… 75
اصوال انتشار امواج صوتی……………………………………………………………………………………………………….. 76
اثر داپلر……………………………………………………………………………………………………………………………………. 77
تولید و آشکارسازی امواج التراسوند……………………………………………………………………………………….. 77
مبدلهای التراسونیک…………………………………………………………………………………………………………….. 78
انطباق مکانیکی………………………………………………………………………………………………………………………. 79
فصل پنجم
اندازهگیری جریان سیال با امواج التراسونیک
معرفی جریانسنجهای التراسونیک………………………………………………………………………………………… 82
جریانسنج التراسونیک از نوع زمان عبوری…………………………………………………………………………… 83
مراحل عملکرد جریانسنج التراسونیک زمان عبوری…………………………………………………………….. 85
جریانسنج التراسونیک نوع مهاری…………………………………………………………………………………………. 86
جریانسنج التراسونیک نوع داپلر……………………………………………………………………………………………. 87
مزایا و معایب سیستمهای اندازهگیری التراسونیک……………………………………………………………….. 89
نکاتی در طراحی، نصب و استفاده از جریانسنجهای التراسونیک………………………………………… 89
فصل ششم
بلوک دیاگرامها
مولد شکل موج مربعی……………………………………………………………………………………………………………. 94
تقویت جریان و دامنه پالس…………………………………………………………………………………………………. 101
تقویت خروجی……………………………………………………………………………………………………………………… 102
تبدیل سیگنال خروجی………………………………………………………………………………………………………… 103
مقایسه کنندهی ولتاژ…………………………………………………………………………………………………………… 104
پردازش سیگنال خروجی…………………………………………………………………………………………………….. 105
جمعبندی و نتیجهگیری……………………………………………………………………………………………………… 110
منابع و مراجع………………………………………………………………………………………………………………………. 111
مقدمه
امروزه سنسورها نقش بسیار مهمی را در بسیاری از جنبههای زندگی روزانهی ما دارند. سنسورها در کارخانجات، صنایع، اتومبیلها، رباتها، تجهیزات پزشکی و… بهکار برده میشوند. نظارت و کنترل عملیات مختلف در زمینههای بسیار، بدون بکارگیری انواع زیادی از سنسورها تحقق نمییابد. سنسور، اطلاعات راجع به محیط، از قبیل درجه حرارت، فشار، نیرو و غیره را به یک سیگنال الکتریکی تبدیل میکند. وظیفه پردازش سیگنالهای خروجی سنسورها را، مدارات هوشمند انجام میدهند. سنسورها از نظر کیفی مرحلهی جدیدی را در استفادهی هرچه بیشتر از همهی امکاناتی که توسط علم میکرو الکترونیک بوجود آمدهاست، بویژه در زمینه پردازش اطلاعات عرضه میکنند. سنسورها رابط بین سیستم کنترل الکترونیکی از یک طرف و محیط، عملیات، رشته کارها یا ماشین از طرف دیگر هستند.
در گذشته تکامل سنسور قادر به همگامی با سرعت تکامل در صنعت میکرو الکترونیک نبودهاست. در واقع، در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980 تکامل سنسور در سطح بینالمللی بین سه و پنج سال عقبتر از تکامل علم میکرو الکترونیک در نظر گرفته میشد. این حقیقت که ساخت عناصر میکرو الکترونیک غالباً بسیار ارزانتر از عناصر اندازهگیری کنندهای (سنسورهایی) بود که آنها احتیاج داشتند یک مانع جدی در ازدیاد و متنوع کاربرد میکرو الکترونیک پردازشگر اطلاعات در گسترهی وسیعی از عملیات و رشته کارها بود. چنین اختلافی بین علم میکرو الکترونیک مدرن و تکنولوژی اندازهگیری کننده کلاسیکی، تنها توانست بهواسطه ظهور تکنولوژی سنسورهای مدرن برطرف شود. به این دلیل، امروزه سنسورها به عنوان یکی از عناصر کلیدی جهت تکامل پیوسته و شتابان علم میکرو الکترونیک شمرده میشوند.
کار تحقیقاتی و تکاملی گسترده در شاخههای مختلف تکنولوژی سنسور در سطح بینالمللی آغاز شد. حاصل این فعالیت آن است که امروزه تجارت سنسور از یکی از بالاترین نرخهای رشد سالانه بهرهمند میباشد (بین 10 و 20 درصد). از آنجایی که سنسورها وسیله اساسی برای بدست آوردن همه اطلاعات لازم در رابطه با وضعیتهای مختلف عملیات و محیط هستند (در مفهوم عام کلمه)، بنابراین آنها امکانات کاملاً جدیدی را به روی اتوماسیون طیفی از عملیات در صنعت، منزل، کارخانه، کاربردهای طبی و سایر بخشها میگشایند.
برای مثال کارخانههای تماماً اتوماتیک و مجتمع آینده، تنها میتواند به کمک سنسورها تحقق یابد. اگرچه سنسورها به همراه علم میکرو الکترونیک پردازشگر اطلاعات یک گام مهم رو به جلو را عرضه میدارد، لیکن این تنها اولین قدم است. در این مرحله سنسورها از تعدادی از عناصر میکرو الکترونیک موجود، برای مثال به شکل پردازشگر، حافظهها، مبدلهای آنالوگ به دیجیتال یا تقویت کنندهها، برای آماده نمودن سیگنال خروجی استفاده میکنند. در عین حال ایدهآل این سیگنال به شکل یک سیگنال دیجیتالی،سازگار با باس میباشد. همچنین احتیاج به کاهش وزن و حجم وجود دارد.
دومین گام عبارت از اتصال سنسور-سیستم میکرو الکترونیک- بخش مکانیکی میباشد. اطلاعات حاصل شده توسط سنسور در رابطه با حالت یا پیشرفت یک پروسه با عبور از یک طبقه پردازشگر سیگنال الکترونیکی وارد بخش مکانیکی (بهطور کلاسیکی یک کنترل کننده) شده و به پروسه باز خورانده میشود. زنجیره سنسور-سیستم میکرو الکترونیک- بخش مکانیکی تنها در صورتی کار میکند، که همه خطوط رابط، سازگار باشند.این امر منجر به توصیف یک معیار مهمتر، بهویژه تا جایی که به سنسور مربوط است، میشود. علیرغم آگاهی گسترده در رابطه با اهمیت سنسور به عنوان یکی از عناصر کلیدی در فرآیند اتوماسیون، کسب اطلاعات جامع و مقایسهای درباره وضعیت تکنولوژی سنسور و پیشرفتهای حاصل شده در
این زمینه، مشکل است. این امر دارای چند دلیل زیر است:
1. سنسورهایی برای اندازهگیری بیش از 100 کمیت فیزیکی وجود دارد. اگر اندازهگیری کمیتهای شیمیایی را نیز به حساب آوریم، این رقم به چندین صدفقره بالغ میشود.
2. تقریباً 2000 نوع اصلی از سنسورها را میتوان طبقهبندی کرد. بین 60000 و 100000 سنسور برای اندازهگیری در حال پروسهها از نظر تجاری در دنیای غرب وجود دارد.
در این مقاله به معرفی برخی سنسورها، مزایا و معایب و کاربردهای آن در برخی صنایع پرداخته شدهاست. همچنین نحوه نصب و چگونگی کارکرد و راهاندازی سنسورهای التراسونیک و مشخصات آنها آورده شده تا بتواند اطلاعاتی هرچند مختصر در اختیار خوانندگان قرار دهد.
فصل اول
* تعریف سنسور یا حسگر
سنسور (sensor) یعنی حس کننده و از کلمه sens به معنی حس کردن گرفته شدهاست. حسگر یا سنسور المان حس کنندهای است که کمیتهای فیزیکی مانند فشار، حرارت، رطوبت، دما و … را به کمیتهای الکتریکی پیوسته (آنالوگ) یا غیر پیوسته (دیجیتال) تبدیل میکند. در واقع آن یک وسیله الکتریکی است که تغییرات فیزیکی یا شیمیایی را اندازهگیری میکند و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل مینماید.
سنسورها در انواع دستگاههای اندازهگیری، سیستمهای کنترل آنالوگ و دیجیتال مانند PLC مورد استفاده قرار میگیرند. عملکرد سنسورها و قابلیت اتصال آنها به دستگاههای مختلف از جمله PLC باعث شدهاست که سنسور بخشی از اجزای جدا نشدنی دستگاه کنترل اتوماتیک و رباتیک باشد. سنسورها اطلاعات مختلف از وضعیت اجزای متحرک سیستم را به واحد کنترل ارسال نموده و باعث تغییر وضعیت عملکرد دستگاهها میشوند.
حسگر حرکت حسگرهای رطوبت
زوج حسگر اولتراسونیک (مافوق صوت)
* سنسورهای بدون تماس
سنسورهای بدون تماس، سنسورهایی هستند که با فاصله از جسم و بدون اتصال به آن عمل میکنند. مثلاً با نزدیک شدن یک قطعه وجود آن را حس کرده و فعال میشوند. این عمل به نحوی است که میتواند باعث جذب یک رله، کنتاکتور و یا ارسال سیگنال الکتریکی به طبقه ورودی یک سیستم گردد.
* مثال هایی از کاربرد سنسورها در صنعت
1. شمارش تولید: سنسورهای القائی، خازنی و نوری
2. کنترل حرکت پارچه و …: سنسور نوری و خازنی
3. کنترل سطح مخازن: سنسور نوری و خازنی و خازنی کنترل سطح
4. تشخیص پارگی ورق: سنسور نوری
5. کنترل انحراف پارچه: سنسور نوری و خازنی
6. کنترل تردد: سنسور نوری
7. اندازه گیری سرعت: سنسور القائی و خازنی
8. اندازه گیری فاصله قطعه: سنسور القائی آنالوگ
* مزایای سنسورهای بدون تماس
* سرعت سوئیچینگ (قطع و وصل) زیاد:
سنسورها در مقایسه با کلیدهای مکانیکی از سرعت سوئیچینگ بالایی برخوردارند، به طوریکه برخی از آنها (سنسور القائی سرعت) با سرعت سوئیچینگ تا 25 kHz کار میکنند.
* طول عمر زیاد:
بهدلیل نداشتن کنتاکت مکانیکی و عدم نفوذ آب، روغن، گرد و غبار و … دارای طول عمر زیادی هستند.
* عدم نیاز به نیرو و فشار:
با توجه به عملکرد سنسور هنگام نزدیک شدن قطعه، به نیرو و فشار نیازی نیست.
* قابل استفاده در محیطهای مختلف با شرایط سخت کاری:
سنسورها در محیطهای با فشار زیاد، دمای بالا، اسیدی، روغنی، آب و … قابل استفاده میباشند.
* عدم ایجاد نویز در هنگام سوئیچینگ:
بهدلیل استفاده از نیمه هادیها در طبقه خروجی، نویزهای مزاحم (Bouncing Noise) ایجاد نمیشود.
* انواع سنسورهای القائی
سنسورهای القائی سنسورهای بدون تماس هستند که تنها در مقابل فلزات عکسالعمل نشان میدهند و میتوانند فرمان مستقیم به رلهها، شیرهای برقی، سیستمهای اندازهگیری و مدارات کنترل الکتریکی (مانند PLC) ارسال نمایند.
1. نوری:
این نمونه سنسورها به دو صورت کار میکنند. یا دو سنسور که به صورت ارسال و دریافت در مقابل هم هستند یا یک سنسور که قابلیت ارسال و دریافت امواج فروسرخ را دارد و در مقابل آن یک آیینه قرار گرفتهاست. در صورتی که جسم امواج ارسالی را قطع کند، نور به فتو ترانزیستور گیرنده نمیرسد و خاموش میشود و در نتیجه یک پالس به کنترلر ارسال میشود (سطح صفر). در دستگاههایی که با این سنسورها کار میکنند در صورت بروز خطا، باید پاک بودن آیینهها و صحت ارسال و دریافت سنسورها را چک کرد.
2. خازنی:
این سنسورها همانند خازنها کار میکند و در صورت حضور جسم در میدان آن، ظرفیتش تغییر میکند و یک سگنال به کنترلر ارسال میکند (سطح صفر). سنسورهای خازنی قابلیت آشکارسازی حضور هر نوع جسمی را دارند (پلاستیک، چوب، فلز و..)
3. القایی:
این سنسورها همانند یک سلف کار میکنند و از خاصیت القائی آن، جهت آشکارسازی حضور جسم استفاده میشود. میدان دارای یک دامنه و فرکانس معین است. در صورت حضور جسم، نوسانات و دامنه صفر میشود و یک سیگنال (سطح صفر) به کنترلر ارسال میشود. سنسورهای القائی فقط اجسام رسانای مغناطیسی را حس میکنند و قدرت آشکارسازی جسم آنها به اندازه دامنه میدان تولیدی (ولتاز تغذیه) بستگی دارد.
4. التراسونیک:
این سنسورها از امواج مافوق صوت که در محدوده 20 تا ۵۰ کیلوهرتز است استفاده میکنند. کاربرد مهم آن، استفاده در سرعت سنجها و آشکارسازی سطح مخازن و اندازهگیری فلو و… است. نحوه کار آن به این صورت است که با محاسبات سرعت موج و اختلاف زمان بین ارسال و دریافت، فاصله را اندازهگیری میکنند.
یک سنسور التراسونیک غالباً دارای یک فرستنده و یک گیرنده امواج التراسونیک میباشد که این امواج بعد از برخورد با یک مانع، منعکس شده و به طرف سنسور برمیگردند و با توجه به زمان بازگشت و همچنین کیفیت امواج بازتابش شده، به فاکتورهایی همچون فاصله تا مانع، نوع مانع و سرعت مانع دست پیدا میکنیم. این سنسورها به صورت پالسی کار میکنند. مثلاً در هر 2 ثانیه یکبار، یک پالس ارسال و فاصله را اندازهگیری میکند.
انتخاب سنسور التراسونیک مناسب جهت کاربرد مورد نظر، نیاز به توجه به موارد زیر دارد:
* دقت و رزولوشن سنسور التراسونیک
* فاصله آشکارسازی یا اندازهگیری سنسور التراسونیک
* محدوده دمای کاری سنسور التراسونیک
* فرکانس یا طول موج کاری سنسور التراسونیک
* وجود نویز یا تلاطم در هدف یا محیط اندازهگیری سنسور التراسونیک
* نحوه نصب و محدودیت یا مانع مقابل سنسور التراسونیک
5. سنسورتشخیص کد رنگ:
تشخیص نوار رنگی کاغذهای بستهبندی
* سنسور تشخیص حرکت بدن انسانPIR:
همانطورکه میدانید امروزه استفاده از سنسورهای تشخیص حرکت، رونق بسیار بالایی پیدا کرده، هم در زمینههای امنیتی و حفاظتی و هم در مسائل صرفهجویی و بهینهسازی، سنسورهای PIR یا PASSIVE INFRA RED سنسورهایی هستند که طول موجInfrared محیط اطراف را دریافت میکنند. هر جسمی که دمایش بالاتر از صفر درجه مطلق باشد، دارای تشعشعات Infrared یا مادون قرمز میباشد. اما این موج دارای طول موجهای مختلف برای درجه حرارتهای متفاوت است.
کاری که این سنسور انجام میدهد در واقع دریافت این امواج در رنج بدن انسان و تشخیص آن میباشد. از این سنسور در دستگاههایی که برای تشخیص حرکت بدن انسان حتی به صورت جزئی استفاده میشود و از نظر دقت و قابلیت اعتماد در سطح بالایی میباشد. بدین وسیله شما یک آشکارساز حرکت دارید که فقط به حرکات بدن انسان حساس است.
* سنسورهای فشار:
فشار را به کمک دستگاههای فشارسنج اندازه می گیرند. عمده ترین فشار سنجها که بر حسب مکانیزم کارشناسان نامگذاری شدهاست عبارتند از:
* فشارسنج لولهU شکل
* فشارسنج مکلئود
* فشارسنج جیوه ای
* فشارسنج ترموکوپل
* فشارسنج صوتی
* فشارسنج خازنی
* فشارسنج گاز ایده آل
* سنسورها در ربات:
سنسورها اغلب برای درک اطلاعات تماسی، تنشی، مجاورتی، بینایی و صوتی به کار می روند. عملکرد سنسورها بدین گونه است که با توجه به تغییرات فاکتوری که نسبت به آن حساس هستند، سطوح ولتاژی ناچیزی را در پاسخ ایجاد می کنند، که با پردازش این سیگنال های الکتریکی می توان اطلاعات دریافتی را تفسیر کرده و برای تصمیم گیری های بعدی از آن ها استفاده نمود.
تعریف ترانسدیوسر:
یک ترانسدیوسر بنا به تعریف، قطعهای است که وظیفه تبدیل حالات انرژی به یکدیگر را برعهده دارد، بدین معنی که اگر یک سنسور فشار همراه یک ترانسدیوسر باشد، سنسور فشار پارامتر را اندازه میگیرد و مقدار تعیین شده را به ترانسدیوسر تحویل میدهد، سپس ترانسدیوسر آن را به یک سیگنال الکتریکی قابل درک برای کنترلر و صد البته قابل ارسال توسط سیم های فلزی، تبدیل میکند.
بنابراین همواره خروجی یک ترانسدیوسر، سیگنال الکتریکی است که در سمت دیگر خط میتواند مشخصهها و پارامترهای الکتریکی نظیر ولتاژ، جریان و فرکانس را تغییر دهد، البته به این نکته باید توجه داشت که سنسور انتخاب شده باید از نوع سنسورهای مبدل پارامترهای فیزیکی به الکتریکی باشد و بتواند مثلاً دمای اندازهگیری شده را به یک سیگنال بسیار ضعیف تبدیل کند که در مرحله بعدی وارد ترانسدیوسر شده وسپس به مدارهای الکترونیکی تحویل داده خواهد شد. برای درک این مطلب به تفاوتهای میان دو سنسور اندارهگیر دما میپردازیم: ترموکوپل و درجه حرارت جیوه ای، دو نوع سنسور دما هستند که هر دو یک عمل را انجام میدهند، اما ترموکوپل در سمت خروجی سیگنال الکتریکی ارائه میدهد، در حالیکه درجه حرارت جیوه ای خروجی خود را به شکل تغییرات ارتفاع در جیوه داخلش نشان میدهد.
سنسورها و ملحقات آنها مثل ترانسدیوسرها را در گروههای بزرگی تحت عنوان ابزار دقیق قرار داده و آنها را براساس نوع انرژی قابل استفاده و روشهای تبدیل، دستهبندی میکنند. در شرایطی المنت پیزوالکتریک در بیشترین بهره کار میکند که فرکانس ولتاژ به کار رفته، مشابه فرکانس رزونانس باشد. این فرکانس ذاتی بستگی به ضخامت کریستال دارد. هنگامی که
کریستال به وسیله یک پالس ولتاژ ضربه میخورد، امواج التراسوند تولید میشود و موجهای متعددی شکل میگیرد که به سمت جلو و عقب کریستال حرکت میکند.
این امواج منجر به تولید امواج سازنده در کریستال شده که بستگی به ضخامت کریستال دارد. در صورتی تداخل سازنده بهوجود میآید که یک موج تک در طول کریستال به سمت جلو و عقب حرکت کند. فاصله که در این حالت فاصله بین دو سطح باید معادل نصف طول موج باشد. جهت تغییر فرکانس ترانسدیوسر باید خود ترانسدیوسر عوض شود. امروزه با تغییر ساختار المنتهای پیزوالکتریک میتوان بدون تعویض ترانسدیوسر به فرکانسهای مختلفی دسترسی داشت.
یکی از پیشرفتهای با اهمیت در زمینه ترانسدیوسرهای التراسوند، استفاده از مواد کامپوزیت پیزوالکتریک است که از ویژگیهای چشمگیری برخوردار است، از جمله:
بهره جفت شدگی الکترومکانیکی بالایی دارند. این ضریب (k) معرف تبدیل تحریک الکتریکی به انرژی صوتی و انرژی صوتی به سیگنال الکتریکی و مقدار آن برابر است با:
k = dg
d: سهمی از انرژی الکتریکی که به انرژی صوتی تبدیل میشود
g: سهمی از انرژی اکوهای برگشتی که به انرژی الکتریکی تبدیل میشود
امپدانس صوتی این مواد پایین است. امپدانس صوتی (z) برابر حاصل ضرب سرعت در دانسیته است. هرچه امپدانس دو ماده به هم نزدیکتر باشد، میزان عبور امواج صوتی افزایش مییابد.
ثابت دی الکتریک این مواد بالاست. ثابت دی الکتریک، میزان کشش نسبی ناشی از فشار الکتریکی در کریستال و ولتاژ ایجاد شده به دنبال کشش ایجاد شدهاست. هرچه ثابت دی الکتریک بالا باشد، میزان نویز الکترونیک ناشی از کابل و آمپلی فایرها بیشتر کاهش مییابد. ویژگیهای کامپوزیتها بستگی به حجم ماده و توزیع المنتهای سرامیکی در ماتریس پلیمری دارد.
فصل دوم
سنسورهای التراسونیک
* تاریخچه سنسور التراسونیک
تاریخچه این سنسور به سال ۱۹۱۲ میلادی و بعد از غرق شدن کشتی تایتانیک برمی گردد. بعد از غرق شدن تایتانیک دانشمندان به دنبال راه حلی برای تکرار نشدن این فاجعه افتادند، که اگر کاپتان کشتی به هر دلیلی قادر به دیدن جلو کشتی نبود، وسیلهای هشدار دهنده او را از وجود مانع مطلع سازد.
در سال ۱۹۱۲ میلادی آقای L F Richartson با الهام از طبیعت و استفاده از مسیریابی خفاشها موفق به ساخت سنسور فراصوتی شد. خفاشها به دلیل بینایی ضعیف و حساس به نور، از امواج فراصوتی برای تشخیص موانع استفاده می کنند. اما از آن سال تاکنون که نزدیک به یک قرن از آن می گذرد، این سنسور کاربردهای فراوانی در زندگی ما پیدا کردهاست. که به چند نمونه از این کاربردها میپردازیم.
1) استفاده از آن در دزدگیر اتومبیل و وسیله هشدار دهنده فاصله در اتومبیل که همه ما کاربرد سنسور فراصوتی را در دزدگیر اتومبیل از نزدیک دیدهایم.
2) استفاده در ثبت دقیق ترین زمان ممکنه در ورزش دومیدانی
3) استفاده در باک هواپیما برای فهمیدن مقدار سوخت (سنسور تشخیص سطح مایعات)
4) استفاده در کنترل دور ماشین های صنعتی
5) کاربرد در علم هواشناسی جدید (سنسور فشار)
* روشهای تولید امواج التراسونیک
امواج التراسونیک را به دو صورت طبیعی و مصنوعی میتوان تولید نمود. بصورت مصنوعی میتوان با استفاده از مبدلهای مغناطیسی و مبدلهای الکتریکی و در روش طبیعی از مواد دارای این خاصیت، مانند کوارتز تولید نمود.
* بصورت مصنوعی
1) استفاده از مبدلهای مغناطیسی (Magneto-Strictive Transducer)
در این روش از مواد مغناطیسی استفاده میکنیم که خصوصیات آنها به گونهایی است که هنگامی که داخل میدان مغناطیسی قرار میگیرند، تغییر طول میدهند و با تغییر طول خود، میدان مغناطیسی تولید میکنند و با این روش امواج التراسونیک تولید میکنند.
برای مثال اگر بخواهیم نوسانی با فرکانس بیشتر از 20 kHz تولید کنیم، باید ۲۰۰۰۰ بار در ثانیه برق را قطع و وصل کنیم. بدین صورت ۲۰۰۰۰ نوسان صورت میگیرد و امواج التراسونیک تولید می شود. این امواج با ذرات برخورد میکنند و موجب نوسان ذرات می شوند و امواج صوتی تولید میکنند.
استفاده از مبدلهای مغناطیسی جهت تولید امواج التراسونیک
* استفاده از مبدلهای الکتریکی (Electro-Strictive Transducer)
اولین بار جاس و پیرکوری کوارتز را در آزمایش های خود استفاده کردند، امروزه از سرامیک های پلاریزه بجای کریستال های کوارتز استفاده می شود. مواد الکترواستریکتیو موادی هستند که هنگامی که داخل میدان الکتریکی قرار میگیرد، تغییر طول میدهند و همچنین با تغییر طول آنها، میدان الکتریکی ایجاد می شود مانند پیزو الکتریکها. در واقع پیزوالکتریک ها انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی (ارتعاش) تبدیل می کنند.
این وضعیت بخاطر وجود دوقطبی های مثبت و منفیایی (Dipole) است که در حالت عادی در جهت خاصی قرار گرفتهاند و با اعمال میدان الکتریکی، جهت میگیرند که باعث افزایش یا کاهش طول می شود.
استفاده از مبدلهای الکتریکی جهت تولید امواج التراسونیک
با تغییر در ضخامت و در معرض جریان الکتریسیته قرار دادن کریستال ها، میتوان ارتعاشاتی با فرکانس های متفاوت بدست آورد. فرکانس بستگی به ضخامت کریستال و سرعت صوت در آن دارد. در تست های التراسونیک امواج تولید شده توسط پیزوالکتریک داخل قطعه با سرعت مشخص منتشر می شود که این سرعت بستگی به چگالی و الاستیسیتهی ماده دارد.
استفاده از مبدلهای پیزوالکتریک جهت تولید امواج التراسونیک
لیتیم سولفات، تیتانات باریم، سرب زیرکونیوم تیتانات و سرامیکهای پلاریزه شده نمونههایی از پیزوالکتریک های مصنوعی میباشند.
* بصورت طبیعی
جهت تولید امواج التراسونیک بصورت طبیعی میتوان از پیزوالکتریک های طبیعی مانند کوارتز (sio_2) استفاده کرد. در کریستال کوارتز سه محور قطبی وجود دارد ( x_3 x_(1 )،〖 x〗_(2 )،) که دارای ساختار هگزاگونال است. بار هر اتم سیلیکون ۴+ و بار هر اتم اکسیژن ۲- میباشد.
ساختار کوارتز
* دستهبندی سنسورهای التراسونیک
سسنورهای التراسونیک را به چند روش میتوان دستهبندی کرد:
الف) از روی فرکانس کاری
ب) با توجه به قطر فرستنده و گیرنده
ج) باتوجه به یک Pack یا دو Pack بودن آنها
الف) از روی فرکانس میتوان سنسورها را به دو دستهی فرکانس پایین و فرکانس بالا طبقهبندی کرد. سنسورهای فرکانس پایین که با فرکانسهای 200k ، 150k ، 33k ، 40k ، 25k کار میکنند، عموماً برای مصارف فاصلهیابی و مانعسنجی استفاده میشود. دسته دیگری از این سنسورها که با فرکانسهای بالا کار میکنند، (در حد مگاهرتز) کاربرد آنها در تجهیزات پزشکی میباشند. مانند دستگاههای سونوگرافی که برای تشخیص اندامهای داخلی، جنین، سرطان و غیره بکار میروند. کاربرد این دسته از سنسورها با پیشرفت علم، روز به روز افزایش مییابد.
ب) دستهبندی بر اساس قطر فرستنده و گیرنده: سنسورهای فرکانس پایین را بر حسب قطرشان به چند دسته 18mm, 16mm, 12mm, 10mm تقسیم میکنند. در سنسورهای التراسونیک هرچه فرکانسی که به فرستنده میدهیم، به فرکانس کاری سنسور نزدیک باشد، عملکرد سنسور بهتر خواهد بود. پالس ارسالی برای سنسورهای 16 میلیمتری با فرکانس کاری 40kHz، دامنه پالس ورودی میتواند تا حدود 60 ولت افزایش یابد.
ج) دستهبندی با توجه به یک pack یا دو pack بودن آنها: این سنسور به صورت دو مجزای گیرنده و فرستنده میباشد. این دو سنسور به صورت یک pack واحد نیز وجود دارد. فرکانس تولید شده توسط این سنسور 40 کیلوهرتز میباشد. به شماتیک درونی این سنسور در شکل زیر توجه کنید.
* فیزیک امواج التراسونیک
* انتشار موج در مواد:
سرعت صوت در یک ماده تابعی است از مشخصات آن ماده و وابسته به دامنه موج صوتی میباشد. رابطه بین سرعت صوت در یک ماده جامد و چگالی و ثابت های الاستیک به صورت زیر است:
V = √(C_ij/ρ)
V: سرعت صوت
C: ثابت الاستیک
ρ: چگالی ماده
* تضعیف امواج صوتی:
اگر موج صوتی از یک محیط عبور کند، دامنه آن بر اساس رابطه زیر تضعیف میشود.
فاصله از موقعیت اولیه دامنه انتشار موج
A = A_0 e^(-αZ)
ضریب تضعیف حرکت موج در محیط در جهت Z
* امپدانس صوتی
امپدانس صوتی یک ماده (z)، حاصلضرب چگالی(ρ)، در سرعت صوتی (v) آن ماده است.
Z = ρ V
* انتقال و بازتابش صوت:
انرژی موج صوتی بازتابیده شده بصورت رابطه زیر به دست میآید.
Z : امپدانس صوتی
R =((Z_1-Z_2)/(Z_1+Z_2 ))^2
* بازتابش و قانون Snell
اگر یک موج فراصوتی از سطح بین دو ماده که دارای مشخصات بازتابش متفاوتی هستند با زاویه مورب عبور کند، بخشی از آن بازتابیده شده و بخشی شکسته می شود.
قانون snell رابطه بین زاویه و سرعت امواج را توصیف میکند.
sin〖θ_1 〗/V_L1 = sin〖θ_2 〗/V_L2
* نحوه عملکرد سنسورهای التراسونیک
امواج صوتی با فرکانسهای بالاتر از فرکانس شنوایی (امواج التراسونیک) را میفرستند و امواج بازگشتی را دریافت میکنند. از تاخیر زمانی و سرعت صوت در هوا برای تعریف فاصله از هدف استفاده میکنند و همچنین میتوان تنها برای تشخیص هدف و وجود یا عدم وجود آن مورد استفاده قرار گیرد.
* انواع سنسورهای التراسونیک
* Ultrasonic proximity sensor with analog output stage
خروجیهای جریان و ولتاژ خروجیهای جریان و ولتاژ متناسب با فاصله سنسور از هدف هستند.
* Ultrasonic retro-reflective sensor
در این حالت از یک قطعه صاف و ثابت یک ماشین بهعنوان بازتابنده استفاده میشود. فاصله زمانی بین ارسال و دریافت سیگنال التراسونیک (زمان انتشار) ثابت و شناخته شدهاست. وقتی که یک شیئ سیگنال التراسونیک را قطع میکند، خروجی فعال میشود.
* Ultrasonic through beam sensor
این سنسورها برای کاربردهایی که اشیاء به سرعت و پشت سر هم در حرکتند، ایدآل هستند. این سنسورها همچنین زمانی که فرکانسهای سوئیچینگ بالا (حدوداً 200Hz) مورد نیاز باشد، پیشنهاد میشوند.
* فاصله مجاز نصب سنسور التراسونیک
در جدول زیر، مینیمم فاصله مجاز برای نصب چند سنسور التراسونیک غیر سنکرون در مجاورت هم آمدهاست. سنسورهای التراسونیک نباید در فاصله کمتر از فاصله مجاز نصب شوند. زیرا بر روی کارکرد یکدیگر اثر میگذارند. فاصلههای ذکر شده در جدول باید دقیقاً رعایت شوند.
در حالتی که جسم به صورت مورب با سنسور التراسونیک قرارگیرد، ممکن است موج منعکس شده از سنسور مجاور دریافت شود و موجب خطا شود. فاصله مناسب برای نصب در این حالت باید با آزمون و خطا مشخص شود.
بعضی از مدلهای سنسور التراسونیک این قابلیت را دارند که باهم سنکرون شوند و واضح است که در این حالت حداقل فاصله مجاز برای نصب سنسورها در مقایسه با اعدادی که در جدول آمده کاهش مییابد.
* مسیر امواج التراسونیک
امواج التراسونیک از سطح سنسور التراسونیک بهصورت مستقیم منتشر میشوند، اما میتوان مسیر امواج صوتی را توسط یک سطح صاف با حداقل تلفات تغییر داد. به همین طریق میتوان امواج صوتی را تا 90 درجه منحرف کرد، که امواج التراسونیک هم از این قائده مستثنی نیستند.
* دقت سنسور التراسونیک و تاثیرات محیطی
دقت، به اختلاف بین فاصله واقعی سنسور تا جسم و فاصله محاسبه شده توسط سنسور التراسونیک گفته میشود. این دقت قابل حصول به خصوصیات سطح انعکاسی جسم و به خصوصیات فیزیکی که بر روی سرعت صوت در هوا اثر میگذارند، بستگی دارد. در اجسامی که انعکاسپذیری سطحشان پایین است و یا ارتفاع پستی بلندی سطحشان بزرگتر از طول موج امواج صوتی التراسونیک است، دقت اندازهگیری تا حدودی کاهش مییابد.
* تاثیر دمای هوا
دمای هوا بیشترین اثر را روی سرعت صوت و متعاقباً روی دقت اندازهگیری سنسور التراسونیک خواهد داشت. به همین جهت اکثر سنسورهای التراسونیک شرکت میکروسونیک مجهز به مدار جبرانساز حرارتی هستند. (Temperature Compensation)
* فشار هوا
تغییرات فشار روی سرعت صوت تاثیر چندانی نخواهد گذاشت. با این وجود شرکت میکروسونیک سنسور التراسونیک ویژهای ارائه کرده که قادر است تا فشار ۶ بار با دقت مطلوبی کار کند.
* رطوبت نسبی
در مقایسه با اثرات حرارتی میتوان اثر رطوبت هوا بر دقت را نادیده گرفت. یعنی چنانچه دمای هوا بر اثر تغییرات رطوبتی تغییری نکند، میتوان اینطور قلمداد کرد که این تغییرات رطوبت نسبی محیط تاثیری بر روی کار سنسور التراسونیک نداشتهاست.
* کاربرد سنسورهای التراسونیک
* اندازه گیری زاویه (Angular Measurement)
* مسافت یابی (Ranging )
* تستهای غیر مخرب (Non Destructive Test )
* اندازه گیری جریان (Flow Metering )
* Non-intrusive medical procedures
* اندازه گیری زاویه:
〖sin〗^(-1)((d_2-d_1)/b) = θ
* مسافت یابی (Ranging):
روش های مسافت یابی:
-Time of Flight Measurement
-Measurement of Phase Difrence
* روش TOF
در روش TOF یک موج صوتی توسط سنسورهای التراسونیک مسافتیاب ارسال شده و فاصله زمانی که طول میکشد تا موج صوتی به شیئ برخور کند و به منبع برگردد محاسبه میشود.
* روش اندازه گیری اختلاف فاز:
اگر یک موج التراسونیک شامل بیش از یک سیگنال باشد، اختلاف فاز بین سیگنالها میتواند اندازهگیری شود. روش اختلاف فاز خیلی دقیق است اما دارای این محدودیت است که تنها از یک سیگنال با فرکانس خاص به عنوان مثال 40kHz میتواند استفاده کند و حداکثر فاصلهای که میتواند توسط این روش detect شود به 8mm محدود میشود.
* کاربردهای مسافت یابی (Ranging)
* کاربرد در رباتیک
سنسورهای التراسونیک در رباتیک جهت مسافتیابی (Ranging) استفاده میشوند.
مسافتیابی در رباتیک عموماً بر پایه روش TOF است.
مشکل اصلی در این کاربرد تداخل امواج (Crosstalk) است.
* Crosstalk
Crosstalk میتواند ناشی از عوامل زیر باشد:
* امواج بوجود آمده بوسیله دیگر المانهای مدار.
* سنسورهای التراسونیک دیگر بر روی ربات.
* سنسورهای التراسونیک بر روی دیگر رباتها.
با بکار بردن رشتههای شبه اتفاقی (pseudo Random Sequences) میتوان تداخل امواج را از بین برد.
* کاربرد در اندازه گیری فاصله پارک کردن ( PDC)
* دیگر کاربردها
* کنترل سطح همزمان:
سنسور های اولتراسونیک مدل pico+ شرکت میکروسونیک Microsonic برای تشخیص همزمان چند شیء هم میتوانند به کار روند. (به طور مثال وجود جعبههای نوشابه داخل صندوق) همچنین برای بررسی خالی بودن بطریهای پلاستیکی و نیز تشخیص ارتفاع آنها و یا نبودن بطریها (واژگون شدن) روی کانوایر بکار میرود.
* تشخیص اشخاص:
در این کاربرد استفاده از سنسورهایی با فاصله شناسایی وسیعتر مناسب میباشد زیرا هرچه فاصله شناسایی (فاصله دید) سنسور التراسونیک ultrasonic بزرگتر باشد، فرکانس امواج التراسونیک آن کمتر بوده و این ویژگی شناسایی اجسامی را که جاذب صوت هستند مانند لباسهای کتان یا مخمل بهتر خواهد کرد.
* تشخیص موقعیت:
یکی از کاربرد های مهم سنسور التراسونیک تشخیص موقعیت سوژه در محل از پیش تعیین شده میباشد. سنسور های التراسونیک میتوانند به راحتی این کار را برای اجسام شفاف مانند شیشه انجام دهند.
(در این کاربرد سنسور التراسونیک ultrasonic باید کاملاً بر سوژه عمود قرار گیرد).
* مانیتورینگ جانمایی صفحات (محل قرار گرفتن صفحات)
هنگامیکه سوژه مورد نظر برای شناسایی جاذب امواج صوت باشد یا بنا به اندازه و موقعیتش داخل صفحه، باعث پراکندهشدن امواج التراسونیک شود، از روش سد منعکسکننده (Reflective Barrier) استفاده میشود. به این صورت که سد منعکسکننده پشت سوژه قرار داده میشود. سنسور التراسونیک با خروجی دیجیتال و کار در مود ویندو هنگامیکه جسمی مقابل سد منعکسکننده قرار میگیرد، سیگنالی را از خود ساتع میکند.
* اندازه گیری حجم
با استفاده از سنسور التراسونیک و کنترلر wms-4/14 با 4 خروجی آنالوگ میتوان همزمان ابعاد یک جسم مکعبی شکل را اندازهگیری کرد. (به طور مثال میتوان با استفاده از سه سنسور التراسونیک ارتفاع ، طول و عرض سوژه مورد نظر را اندازهگیری کرد)
* کنترل کشش
یکی از کاربردهای جالب سنسور التراسونیک، کنترل کشش (برای مثال اندازه انحنای پارچه در صنایع نساجی) میباشد به نحوی که سنسور میتواند فاصله قله انحنا را تا سطح مشخص اندازهگیری نماید. بدیهی است تغییر در این اندازه نشان دهنده اندازه کشش طولی میباشد.
* کنترل کیفیت
یکی از کاربردهای مهم سنسور التراسونیک ، استفاده در بخش کنترل کیفیت در خطوط تولید میباشد. برای مثال سنسور التراسونیک مدل pico+ شرکت میکروسونیک Microsonic همراه خروجی دیجیتال pnp برای شناسایی بطریهای خیلی بلند یا کوتاه یا تشخیص بطریهای واژگون شده روی کانوایر خط تولید بکار میرود.
* تشخیص سطح در فشار بالا (تا 6bar )
در بعضی از مخازن به دلیل فشار بالای مخزن نمیتوان از سنسورهای معمولی استفاده کرد. در اینگونه مواقع میتوان از سنسورهای التراسونیک مدل lpc یا hps+ شرکت میکروسونیک Microsonic استفاده کرد.
* کنترل کشش نخ
همانطور که در قبل اشاره شد از سنسور التراسونیک میتوان جهت کنترل کشش طولی استفاده نمود. با توجه به اینکه سنسور التراسونیک ultrasonic قابلیت تشخیص اجسام باریک مانند نخ را دارد ، درهنگام پیچیدن نخ یا سیم نیز استفاده میشود.
* کنترل ارتفاع در انبار کردن اجسام
میتوان از سنسور التراسونیک برای تشخیص ارتفاع دستهای از مواد مانند صفحههای چوب، قابهای شیشه، ورقههای کاغذ و پنلهای پلاستیکی رنگی در خط تولید استفاده کرد.
* مانیتورینگ فویل و فیلم
مانیتورینگ فیلم و فویل در دستگاههای بستهبندی به راحتی توسط سنسور التراسونیک مدل pico شرکت میکروسونیک Microsonic انجام میشود. اگر مواد مورد نظر برای شناسایی، سطح کافی نداشته باشند، میتوان از روش سد منعکسکننده استفاده کرد.
* کنترل سطح
علاوه بر مخازن پرفشار، سنسورهای التراسونیک در مخازن عادی نیز برای تشخیص ارتفاع از چند میلیمتر تا 6 متر بکار میروند و همچنین برای کنترل سطح ماکزیمم، مینیمم با دو خروجی دیجیتال یا یک خروجی آنالوگ 0-10v و 4-20mA و همچنین به طور خاص با خروجی INTERBUS در دسترس هستند.
* تشخیص همپوشانی ورق
سنسور التراسونیک مدل dbk 4 شرکت میکروسونیک Microsonic با استفاده از این قابلیت میتواند دو برگه از جنس کاغذ، فیلم، برگه نازک فلز را که به هم چسبیدهاند را شناسایی کرده و از این اتفاق جلوگیری کند و سنسور التراسونیک مدل dbk 5 شرکت میکروسونیک Microsonic برای مواد ضخیمتر مانند ورقههای پلاستیکی بکار میرود.
* تشخیص غیر مستقیم به کمک منعکسکننده امواج صوتی
میتوان مسیر امواج التراسونیک را به اندازه 90 درجه توسط یک جسم منعکسکننده خوب (جسم صاف و براقی که شرایط انعکاسی مطلوبی دارد) تغییر داد. بدین ترتیب میتوان سنسورهای التراسونیک را در محلهایی که به دلیل شرایط کمبود فضا و یا نحوه قرارگیری خطوط تولید، امکان نصب سنسور بصورت عمودی وجود ندارد، به شکل موازی با خط تولید نیز مستقر نمود.
* کاربرد در دستگاه تزریق پلاستیک
با استفاده از سنسور التراسونیک مدل wms شرکت میکروسونیک Microsonic و کنترلر آنها میتوان همزمان از سه طرف قطر خروجی دستگاه تزریق پلاستیک را کنترل نمود. این کار باعث کاهش هزینه و حجم سیستم کنترل اینگونه ماشین آلات میگردد.
* تشخیص جسم متخلخل یا اسفنجی
تشخیص اجسامی که منعکسکننده خوبی نیستند (مانند اجسام متخلخل، فوم، اسفنج، خاک اره ،شن و …) به طریق استفاده از روش سد منعکسکننده در مود کاری ویندو توسط سنسور التراسونیک به راحتی انجام میشود. برای این منظور یک منعکسکننده به صورت موقت در پشت سوژه قرار داده میشود، هنگامیکه یک جسم در مقابل منعکسکننده قرار گیرد، سیگنال خروجی توسط سنسور التراسونیک تولید میشود.
* کاربرد در اتومبیل
از سنسور التراسونیک میتوان در وسایل نقلیه برای جلوگیری از برخورد با مانع یا وسایل نقلیه دیگر استفاده کرد. میتوان تا 4 سنسور در جلو و عقب وسیله نقلیه برای این منظور بهره برد. امروزه بسیاری از سازندگان اتوموبیل این گزینه را بصورت پیش فرض و یا آپشنال بر روی خودرو تولیدی قرار میدهند. دقت این سنسورها، ضریب اطمینان سیستمهای امنیتی و جانبی خودروها (نظیر سیستم رادار جهت غیرفعال کردن کروز کنترل) را بسیار بالا میبرد.
* تشخیص قطر
قطر یک جسم رول شده یا لوله شده را میتوان باسنسور التراسونیک اندازهگیری کرد. بدین ترتیب سنجش میزان محصول (برحسب متراژ یا وزن) به راحتی و با دقت بالا انجام میشود.
* مزایای سنسورهای التراسونیک
* میتوانند انواع بیشتری از اشیاء را در مقایسه با دیگر سنسورهای مجاورتی detect کنند.
* برای تشخیص فاصلهها بسیار کارامدند.
* نسبت به سنسورهای خازنی و القایی رنج بزرگتری دارند.
* در شرایط ناملایم و خشن نیز میتوانند عمل کنند.
* پاسخ زمانی سریع
* عمر عملی طولانی
* معایب سنسورهای التراسونیک
* یک ناحیه مرده (dead zone) در نزدیکی سطح سنسور وجود دارد که موجب میشود که سنسور نتواند اشیاء خیلی نزدیک را تشخیص دهد.
* اشیاء خیلی کوچک را نمیتوانند تشخیص دهند. (اندازه قابل تشخیص وابسته به طول موج میباشد).
* سرعت وابسته است به ماده (پارچه نخی، پنبه، اسفنج و غیره نیازمند فرکانسهای کند هستند).
* اشیای سطح نرم باید به دقت تنظیم و همتراز شوند، در غیر اینصورت موج بازتابیده شده به سنسور نمیرسد.
* مشخصات فعلی
Range: 50mm to 11.3m
* Sampling Frequency: up to 2 kHz (usually about 120 Hz or less, depending on distance and material)
* Maximum Target Speed: up to 400 in/sec
* Time delay: 0.5 ms
* Repeatability: 0.1% of range
* Cost: $75 – several hundred (typically just over $100)
* فروشندگان بزرگ سنسورها
* Who Sells Them? (Thomas Register lists 120+ vendors)
Cutler-Hammer, Sensor Div. Rockwell Automation.
Electro Corp. TURCK, Inc.
Stedham Electronics Corp. SICK, Inc.
Advance Controls, Inc. Baumer Electric Ltd.
Balluff, Inc. Altech Corp.
Southern Controls, Inc. Fargo Controls, Inc.
* سایت های مربوطه
www.theproductfinder.com/sensors/sensor.htm
(good source for info about how they work and lists of vendors)
www.ch.cutlerhammer.com/training/slfstudy/sensors/welcome.htm
(excellent website for more technical information about various types of sensor and their applications)
http://www.thomasregister.com
(great source for finding vendors of a specific type of sensor)
در ادامه Data sheet چند سسنور متفاوت بهعنوان نمونه ارائه شده است :
* راه اندازی سنسورهای التراسونیک
سنسورهای التراسونیک را به دو صورت میتوان مورد استفاده قرار داد:
1. بایاس سنسور با مدارات الکترونیکی از قبیل تولید پالس و تقویت جریان در فرستنده و مدارات نویزگیر و آشکارساز در گیرنده.
2. استفاده از ماژول های موجود در بازار
* بایاس سنسور التراسونیک
شکل زیر بلوک دیاگرام بایاس سنسورهای التراسونیک را نشان میدهد.
* فرستنده التراسونیک
برای راهاندازی سنسورهای التراسونیک باید یک پالس 40kHz با دامنه 20Vp-p به سنسور فرستنده اعمال شود یکی از روشهای ساخت این پالس، استفاده از میکرو و راه دیگر استفاده از مولتی ویبراتورهایی مانند 555 یا 4047 است.
در ادامه چند نمونه از مدارات فرستنده آورده شدهاست.
در مدارات فوق علاوه بر تولید پالس 40kHz نکتهی دیگری نیز وجود دارد که باید به آن توجه داشت و آن چرخهی کاری فرستنده یا Duty Cycle است. در فرستنده گیرندههای التراسونیک به علت پدیدهی برهمنهی امواج، باید فرستنده را در بازهی زمانی، کمی فعال و سپس قطع نمود.
برهم نهی امواج:
* گیرنده التراسونیک
قسمت گیرنده التراسونیک از بخش های تقویتکننده اولیه، مدارات فیلتر و نویزگیر و مدار اشمیت تریگر یا PLL تشکیل شدهاست که در زیر چند نمونه از این مدارات آورده شده و یک مورد آن توضیح داده شده که بقیه موارد نیز شبیه همین مدار است.
مدار فوق سیگنال التراسونیک دریافت شده، دارای سطح ولتاژ پایینی بوده و نیاز به تقویت دارد. از این رو برای اینکه سطح ولتاژ سیگنال به حد مطلوب برسد، از مدار پیش تقویتکنندگی با گین 60db استفاده میکنیم. به طور مثال این تقویتکننده میتواند از 2 طبقهکننده op-amp تشکیل شده باشد، که طبقه اول با گین40db و طبقه دوم با گین20db میباشد، که میتوان هردوی این تقویتکنندهها از نوع invertinig باشند.
* ماژول های التراسونیک
برای استفاده از سنسورهای التراسونیک روش دیگری وجود دارد و آن استفاده از ماژولهای موجود در بازار است. این ماژولها در اشکال گوناگون و جهت مصارف آزمایشگاهی و صنعتی در بازار وجود دارند. در ادامه به بررسی چند نمونه از این ماژولها می پردازیم.
* SRF01
کوچکترین فاصله یاب التراسونیک با فرستنده-گیرنده مشترک در جهان با استفاده از روش جدید کالیبراسیون خودکار شرکت Devantech این ماژول اولتراسونیک قادر است تا حداقل بورد مسافتی خود را به صفر نیز برساند.
محدوده عملکرد: ۱۸ سانتی متر تا ۶ متر (بدون کالیبراسیون)
محدوده عملکرد: صفر سانتی متر تا ۶ متر (بعد از کالیبراسیون خودکار)
ولتاژ: 12 ~ 3.3 ولت
جریان: ۲۵میلی آمپر در حال کار، ۱۱میلی آمپر در حالت standby و ۵۵میکروآمپر در حالت sleep
فرکانس: ۴۰ کیلوهرتز
نوع ارتباط: اتصال سریال تک پایه با سرعت ۹۶۰۰ (با این روش تا ۱۶ عدد SRF01 را می توان به یک پین میکروکنترلر متصل نمود)
گزارش: در واحد سانتی متر یا اینچ
وزن: بسیار سبک 2.7 گرم
* SRF02
ارزان ترین فاصله یاب التراسونیک با دو نحوه اتصال I2C و سریال، دارای الگوریتم خود تنظیم هوشمند به صورت خودکار برای بهترین بهرهوری بدون احتیاج به کالیبراسیون. علاوهبر این دستورات جدید اجازه کنترل مجزای سیگنال burst و فاصله عملکرد را می دهد.
محدوده عملکرد: ۱۶ سانتی متر تا ۶ متر
تغذیه: ولتاژ ۵ ولت، جریان نامی ۴ میلی آمپر
فرکانس: ۴۰ کیلوهرتز
ابعاد: ارتفاع ۱۷ × ۲۰ × ۲۴ میلی متر
بهره آنالوگ: کنترل بهره به صورت اتوماتیک در ۶۴ گام
نوع ارتباط= روش ۱: اتصال I2C استاندارد -روش ۲: امکان اتصال تا ۱۶ دستگاه به سریال پورت ریزپردازنده یا UART
تنظیم کاملاً خودکار: بدون نیاز به کالیبراسیون
محاسبه دقیق اکو و گزارش نتیجه: کنترل کننده متصل به این ماژول نیازی به اندازه گیری و محاسبه فاصله ندارد.
گزارش: در واحد میکروثانیه، میلی متر یا اینچ
وزن: سبک 4.6 گرم
* SRF05
محدوده عملکرد: ۱ سانتی متر تا ۴ متر
تغذیه: ۵ ولت، جریان نامی ۴ میلی آمپر
فرکانس: ۴۰ کیلوهرتز
ابعاد: ارتفاع ۱۷ × ۲۰ × ۴۳
روش های کارکرد: یک پین برای ارسال دستور فعالسازی (trig) و دریافت اکو (انعکاس صدا) یا دو پین مجزا برای هر سیگنال (سازگار با ماژول SRF04). سیگنال trig باید از نوع TTL و به طول حداقل ۱۰ میکروثانیه باشد. پالس اکو از نوع TTL با سطح مثبت است و پهنای پالس متناسب با فاصله جسم از سنسور می باشد.
* SRF06
فاصله یاب التراسونیک با خروجی جریان۲۰-۴ میلی آمپر
محدوده عملکرد: ۲ سانتی متر تا ۴ متر
تغذیه: حلقه جریان ۴ تا ۲۰ میلی آمپر
فرکانس: ۴۰ کیلوهرتز
ابعاد: ۲۰ × ۴۳ میلی متر
* SRF08
فاصله یاب التراسونیک با کارآیی بالا
ولتاژ: ۵ ولت
جریان نامی: ۱۵ میلی آمپر (۳ میلی آمپر در حالت Standby)
فرکانس: ۴۰ کیلوهرتز
محدوده عملکرد: بین ۳ سانتی متر تا ۶ متر
حداکثر بهره آنالوگ: متغییر بین ۹۴ تا ۱۰۲۵ در ۳۲ گام
نوع ارتباط: استاندارد I2C
سنسور نوری: برای اندازه گیری نور پیش روی سنسور
محاسبه دقیق اکو و گزارش نتیجه: کنترلکننده متصل به این ماژول نیازی به اندازه گیری و محاسبه فاصله ندارد.
بررسی چندین اکو: ادامه بررسی اکوها بعد از دریافت اولین اکو
گزارش: در واحد میکروثانیه، میلی متر یا اینچ
ابعاد: ارتفاع ۱۷ × ۲۰ × ۴۴ میلی متر
* SRF10
کوچکترین فاصله یاب التراسونیک با فرستنده-گیرنده مجزا در جهان
ولتاژ: ۵ ولت
جریان نامی: ۱۵ میلی آمپر (۳ میلی آمپر در حالت Standby)
فرکانس: ۴۰ کیلوهرتز
محدوده عملکرد: ۶ سانتی متر تا ۶ متر
حداکثر بهره آنالوگ: متغییر بین ۴۰ تا ۷۰۰ در ۱۶ گام
نوع ارتباط: استاندارد I2C
محاسبه دقیق اکو و گزارش نتیجه: کنترل کننده متصل به این ماژول نیازی به اندازه گیری و محاسبه فاصله ندارد.
گزارش: در واحد میکروثانیه، میلی متر یا اینچ
ابعاد: ارتفاع ۱۰ × ۱۵ × ۳۲ میلی متر
* SRF235
فاصله یاب التراسونیک با پرتو باریک (۱۵درجه). ماژول SRF235 یک فاصلهیاب کوچک با فرستنده-گیرنده خاص صنعتی (از نوع کوپل هوا) با پهنای پرتو باریک ۱۵ درجه و سرعت update بالا (۱۰۰ هرتز) می باشد. با توجه به فرکانس کار ۲۳۵ کیلوهرتز این فاصله یاب، به راحتی می توان آن را (بدون این که تداخلی به وجود آید) همزمان در کنار فاصله یاب های استاندارد ۴۰ کیلوهرتز به کار برد.
محدوده عملکرد: 10 سانتی متر تا 1.2 متر
تغذیه: ۵ ولت
فرکانس: ۲۳۵ کیلوهرتز
پهنای پرتو: فقط ۱۵ درجه
نوع ارتباط: استاندارد I2C
محاسبه دقیق اکو و گزارش نتیجه: کنترلکننده متصل به این ماژول نیازی به اندازه گیری و محاسبه فاصله ندارد.
گزارش: در واحد میکروثانیه، میلی متر یا اینچ
ابعاد: ارتفاع ۱۹ × ۲۰ × ۳۴ میلی متر
* SRF485
فاصله یاب التراسونیک با ارتباط RS485و قابلیت جبران دما. از SRF485 در مواردی که تعداد زیادی فاصله یاب مورد نیاز است (نظیر پارکینگ اتومبیل) می توان استفاده نمود. این فاصله یاب دارای ۳ نمایشگر LED قابل برنامه ریزی توسط کاربر می باشد.
ولتاژ: 8 تا 14 ولت (ولتاژ نامی 12 ولت)
جریان نامی: 10 میلی آمپر
فرکانس: 40 کیلوهرتز
محدوده عملکرد: 30 سانتی متر تا 5متر
نوع ارتباط: استاندارد RS485
(تا 127 عدد SRF485 را می توان به کنترلر متصل نمود)
گزارش: در واحد میکروثانیه، سانتی متر یا اینچ
جبران دما: 30- تا 50+ درجه سانتیگراد
* SRF485WPR
فاصله یاب التراسونیک ضد آب با ارتباط RS485و قابلیت جبران دما. ماژول SRF485WPR مشابه ماژول SRF485 اما با گیرنده-فرستنده ضد آب می باشد.
ولتاژ: 8 تا 14 ولت (ولتاژ نامی 12 ولت)
جریان نامی: 10 میلی آمپر
فرکانس: 40 کیلوهرتز
محدوده عملکرد: 60 سانتی متر تا 5 متر
نوع ارتباط: استاندارد RS485
(تا 127 عدد SRF485WPR را می توان به کنترلر متصل نمود.)
گزارش: در واحد میکروثانیه، سانتی متر یا اینچ
جبران دما: 30- تا 50+ درجه سانتیگراد
فصل سوم
* اندازهگیری فاصله با سنسورهای التراسونیک
میخواهیم با استفاده از سنسورهای التراسونیک که از دو پک فرستنده و گیرنده تشکیل شدهاند برای اندازهگیری فاصله استفاده کنیم. کاربرد این پروژه در اندازهگیری ارتفاع مخازن است. دانستن میزان مواد موجود در یک مخزن یکی از پرکاربردترین مصارف صنعتی میباشد. سرریز یک مخزن میتواند باعث حادثه خیلی خطرناک و یا پرهزینهای شود یا بالعکس در موقع پمپ از یک مخزن خالی، ممکن است خسارت جبران ناپذیری به پمپ وارد آید. و یا حتی ممکن است باعث خرابی در موقع خالی بودن یک لوله که عمل جذب حرارت را انجام میدهد شود. همچنین در کاربرد های مواد غذایی و دارویی که میبایستی یک مقدار مشخصی از مواد باهم ترکیب شوند، تشخیص دقیق میزان مواد موجود در مخازن بسیار مهم میباشد.
* مبدلهای سطح
به دو دستهی عمده پیوسته و ناپیوسته تقسیم میشوند:
* در مبدلهای پیوسته اندازهگیری سطح بطور دقیق و در تمام ارتفاع مخزن مورد نظر میباشد.
* اما در بعضی مواقع فقط مشخص نمودن یک حدی از ارتفاع که میتواند خطرساز شود، مورد نظر است که معمولا در این مواقع از نوعی سوئیچ استفاده میگردد که بسیار سادهتر از نوع پیوسته میباشد.
در شکل زیر سوئیچ شناور که بعضی مواقع NO و بعضی مواقع NC میباشد نشان داده شدهاست. اتصالات شبیه به اتصالات درون رلهها میباشند. یک مغناطیس دائم درون شناور قرار داده شدهاست که متناسب با حرکت سطح، بالا و پایین میرود.
* درایو کردن سنسورهای التراسونیک
به روشی که در زیر شرح داده میشود عمل میکنیم. باید بر این نکته توجه داشت که برای درایو کردن این نوع سنسورها باید پالس مربعی با فرکانس مشخص مثلاً 40kHz بصورت گسسته به سنسور فرستنده دهیم.
Sleep Running
در شکل فوق سنسور فرستنده در دو نوع بازهی زمانی قرار میگیرد. حالت sleep یعنی زمانیکه بوسیلهی پالس 40k تحریک نمیشود و حالت Running که بوسیله تعداد مشخصی پالس 40k تحریک میشود.
علت قرار دادن فرستنده در این دو وضعیت، به عملکرد سنسور گیرنده ارتباط پیدا میکند. یعنی سنسور فرستنده در وضعیت Running فعال است و سنسور گیرنده در وضعیت sleep. در واقع برای این که از این نوع سنسور بصورت انعکاسی استفاده کنیم، لازم است برای یک مدت زمان کوتاه که در بالا به آن حالت Running گفتیم به فرستنده پالس دهیم. این پالسها بصورت تعدادی موج صوتی در فضا رها شده و گیرنده در مدت زمان sleep منتظر دریافت پالس صوتی میبا شد.
در واقع علت اینکه ما بصورت مداوم به فرستنده پالس صوتی نمیدهیم این است که اگر پالس صوتی دائماً در حال ارسال باشد، پالس انعکاسی که دامنهی آن نیز تا حدودی تضعیف شده، بر هم نهی میکند. چون دارای اختلاف فاز نیز میباشد. و پالس صوتی که گیرنده دریافت میکند بسیار ضعیف میباشد و قابل آشکارسازی نیست، ما زمان sleep را برای دریافت موج بصورت آزاد قرار میدهیم (یعنی موج صوتی ارسال نمیکنیم).
فرآیندی که پیش رو داریم بدین صورت است که یک پالس مربعی بصورتی که توضیح دادیم به فرستنده اعمال میکنیم و گیرندهی امواج مدتی التراسونیک زمانیکه یک پا لس صوتی دریافت میکند، در خروجی یک موج سینوسی با فرکانس 40kHz و دامنهای در حد میلیولت تولید میشود. این موج سینوسی را باید با استفاده از تقویتکنندههای عملیاتی تقویت کنیم. اما چون این موج بشدت دچار نویز شده نمیتوانیم بیش از یک طبقه آنرا تقویت کنیم. پس از تقویت سیگنال، دامنهی آن تا حدود یک ولت افزایش مییابد. در ادامه، دو مسیر در پیش خواهیم داشت. یا اینکه سیگنال تقویت شده را از یک فیلتر میانگذر عبور دهیم که فرکانس مرکزی آن برابر 40k میباشد و سپس آنرا مجدداً تقویت کنیم.
راه دوم این است که پس از طبقه اول، تقویت سیگنال سینوسی را با استفاده از یک مقایسهکننده یا اشمیت تریگر، به یک سیگنال مربعی تبدیل کنیم. شکل سیگنالی که پس از مقایسهکننده خواهیم داشت به این صورت خواهد بود:
این شکل از دو قسمت تشکیل شده :
قسمت اول (a) یک پالس مربعی داریم . این پالس مربوط به زمانی است که فرستنده در حال ارسال پالس مربعی میبا شد. در این وضعیت علاوه بر موج صوتی که در فضا ایجاد میشود. بخشی از موج صوتی فرستاده شده قبل از انتشار در فضا، گیرنده را تحریک میکند که به تبع آن، در گیرنده یک موج سینوسی ایجاد میشود.
در واقع امواج صوتی که فرستنده ارسال میکند با زاویه تابشی معادل 80 درجه انتشار مییابد. مطابق شکل زیر:
در واقع یکی از دلایلی که ما پالس را بصورت گسسته میدهیم، پدیده فوق میباشد که چون زاویه تابش موج زیاد است، موج ارسالی از فرستنده هنگام ارسال روی گیرنده اثر میگذارد، که خروجی گیرنده در این وضعیت، مربوط به مانع جلوی سنسور نمیباشد .
قسمت دوم شکل که باز هم یک پالس است، مربوط به زمانی است که امواج صوتی بازتاب شده، به گیرنده برگشتهاند. ( بازهی b). این قسمت، همان وضعیت sleep فرستنده است. حال اگر ما فاصلهی زمانی این دو پالس مربعی را بدست آوریم، زمان رفت و برگشت امواج صوتی را خواهیم داشت. این تجزیه تحلیل بوسیلهی یک ریزپردازنده انجام میشود.
قسمت کلی این سیستم به شرح زیر است:
1. قسمت پردازش (با استفاده از یک میکروکنترلرAVR :
وظیفه این قسمت ارسال پالس به فرستنده و کنترل زمانبندی ارسال پالسهای مافوق صوت و استخراج فاصله از روی محاسبه فاصله زمانی بین ارسال و دریافت این پالسها میباشد.
2. قسمت فرستنده که وظیفه آن تقویت پالس میکرو به منظور افزایش برد و تبدیل آن به امواج التراسونیک توسط یک سنسور فرستنده با بهره مناسب میباشد. این قسمت
بهگونهای طراحی شدهاست که بتواند پالسهای مربعی با فرکانس حدود 40 کیلوهرتز و دامنه 5 ولت را با توجه به دامنه ولتاژ تغذیه تا 20 ولت که ماکزیمم ولتاژ کاری سنسور التراسونیک است تقویت کند.
3. قسمت گیرنده که در ابتدا توسط یک سنسور گیرنده، امواج اکوی حاصل ازبرخورد با مانع، به سیگنالهای الکتریکی تبدیل شده و پس از تقویت به یک فیلتر جهت شناسایی موج ارسالی وارد میشود. این فیلتر در صورت شناسایی موج ارسالی، خروجی خود را تغییر داده و توسط این خروجی میکرو را از دریافت موج اکو مطلع میسازد.
4. مدارات مقایسهکننده و اشمیت تریگر نیز قبل از میکرو وظیفهی تبدیل موج سینوسی به پالس مربعی را بهعهده دارند.
فاصله محاسبه شده به صورت یک عدد 8 بیتی در خروجی پردازشگر قرار میگیرد. این
عمل به صورت مداوم و در فواصل زمانی بسیار کم انجام میپذیرد.
فصل چهارم
هدف: اندازهگیری سطح مایعات با استراسونیک
مقدمه: برای اینکار روشهای متفاوتی وجود دارد. در ذیل به اختصار چند روش را توضیح میدهیم. سپس مزایا و معایب هرکدام را توضیح داده و در آخر روش اندازهگیری با امواج صوتی را توضیح و نقاط قوت آن را نسبت به سایر روشها شرح میدهیم.
* فاصله سنجی
متداولترین روش استفاده از سنسورهای مادون قرمز میباشد. مبنای کار این سنسورها ارسال امواج فرو سرخ و محاسبه فاصله اولین مانع مقابل از روی اختلاف فاز موج ارسالی و دریافتی است. این روش بیشتر در فواصل کم استفاده میشود و شرایط محیطی نیز تاثیر زیادی بر آن دارند. در قسمتهای بعدی این روش را کاملاً توضیح خواهیم داد.
روش دوم، استفاده از امواج فراصوتی در تخمین فاصله است که به علت پایین بودن سرعت صوت نسبت به نور، امکان محاسبه فاصله را از روی زمان برگشت موج ارسالی ممکن میسازد. سیستمهای توسعه یافته مبتنی بر هر یک از دو روش فوق که به منظور شناسایی کل محیط و ایجاد یک ماتریس سه بعدی حاوی کلیه اجرام موجود، در شعاع مشخصی از دستگاه استفاده میشوند، رادارها و سونارها هستند که بسته به دقت و ناحیه تحت پوشش ویژگیهای خاص خود را دارند. با این حال به علت تلفات بسیار زیاد امواج الکترومغناطیسی در آب و مهمتر از آن بالاتر بودن سرعت صوت و راندمان انتقال امواج صوتی در آب به نسبت هوا، در محیط آب عملاً از سونار استفاده میشود.
* سونار
سونار اصطلاحاً به دستگاههایی اطلاق میشود که برای ناوبری و فاصلهسنجی خود، از امواج صوتی استفاده میکنند. در شکل زیر یک کشتی را میبینید که از سونار برای تعیین عمق آب استفاده میکند. امواج فراصوت توسط وسیلهای به نام ترانسدیوسر به درون آب فرستاده میشود.
این امواج درون آب به پیش رفته تا به مانعی برخورد نموده و منعکس شوند. زمان رفت و برگشت امواج، متناسب با فاصله جسم تا ترانسدیوسر است. از سونار برای کشف اجسام در زیر آب نیز استفاده میشود. بسیاری از ماهیگیران برای شناسایی محل تجمع ماهیها از سونار بهره میگیرند.
البته توسط سونار میتوان از زیر آب نیز تصویربرداری نمود. تصویر زیر یک هواپیما را در زیر آب نشان میدهد. روشهای دیگری نیز جهت فاصلهسنجی استفاده میشود که توضیح خواهیم داد.
الف) اندازهگیری ارتفاع مایعات با استفاده از سنسور فشار
در این روش ما برای اندازهگیری عمق مایع، یک سنسور فشار در کف مایع قرار میدهیم بسته به اینکه چه مقدار فشار به سنسور وارد میشود و این که حجم مخزن چه اندازه میباشد و چگالی مایع چه مقدار است، میتوانیم عمق مایع را مقایسه کنیم.
ضعف این روش این است که اگر مایعی با چگالی متفاوت درون مخزن قرار گیرد، سنسور فشار، ارتفاع مایع را غلط بدست میآورد. برای این کار میبایست ما چگالی مایع مورد نظر را بعنوان ورودی به سیستم اعمال کنیم تا پاسخ سیستم همواره مقداری صحیح باشد.
ب) تشخیص مانع (دیواره) با مادون قرمز
این مدار بهگونهای طراحی شدهاست که میتواند در سه مرحله فاصله سنسور را از مانع مقابل آن نشان دهد. یعنی با نزدیک شدن سنسور به مانع، مدار در سه مرحله و در فواصل مختلف به شما آلارم خواهد داد. اساس کار مدار، ارسال امواج مادون قرمز و دریافت بازتاب آنها است. در این مدار از یک دیود فرستنده مادون قرمز و یک سنسور گیرنده مادون قرمز استفاده شدهاست که در یک راستا و در کنار هم به گونهای قرار میگیرند که با قرار گرفتن شیء در مقابل این دو دیود، امواج مادون قرمز منتشر شده توسط فرستنده بر روی گیرنده بازتاب شود.
در این مدار تشعشعات مادون قرمز فرستاده شده توسط فرستنده، به وسیله سنسور گیرنده مادون قرمز دریافت شده و شدت آن اندازهگیری میشود. هر چقدر شیء به سنسورها نزدیکتر باشد، امواج بازتابی از آن بیشتر است و در نتیجه سنسور گیرنده بیشتر تحریک خواهد شد. البته میزان بازتاب به رنگ مانع نیز بستگی دارد، رنگهای تیره مانند سیاه، نور کمتری بازتاب میکنند و در نتیجه تشخیص آنها دیرتر و با سختی بیشتری صورت میپذیرد.
اگر مانع یک دیوار با رنگ روشن (تقریباً سفید) باشد، در فاصله حدوداً 20 سانتیمتری LED D5 روشن خواهد شد. در صورتیکه سنسور را به مانع نزدیکتر کنیم، در فاصله 10 سانتی متری LED D6 هم روشن شده و بالاخره با روشن شدن D7 LED میتوان نتیجه گرفت که سنسور با مانع فاصلهای کمتر از 6 سانتیمتر دارد. این مدار میتواند کاربردهای متفاوتی داشته باشد.
اصلیترین کاربرد آن در ساخت رباتهای هوشمند مثلاً ربات دریبلزن یا ربات لابیرنت است. در اینگونه رباتها باید به نحوی دیواره را تشخیص دهیم و از برخورد ربات با دیواره جلوگیری نماییم و پس از آن، مسیر خود را به گونهای اصلاح کنیم که از بین موانع به خوبی عبور کند. اصولاً در هر جا که نیازمند تشخیص مانعی هستیم چنین مداری میتوا ند به ما کمک کند. برای استفاده از این مدار تنها کافی است که به پایههای تغذیه، ال ای دیها را به مدار تصمیمگیرنده خود مثلاً میکروکنترلر متصل نماییم. در صورت تحریک مدار و روشن شدن ال ای دیها خروجیهای آی سی Low خواهد شد. و به سطح منطقی صفر میرود. یکی از اساسیترین ویژگیهای این مدار، سه مرحلهای بودن آن است. با توجه به اینکه این مدار از فاصله زیاد مانع را تشخیص میدهد قابلیت پیادهسازی الگوریتمهای پیچیده را خواهیم داشت.
تغذیه این باید تا جای ممکن صاف و رگوله باشد.
برای این کار از خازنهای مناسب به صورت موازی در مدار تغذیه استفاده میکنیم تا اثر اعوجاجات ناشی از موتورها را خنثی نمایند. برای اینکه مدار حساسیت بیشتری داشته باشد و شرایط محیطی کمترین اثرات را در کارکرد حسگر داشته باشند، امواج مادون قرمز با فرکانس حدود 120 هرتز نوسان میکنند. (این پالسها توسط آی سی 555 در مدار ایجاد میگردد)
در بخش گیرنده نیز امواج دریافتی تا حدی فیلتر میشوند و در واقع بخش گیرنده مدار، تنها به امواج مادون قرمز فرستاده شده توسط فرستنده همین مدار حساس است و امواج مادون قرمز موجود در محیط اثر زیادی بر روی کار مدار ندارند.
برای سنسورهای گیرنده و فرستنده میتوانیم از پکیجهای موجود در بازار استفاده کنیم. معمولاً در این قطعات یک سنسور فرستنده و یک سنسور گیرنده در کنار یکدیگر و در یک بدنه پلاستیکی جاسازی شدهاند. البته استفاده از فتودیودهای فرستنده و گیرنده معمولی نیز نتیجه قابل قبولی دربر خواهد داشت. در صورتی که به جای دیود گیرنده، از فتوترانزیستور گیرنده استفاده کنیم، تغییرات مدار خطی نخواهد بود و فواصل ذکر شده در بالا تغییر مینماید.
البته این فواصل به سایر تنظیمات مدار نیز بستگی خواهد داشت. باید متذکر شویم که این مدار علاوه بر استفاده در رباتهایی از قبیل دریبلزن و مازو لابیرنت و … کاربردهای فراوان دیگری هم دارد مثلاً از این مدار میتوان به عنوان سنسور دنده عقب اتومبیل نیز استفاده نمود.
برای این کار باید مدار و سنسورهای آن را بر روی سپر عقب نصب کرده و سه چراغ نشانگر مدار را در دید راننده اتومبیل نصب کنیم، با این کار راننده با سرعت و دقت بیشتری میتواند اتومبیل خود را پارک نماید.
* لیست کامل قطعات :
Resistor R1_____________10K 1/4W
R2,R5,R6,R9_____1K 1/4W Resistors
1/4W Resistor R3_____________33K
R4,R11__________1M 1/4W Resistors
R7______________47K 1/4W Resistor
Resistor R8______________15K 1/4W
R10,R12,R14_____1K 1/4W Resistors
Electrolytic or Polyester C1,C4___________1μF 63V
Capacitors
Capacitor C2_____________47pF 63V Ceramic
Capacitors C3,C5_________100μF 25V Electrolytic
LED D1_____________Infra-red
(D2_____________Infra-red Photo Diode (see Notes
D3,D4________1N4148 75V 150mA Diodes
(size D5-7___________LEDs (Any color and
IC IC1_____________555 Timer
IC2 __________ LM324 Low Power Quad Op-amp
IC3____________7812 12V
A Positive voltage regulator IC1
ج) روش اندازهگیری فاصله با لیزر
در ساخت فاصله سنجهای لیزری 3 روش عمده وجود دارد که در زیر یک به یک به آنها میپردازیم:
1. یکی مبتنی بر میزان امواج بازگشتی از روی مانع (روش شدتی) است. در این روش ما تنها کاری که میکنیم شدت نور لیزر برگشتی از مانع را حساب و سپس فاصله را که با شدت نور رابطه مستقیم دارد حساب میکنیم اما همانطور که میدانیم شدت نور برگشتی به عوامل زیادی از جمله میزان نور محیط (شب یا روز بودن)، میزان گرد و غبار موجود در هوا و… بستگی دارد که ما باید این کمیتها را در محاسباتمان لحاظ کنیم.
2. روش دیگر بر مبنای اندازهگیری زمان سیر نور از فرستنده به هدف و از هدف به فرستنده است. استفاده از این روش علیرغم مشکلات زیاد در ساخت مدارات مربوط به اندازهگیری زمان و … به لحاظ مقاومت بیشتر و وابسته نبودن آنچنانی در برابر تغییرات محیطی، از روش اول مناسبتر است. اما همانطور که میدانیم سرعت نور 299000 کیلومتر در ثانیه است و در ساخت این دستگاه به این روش بحث محدودیت در فرکانس کاری مدارات الکترونیکی و مدارات وابسته بر میکروکنترلرها مطرح میشود و در صورتیکه این مشکل را نیز رفع کنیم مشکل نویزپذیری این مدارات مطرح میشود.
لذا در ساخت آن تدابیر شدیدی برای دفع نویز و در صورت نویزی شدن، حذف نویز باید اندیشید. این روش برای فاصلههای بسیار دور مفید است مثل زمین تا ماه.
3. همانطور که میدانیم میزان فرکانس امواج در اثر حرکت در فضا تغییر میکند و از همین روش میتوان میزان فاصله را با محاسبه فرکانس امواج برگشتی و مقایسه با میزان امواج ارسالی (البته در صورتیکه فرکا نس امواج ارسالی متغیر باشد) میتوان با یک رابطه ساده از طریق ریاضی فاصله را محاسبه نمود و در صورتیکه میزان فرکانس امواج ارسالی ثابت باشد، تنها با اندازهگیری فرکانس بازگشتی و قرار دادن این فرکانس در فرمول، میزان فاصله را محاسبه میکنیم.
محاسبه فرمولها هم کاری ندارد. در این روش از اختلاف فاز ایجاد شده استفاده میکنند. نور را دو قسمت میکنند؛ یکی به سمت جسم میرود و بر میگردد و دوباره با همان نور اصلی اختلاف فازش اندازهگیری میشود که آنرا با استفاده از تداخل بوجود آمده به دست میآورند که یک کار اپتیکی با دردسر زیاد است. با توجه به سرعت زیاد نور، سیستم اندازهگیری زمان سیر، برای سنسور لیزری بسیار پیچیدهتر از مدارات لازم جهت اندازهگیری زمان سیر صوت در روشهای صوتی میباشد. در ساخت این فاصلهسنج، از روش اندازهگیری زمان سیر لیزر استفاده شدهاست.
* اصول عملکرد سیستم با لیزر
در این روش لیزر به سمت هدف تابانده میشود و پس از بازگشت از روی هدف و دریافت توسط قسمت گیرنده، مدت زمان رفت و برگشت اندازهگیری میشود. سپس با توجه به ثابت بودن سرعت نور، فاصله بدست میآید. شکل زیر اساس کار را نشان میدهد:
لیزر تابشی
بازتاب لیزر
مدار شمارشگر از هنگام ارسال پالس لیزری، هنگام بازگشت آن از روی مانع اقدام به اندازهگیری زمان میکند.
* ساخت سنسور
این سنسورها عموماً با painter, laser های عادی با توان کمتر از یک میلی وات ساخته میشوند. که معمولاً قادرند اختلاف فاصلهی مانع را در فواصل مختلف تا 30متر را درک کنند. برای اندازهگیری فاصلههای طولانیتر کافیست که از دیود لیزری مناسب با توان خروجی بالاتر استفاده نمود. دستگاه دارای یک خروجی است که در آن متناسب با فاصله از مانع، عددی نمایش داده میشود. در شکل زیر نمودار اعداد آزمایش شده بر حسب فاصله آورده شدهاست :
* مشکلات این مدارها
یکی از مشکلات اصلی در ساخت سیستمهای اندازهگیری سرعت سیر نور، نیاز به فرکانسهای بالا و مشکلات مربوط به نویزی شدن مدارات است. به منظور بهبود عملکرد مدار میتوان قسمتهای مختلف مدار روی بردهای جداگانه ساخته شود تا از هم ایزوله گردند.
مشکل دیگر خطر لیزر برای انسان است. اگر بخواهیم از دیودهای لیزری، توان بالا استفاده کنیم، باید از بی خطرترین نوع آن (لیزر کلاس 1) استفاده شود. مدت زمان تابش لیزر توسط این دستگاه باید بسیار کوتاه (در حد چند نانو ثانیه) و مطابق با استانداردهای بینالملی باشد تا خطرات ناشی از استفاده از لیزر کاهش یابد.
د) فاصلهسنجی با استفاده از رادار
رادار دستگاهی است که امواج الکترومغناطیسی را پخش میکند و برای ردیابی اجسام مختلف در شرایط متفاوت بکار میرود. رادار از این دو پدیده در حوزه امواج رادیویی استفاده میبرد: "پژواک و پدیده دوپلر".
امواج رادیویی و الکترومغناطیس قابلیت انعکاس و بازتاب دارند و رادار براساس همین خاصیت ساده بوجود آمده. سادهترین رادارها در حقیقت از یک فرستنده و یک گیرنده رادیویی بوجود آمدند. این وسایل ابتدایی فقط قادرند وجود شیء را اعلان کنند و به هیچوجه توانایی تشخیص اندازه و ویژگیهای دیگر آن را ندارند.
* مکانیسم عمل رادار
همانطور که امواج دریا و امواج صوتی پس از رسیدن به مانعی منعکس میشوند، امواج الکترومغناطیسی هم وقتی به مانعی برخورد کردند، بر میگردند و ما را از وجود آن آگاه میسازند. به کمک امواج الکترومغناطیسی نه تنها از وجود اجسام در فاصله دور باخبر میشویم، بلکه بطور دقیق تعیین میکنیم که آیا ساکن هستند یا از ما دور و یا به ما نزدیک میشوند؟ حتی سرعت جسم نیز بخوبی قابل محاسبه است.
وقتی امواج منتشر شده از رادار، به یک جسم دور برخورد میکنند، به طرف نقطه حرکت بر میگردند. امواج برگشتی توسط دستگاههای خاص در مبدا تقویت میشوند و از روی مدت رفت و برگشت این امواج، فاصله بین جسم و رادار اندازهگیری میشود.
* کاربردهای رادار
رادارها در توپخانهها ، موشک اندازها و جنگهای زیر دریاییها، کاهش سوانح در مسافرتهای دریایی و هوایی، شناسایی موقعیت کره زمین و دیگر سیارات، دنبالکردن مسیر ماهوارهها و فضاپیماها و برای شناسایی خودروهای با سرعت غیر مجاز کاربرد دارند. مرکز کنترل ترافیک فرودگاهها برای ردیابی هواپیماها و هدایت آنها از رادار استفاده میکنند.
هواشناسان برای شناسایی طوفانها، تندبادهای دریایی و گردبادها از آن استفاده میبرند. نوعی خاص از رادار را در مدخل ورودی فروشگاهها میبینید که در هنگام قرار گرفتن اشخاص در مقابلشان، درب را باز میکنند. استفاده از رادار عموماً در راستای دو هدف زیر میباشد :
1) شناسایی حضور یا عدم حضور یک جسم در فاصلهای مشخص
2) جابجایی
3) اهدافی که رادار استخراج میکند، معمولاً اهداف فلزی هستند. ویژگیهای رادار نسبت به دید چشمی: برد زیاد، عدم وابستگی به وجود نور، عبور امواج از موانع، امکان اندازهگیری دقیق مشخصههایی مانند فاصله، ارتفاع، سرعت است.
در حال حاضر رادارها کابردهای مختلفی دارد که عبارتاند از :
رادار پالسی – رادار موج پیوسته – نظارت و رهگیری هواپیماها و موشکها – نظارت و رهگیری اهداف دریایی یا زمینی – نظارت و رهگیری اجرام فضایی – هواشناسی – اندازهگیری سرعت وسایل نقلیه.
ه) اندازهگیری ارتفاع با استفاده از امواج صوتی
در این روش با فرض معلوم بودن ارتفاع مخزن، فاصلهی سنسور تا سطح مایع را اندازه میگیریم. در واقع ما یک سنسور التراسونیک را در بالای مخزن قرار میدهیم. امواج صوتی که فرستنده تولید میکند، پس از برخورد به سطح مایع بازتابش میشود و گیرنده آن را دریافت میکند. در واقع ما ارتفاع را با استفاده از این اصل فیزیکی که سرعت صوت برابر 330 m/s است، بدست میآوریم. و با استفاده از یک ریزپردازنده، زمان رفت و برگشت موج صوتی را در سرعت صوت ضرب میکنیم و به فاصله موردنظر دست پیدا میکنیم.
سرعت صوت در دماهای مختلف متفاوت است. به طور مثال سرعت صوت در دمای صفر درجه سانتیگراد 331.5 m/s است و سرعت صوت در دمای 40 درجه سانتیگراد، 335.5 m/s است.
X = V × T
با توجه به فرمول، سرعت رابطه مستقیمی با زمان دارد. اگر فاصله ما تا دیوار 2m باشد، با احتساب برگشت نور 4m میشود. بنا براین مدت زمان برگشت موج به سنسور گیرنده از رابطه زیر حساب می شود.
X = V × T T = 4.331 T = 0.01206
* اصول انتشار امواج صوتی
میدانیم التراسوند یا فراصوت امواج صوتی هستند که فرکانس آنها بالاتر از 20kHz یعنی آستانه بالای شنوایی انسان است. محدوده شنوایی انسان بین 20Hz تا 20kHz قرار دارد از آنجایی که التراسوند، موجی است همانند امواج الکترومغناطیسی، بنابراین انرژی را منتقل کرده و توسط پارامترهای موج قابل تفسیر است.
این پارامترها برای التراسوند، فشار، چگالی، حرارت، جابجایی ذرات، و مانند آن، استفاده میشود. امواج التراسوند، برخلاف امواج الکترومغناطیس، به یک محیط واسط برای انتقال نیاز داشته و در خلاء منتشر نمیشود.
برای نمایش نحوه پخش شدن صوت در یک محیط، آن محیط را توسط گرههایی مدل میشود که توسط فنرهایی در فضای سه بعدی به یکدیگر اتصال یافته است.گرهها، مدلی از اتمها یا مولکولهای جسم و فنرها مدلی از نیروهای بین ذرهای است. وقتی که یک ذره از موقعیت خنثی اندکی جابه جا شود، اغتشاش یا نیرو توسط فنرها به ذرات مجاور آن منتقل و این امر یک واکنش زنجیرهای را سبب میشود.
اگر نیروی رانش، به جلو و عقب (و یا به صورت سینوسی) نوسان کند، ذرات، با نوسانی همانند، به آن پاسخ خواهد داد. به مسافتی که یک ذره در موقع انتقال موج صوتی حرکت میکند (U)، جابه جایی ذره گفته میشود. معمولاً این مسافت برای آب در حدود چند دهم نانومتر است. سرعت نوسان ذره به جلو و عقب، سرعت ذره (ux) نامیده شده (اندیس x جهت سرعت را نشان میدهد) و برای آب در حدود چند سا نتیمتر بر ثانیه است.
* شدت
شدت یک موج به عنوان مقدار انرژی متوسط منتقل شده توسط آن موج، به ازاء یک واحد سطح عمود بر جهت انتشار موج، و در یک واحد زمان، تعریف میشود.
* اثر داپلر
به تغییر حاصل شده در فرکانس صوتی، دریافت شده توسط یک ناظر، وقتی که منبع صوت یا ناظر یا هر دو متحرک باشند، اثر داپلر گفته میشود.
* تولید و آشکارسازی امواج التراسوند
اثرپیزوالکتریک
بعضی از موارد دارای این خاصیت است که اعمال یک میدان الکتریکی، سبب تغییر ابعاد آنها میشود، و برعکس. به این پدیده، اثر پیزوالکتریک (اثر فشار- برق) گفته میشود. بعضی از کریستالها همانند کوارتز و تورمالین (که در طبیعت یافت میشود)، پیزوالکتریک هستند. دلیل فیزیکی پدیده پیزوالکتریک میتواند به صورت زیر بیان شود؛ ماده پیزوالکتریک میتواند به عنوان مجموعه بیشماری از دو قطبیها فرض شود.
اعمال یک ولتاژ الکتریکی خارجی V به یک ورقه از ماده پیزوالکتریک موجب منظم شدن دوقطبیها و نتیجتاً تغییر ضخامت ورقه از L به L+ΔL میشود. در واقع این تغییر ضخامت تنها در حدود چند میکرون است. برعکس اعمال یک تنش سبب پدید آمدن یک ولتاژ در دو سوی ورقه میشود. گروهی از مواد مصنوعی (مشهور به فروالکتریکهای قطبی شده) نیز دارای
خاصیت پیزوالکتریک قوی هستند.
قطبی کردن ماده فروالکتریک با گرم کردن آن تا کمی بالاتر از یک درجه خاص (که به نوع ماده بستگی داشته و به درجه حرارت کوری معروف است)، و سرد کردن آن به آرامی در حضور یک میدان الکتریکی قوی (در حدود 20kv/cm و اعمال شده در جهتی که به خاصیت پیزوالکتریک احتیاج است) انجام میپذیرد.
این فرآیند سبب میشود که دو قطبیها در راستای میدان منظم شود. مواد فروالکتریک تعدد زیادی دارند. تیتانات باریم اولین ماده فروالکتریک بود که کشف شد و امروزه این ماده غالباً توسط تیتانات زیرکونات سرب ( PZT ) جایگزین گشته است.
چند نوع از PZT هماکنون در بازار موجود است. به مقدار تنش ایجاد شده در یک ماده پیزوالکتریک در اثر اعمال یک واحد از میدان الکتریکی (بدون کرنش)، ثابت تنش پیزوالکتریک e (با واحد newtons/V-m یا C/m^2) گفته میشود. ثابت انتقال یا ثابت کرنش پیزوالکتریک d براساس واحد coulombs/newton و به عنوان مقدار کرنش تولید شده به ازاء اعمال یک واحد میدان الکتریکی، در حالیکه تنش خارجی مساوی صفر است ، تعریف شده و با e طبق رابطه e =cE.d مرتبط میشود.
* مبدلهای التراسونیک
تعدادی از عوامل همانند پایداری، خواص پیزوالکتریک، و استحکام ماده، باید در انتخاب یک ماده پیزوالکتریک مناسب، برای انتقال یک موج التراسوند در نظر گرفته شود. کوارتز به دلیل پایداری، برای اندازهگیری دقیق مناسب است، اما برای تولید توان خروجی زیاد، به میدان الکتریکی نسبتاً بزرگی نیاز دارد.
در مقابل، سرامیکها برای تولید توان خروجی مشابه، به میدان الکتریکی به مراتب کوچکتری احتیاج دارد. پایداری کمتر و امپدانس الکتریکی کم، در فرکانسهای بالا از جمله معایب سرامیکها است. کریستال در نزدیکی مبدل قرار میگیرد و سطوح کریستال توسط نقره یا طلا پوشیده میشود. الکترود خارجی، برای جلوگیری از خطر برق گرفتگی معمولاً به زمین وصل میشود. محفظه کلی مبدل میتواند از جنس فلز یا پلاستیک باشد.
* انطباق مکانیکی
هنگامیکه یک مبدل توسط یک منبع الکتریک تحریک میشود، بر اساس فرکانس تشدید خود به ارتعاش درمیآید. برای کاربرد موج پیوسته، در پشت مبدل، هوا وجود داشته و حداکثر انرژی ممکن در راستای مستقیم تشعشع میشود. به دلیل عدم انطباق امپدانس شنیداری بین هوا و ماده پیزوالکتریک، انرژی شنیداری در این سطح تماس به سوی راستای مستقیم منعکس شده و در نتیجه مقدار کمی از انرژی تلف میشود.
در مقابل، این عدم انطباق، در کاربرد پالس- اکو پدیدهای موسوم به اثر طنینی را پدید میآورد که به دلیل طولانیتر کردن دوام پالس، بسیار نامطلوب است. از مواد سخت و جاذب، برای پشت مبدل، به منظور از بین بردن طنین و افزایش پهنای باند (کم کردن Q)، میتوان استفاده کرد.
در این حالت، ماده پشتی نه تنها بخشی از انرژی نوسانی وجه پشتی را جذب میکند، بلکه همچنین عدم انطباق در امپدانس شنیداری آن مشابه با مبدل بوده و حداکثر انرژی ورودی به خود را جذب کند. باید توجه داشت که توقف طنین یا کم کردن دوام پالسها به بهای تنزل حساسیت به دست میآید.
علت آن است که بخش قابل توجهی از انرژی در این حالت توسط ماده پشتی جذب میشود. عایقهای شنیداری را به منظور به حداقل رساندن تزویج انرژی التراسوند با بدنه، میتوان بین بدنه پروب و کریستال و مجموعه بلوک پشتی قرار داد. از آنجایی که بدنه غالباً از یک ماده با تلفات کم، مانند فلز، ساخته شده و احتمال دارد در پاسخ به انرژی التراسوند به طنین درآید، این کار در پارهای مواقع به صورت ضرورت درمیآید.
فصل پنجم
* اندازهگیری جریان سیال با استفاده از امواج التراسونیک
کشور ما به دلیل تعدد مخازن هیدروکربوری و با داشتن رتبه چهارم در بین تولیدکنندگان نفت و رتبه سوم در بین تولیدکنندگان گاز دنیا، از تنوع محصولات تولیدی بسیار زیادی برخوردار است. به منظور برخورداری از دقت کافی در اندازهگیری تولید و تحویل محصولات باید با توجه به مشخصات فرآیندی سیال، جریانسنج مناسبی در محل تعبیه کرد.
جریانسنجهای التراسونیک چند سالی است که تاییدیههای سازمانهای معتبر جهانی را برای استفاده در نقل و انتقالاتی که مبنای مالی دارند (Custody Transfer)دریافت کردهاست. اگر انتخاب این جریانسنجها مناسب باشد و با دقت طراحی شده و مورد استفاده قرار گیرند، از دقت بسیار بالایی برخوردار خواهند بود.
در حال حاضر تب استفاده از جریانسنجهای التراسونیک در حال گسترش بوده و اکثریت بر این باورند که این نسل از تکنولوژی در هر کاربرد و هر محلی، از دقت بالایی برخوردار بوده و بر انواع دیگر جریانسنجهای قدیمی ارجحیت دارد. در صورتیکه اگر این نوع جریانسنج برای کاربرد مناسب استفاده نشده و یا در انتخاب، طراحی و نصب آن دقت کافی وجود نداشته باشد، نه تنها از جریانسنجهای قدیمی بهتر نخواهد بود بلکه عملکردی به مراتب ضعیفتر خواهد داشت.
در اینجا انواع جریانسنجهای التراسونیک و نحوه انتخاب و بهرهبرداری، موارد استفاده و معایب و مزایای آنها مورد بحث قرار خواهدگرفت.
* معرفی جریانسنجهای التراسونیک
جریانسنجهای التراسونیک به سه دسته کلی تقسیمبندی میشوند که در هر سه دسته از امواج مافوق صوت استفاده میشود:
الف) جریانسنج التراسونیک از نوع زمانعبوری
ب) جریانسنج التراسونیک از نوع مهاری
ج) جریانسنج التراسونیک از نوع داپلر
نوع نخست که عمده بحث این مقاله بر آن تمرکز دارد برای سیالات تکفازی استفاده شده، از دقت بالایی برخوردار بوده و قابلیت استفاده در مبادی انتقال و موارد حائز اهمیت از نظر مالی دارد. بهعنوان مثال در ایران، جریانسنج التراسونیک از نوع زما نعبوری برای نخستین بار در سایت عسلویه و برای اندازهگیری میعانات صادراتی استفاده شد.
این جریانسنج که به تازگی تست و راهاندازی آن به اتمام رسیده، میتواند به عنوان مرجع استفاده از این نوع در کشور قرار گیرد. برای اندازهگیری جریان گاز نیز دو دستگاه جریانسنج التراسونیک چهار پرتوی در منطقه پارسیان، گاز خشک ارسالی به شبکه مصرف را اندازهگیری میکند.
جریانسنج التراسونیکی چهار پرتوی
نوع دوم این جریانسنجها که مهاری نام گرفته، با همان مکانیزم زمانعبوری کار میکند؛ با این تفاوت که این نوع، به جداره بیرونی خط متصل شده و دقت کمتری دارد.
اما نوع سوم این جریانسنجها که دقت آن کمتر از دو نوع قبلی است برای سیالاتی که حاوی ناخالصی و ذرات جامد باشند، استفاده میشود. در این نوع جریانسنج وجود ذرات جامد در سیال جهت اندازهگیری الزامی است.
* جریانسنج التراسونیک از نوع زمانعبوری
اساس کار این نوع جریانسنج بدین صورت است که دو دستگاه مبدل که به طور همزمان موج صوتی از خود منتشر میکنند در دو طرف خط قرار داده میشوند.
شماتیک چگونگی اندازهگیری شدت جریان در جریانسنج التراسونیک از نوع زمانعبوری
یکی از مبدلها در بالادست جریان و دیگری در پاییندست جریان قرار گرفتهاند. به دلیل اینکه سرعت خطی موج صوتی که از مبدل بالادستی منتشر میشود در جهت سرعت سیال است، زودتر به مبدل پاییندستی برخورد میکند. ولی موج صوتی منتشر شده از مبدل پاییندستی به دلیل مخالفت سرعت جریان سیال با آن، دیرتر از قبلی به مبدل بالادستی میرسد و از روی همین اختلاف زمان دریافت موج، سرعت سیال اندازهگیری میشود. زمان ارسال موج از نقطه 1 به نقطه 2 و بالعکس بهصورت زیر محاسبه میشود.
T_12= L/(c-v_cosθ )
T_12= L/(c+v_cosθ )
در این روابط T_12 مدت زمان ارسال موج از نقطه 1 به نقطه 2، T_21 مدت زمان ارسال موج از نقطه 2 به نقطه 1، C سرعت صوت، V سرعت سیال و θ زاویه بین محور لوله و خط فاصل دو مبدل میباشد.
با حذف C از دو رابطه فوق خواهیم داشت:
V = (T_12-T_21)/(T_12*T_21 )×L/2COSθ
با محاسبه سرعت جریان، از حاصلضرب سرعت جریان در سطح مقطع عبوری، شدت جریان متناظر با سرعت محاسبه میشود:
Q = A ×V
* مراحل عملکرد جریانسنج التراسونیک زمانعبوری
عملکرد کلی جریانسنج التراسونیک نوع زمانعبوری را میتوان به صورت زیر تشریح کرد:
الف) ارسال موج : در مرحله اول واحد پردازش سیگنال SPU)) یک سیگنال الکتریکی به مبدل (کریستال پیزوالکتریک) ارسال میکند و این امر سبب ارسال پالسی صوتی در داخل جریان توسط کریستال میشود.
مبدل پیزوالکتریک
ب) دریافت : پالس صوتی از جریان عبور کرده و به مبدل روبرویی خود رسیده و باعث ایجاد ارتعاشی در کریستال میشود که از این طریق سیگنال الکتریکی تولید و خارج میشود.
ج) تبدیل : سیگنال الکتریکی نهایی وارد واحد SPU شده و پردازش نهایی روی آن انجام میشود.
د) پردازش سیگنال : بسته به شرکت سازنده، الگوریتمی در SPU تعریف میشود که میتواند T_12 و T_21 را با پردازش سیگنال به دست آورده و از طریق آن سرعت متوسط جریان را محاسبه کند.
ه) تجدید خروجی : این عملیات مجدداً توسطSPU انجام میشود تا اندازهگیری و استنباط دقیقی از سرعت متوسط جریان به دست آورد. شمای سیستم اندازهگیری در شکل نمایش داده شدهاست.
دریافت و ارسال سیگنال الکتریکی از مبدل به محل پردازش
* جریانسنج التراسونیک نوع مهاری
در این نوع جریانسنج، مبدلها از بیرون خط لوله و توسط مهار یا چفتهایی به خط وصل میشوند. اینگونه مبدلها به راحتی نصب شده و میتوانند به صورت موقت یا دائمی مورد بهرهبرداری قرار گیرند. با توجه به اینکه موج صوتی از دیواره خط و پوششهای آن نیز عبور میکند، باید ضخامت آنها به دقت اندازهگیری شود. بهعلاوه وجود رسوبات داخل خط لوله هم بر دقت جریانسنج موثر خواهد بود. دقت این نوع جریانسنج با بهرهگیری از ریزپردازندههای پیشرفته میتواند از 1 تا 3 درصد بهبود یابد. در حالت عادی با کمی انحراف مبدلها، سیگنال صادر شده از یک مبدل، ممکن است به مبدل دریافتکننده دیگر برخورد نکند.
در حال حاضر این نوع جریانسنج در بسیاری از شرکتهای بهرهبرداری تابعه شرکت ملی نفت ایران (از جمله در میادین دارخوین، جفیر و یادآوران) استفاده میشود. محاسبات این سیستم مانند نوع التراسونیک زمانعبوری است.
جریانسنج التراسونیک از نوع مهاری
* جریانسنج التراسونیک نوع داپلر
در سال 1842 کریستین داپلر کشف کرد که طول موج صدای دریافتی توسط دریافتکنندههای ساکن از یک ارسالکننده که به سمت آن حرکت میکند، کوتاهتر از طول موج صدای دریافتی توسط یک دریافتکننده از ارسالکنندهای است که از آن دور میشود.
اساس کار جریانسنجهای داپلر، استفاده از امواج صوتی با فرکانس حدود 0.5MHz است که در اثر برخورد با ذرات معلق جامد در جریان، اختلاف فرکانسی بین موج ارسال شده و دریافت شده به وجود میآید که سرعت جریان توسط آن حاصل میشود.
V = (∆F.C_t)/(2f_0 cosθ)
Q = V . A
=f_0فرکانس ارسال
θ = زاویه ارسال و دریافت پرتو نسبت به افق
=C_tسرعت صوت در سیال
∆F= اختلاف فرکانس ارسال و دریافت
در صورتیکه جنس لوله از موادی نظیر بتن، رس یا چدن متخلخل که انرژی صورت را جذب میکنند نباشد، جریانسنج نوع داپلر، مستقل از جنس لوله عمل میکند.
شماتیک جریانسنج التراسونیک نوع داپلر
* مزایا و معایب سیستمهای اندازهگیری التراسونیک
از جمله مزایای کاربرد عملی سیستمهای اندازهگیری التراسونیک، میتوان به مواردی همچون سبک بودن و حجم کم آن، تنوع سنسور، دقت بالا در اندازهگیری، مقاومت بالا در برابر جریانهای گازدار، اپراتوری آسان، هزینه تعمیرات و نگهداری پایین و افت فشار کم در زمان اندازهگیری اشاره کرد.
در کنار مزایای عنوان شده معایبی چون نویزپذیری آسان، تاخیر در پالس، نیاز به صحتسنج با حجم زیاد و هزینه تامین و نصب نسبتاً بالای این نوع جریانسنجها از معایب آنها به شمار میرود.
* نکاتی در طراحی، نصب و استفاده از جریانسنجهای التراسونیک
* تعداد پرتوها
جریانسنجهای التراسونیکی که از دهه 50 میلادی رایج شدند، از یک یا دو مسیر ارسال موج (one-path یا two-path) استفاده میکردند؛ ولی برای استفاده در نقاط مبادلاتی از دقت کافی برخوردار نبودند.
تا اینکه از سال 1995 بعضی شرکتها از اقدام به ساخت جریانسنجهای التراسونیکی با پنج پرتو کرده و مراجع بینالمللی را بر صدور مجوز استفاده از آنها در مرزهای مبادلاتی و مالی متقاعد کردند. در حال حاضر بعضی شرکتهای سازنده، اقدام به ساخت جریانسنجهایی با تعداد پرتوهای بالا کردهاند.
حال سوال این است که آیا این امر در بهبود دقت جریانسنج موثر است یا خیر؟
آنچه مسلم است افزایش دفعات نمونهگیری در این زمینه نقش بسزایی دارد. ولی نکته حائز اهمیت این است که مصرف کنندهای با تعداد پرتوهای زیاد، در ازای مقدار افزایش دقت حاصل، چه هزینهای دربر خواهد داشت. بعضی از سازندگان با وجود افزایش تعداد پرتوها، به دلیل عدم آگاهی از تداخل آنها، به دقت بالایی دست نیافتهاند؛ لذا در این خصوص باید در انتخاب سازنده جریانسنج با متخصصین این امر مشورت کرد.
در سیستمهای اندازهگیری التراسونیک، سیستمی الکترونیکی به نام واحد پردازش سیگنال SPU وجود دارد که شامل منبع تغذیه، میکروکامپیوتر، پردازشگر و مدارهای تحریک مبدلهای التراسونیکی است. یکی از وظایف SPU، بستن تناظر و تناسب سیگنال خروجی و مقدار شدت جریان اندازهگیری شده است که این کار توسط فاکتور مقیاسگذاری پالس انجام میشود.
* صفر کردن جریانسنج
به عملیات چک کردن خروجی جریانسنج، هنگامیکه مسیر ورودی و خروجی جریانسنج بسته است، صفر کردن جریانسنج اطلاق میشود. در این حالت که هیچ جریانی از جریانسنج عبور نمیکند، باید جریانسنج عدد صفر را نشان دهد. (هنگامیکه جریانسنج صفر شد، میبایست دوباره از نظر صحت اندازهگیری بررسی شود). عملیات صفر کردن در حالت کارکرد عادی جریانسنج الزامی نیست و معمولاً وقتی انجام میشود که مبدل (ترانسدیوسر) یا کابلها و یا تجهیزات الکترونیکی آن تعویض شده یا تغییر یابند.
* فاکتور جریانسنج
فاکتور جریانسنج عددی است که حاصل تقسیم حجم پایه معلوم، بر مقدار خوانده شده توسط جریانسنج را نشان میدهد. به وسیله این عدد تصحیحات مدنظر روی خروجی جریانسنج اعمال میشود. کالیبراسیون لابراتوری جریانسنج در کارخانه دو خاصیت مهم دارد:
نخست اینکه به طرز مناسبی از عملکرد کلی جریانسنج به اطمینان حاصل میشود و دوم اینکه از روی اندازهگیری و وزندهی سرعت پرتوها و اندازهگیری سرعت میانگین، شدت جریان به دست میآید.
* تست ابعادی جریانسنج
طول پرتوها، زاویههای مسیر و سطح مقطع هر جریانسنج در کارخانه سازنده به دقت اندازهگیری و ثبت میشوند. از نتایج چنین برمیآید که در جریانسنجهایی که به صورت مجتمع هستند، عدم اطمینان تحمیل شده توسط این موارد بسیارکم بوده و خطای حاصل ناچیز خواهد بود. هرگونه خطای محتمل نیز در هنگام کالیبراسیون جبران میشود. دما یکی از متغیرهای تاثیرگذار بر ابعاد جریانسنج است که در فرآیند قابل کنترل نیست.
لذا برای جبران اثر دمای عملیات و محیط بر انبساط و انقباض جریانسنج که سبب تغییرات ناخواسته ابعادی جریانسنج میشود، معمولاً شرکتهای سازنده از یک اندازهگیر دمای مقاومتی پلاتینومی برای ردیابی و جبران تاثیرات دما استفاده میکنند. این در حالی است که تغییرات فشار معمولاً تاثیر زیادی بر روی ابعاد جریانسنج نخواهد گذاشت. نشست رسوبات، واکس و مواد سنگین بر روی سطح داخلی جریانسنج باعث تغییر سطح مقطع و تاثیر بر اندازهگیری خواهد شد.
* صحتسنجی جریانسنجهای التراسونیک
غیر از کالیبراسیون خشک که در کارخانه سازنده انجام میشود، برای حصول دقت بیشتر جریانسنج باید بعد از نصب در سایت، به صورت جریانی در محدوده عملکردی خود کالیبره شده، فاکتور جریانسنج به دست آمده و نمودار عملکردی آن رسم شود.
بر خلاف دیگر جریانسنجها که برای هر اندازه از جریانسنج، باید دستگاه صحتسنجی با حجم خاص و تکرارپذیری معینی تامین شود، صحتسنج این نوع جریانسنج نسبت به جریانسنجهای دیگر بزرگتر است. در این نوع، بسته به تعداد تکرار میتوان تکرارپذیری را کم یا زیاد کرده و حجم صحتسنج را تغییر داد.
* نصب
جریانسنج نباید به گونهای نصب شود که دامنه و فرکانس ارتعاشات آن منطبق بر فرکانسهای طبیعی و مبدلها (ترانسدیوسر) باشند. بدین منظور شرکت سازنده باید فرکانس طبیعی و ملاحظات نصب را ارائه کند. سازنده باید آرایش، طول و چیدمان بالادست و پاییندست جریانسنج را در دو حالت؛ یکی بدون مطبوعساز و دیگری با مطبوعساز اعلام کند. در ضمن تجهیزات دمایی باید در سایه قرار گیرند تا تاثیر دمای محیط به حاقل برسد.
* شیرهای کنترلی و نویز
یکی از معضلات جریانسنجهای التراسونیک، تداخل در سیگنال است. بعضی از شیرهای کنترلی نیز ایجاد نویز میکنند. لذا در چنین شرایطی باید آرایش خط را تغییر داد یا شیر را به فاصله مناسبی از جریانسنج منتقل کرد.
هنگامیکه سیگنال التراسونیک حاوی نویز باشد، تشخیص نویز از پالس در مبدلها بسیار مشکل خواهد بود. (تاثیر منفی این امر به ویژه زمانی که جنس نویز از نوع سیگنال التراسونیک باشد، بیشتر خواهد بود) یکی از راههای کاهش این تاثیر، بالا بردن انرژی مبدل است. هرچند به دلایل ایمنی نمیتوان انرژی منبع تغذیه را بیشتر از حد مشخصی افزایش داد.
فصل ششم
* بلوک دیاگرام ها
1) مولد شکل موج مربعی
در این قسمت میخواهیم شکل موج مربعی مورد استفاده سسنور فرستنده را تولید کنیم. برای این منظور از یک ریزپردازندهی AVR مدل Atmega16 استفاده کنیم.
این ریز پردازنده دارای 4 سری تایمر و 32 پایه که به صورت ورودی وخروجی بکار میروند، میباشند. سسنورهایی که در این پروژه استفاده کردهایم با فرکانس 40k کار میکنند . بدین منظور ریزپردازندهی ما باید یک پالس 40k را تولید کند . همچنین این پالس باید در وضعیت های Sleep و Running و سوئیچ شود. برای اینکار از یک برنامهی کامپیوتری استفاده میکنیم که به ما دو مدل پالس مربعی میدهد. یکی با فرکانس 40k ودیگری با فرکانس 26.44Hz . Dutycy cycle پالس 40k، 50%، D.C پالس 26.44Hz، 0.8% میباشد برنامهی کامپیوتر که اینکار را برای ما انجام میدهد، بصورت زیر است :
This program was produced by the CodeWizard AVR V1.23.8c Professional
Automatic Program Generator
Date : 2007/07/09
Author : mz
Chip type : ATmega16
Program type : Application
Clock frequency : 8.000000 MHz
Memory model : Small
External SRAM size : 0
Data Stack size : 256
/*********************************************
include <mega16.h>#
include <delay.h>#
include <stdio.h>#
include <stdlib.h>#
include <math.h>#
; int a=0
; float L=0
; [ char str1[100],str2[100
#asm
equ __lcd_port=0x1B.
End asm#
include <lcd.h>#
External Interrupt 2 service routine//
interrupt [EXT_INT2] void ext_int2_isr(void)
if((a>=200)&&(a<=2500)) }
; L=(0.0023175*a)
{
Timer 0 output compare interrupt service routine//
interrupt [TIM0_COMP] void timer0_comp_isr(void)
; a=a+1}
if(a<=3000)
; PORTD.6=1
if(a>3000)
; PORTD.6=0
if(a>=3025)
; a=0
{
void main(void)
}
Declare your local variables here//
Input/Output Ports initialization//
Port A initialization//
Func0=In Func1=In Func2=In Func3=In Func4=In Func5=In//
Func6=In Func7=In
State0=T State1=T State2=T State3=T State4=T State5=T State6=T//
State7=T
PORTA= 0x00;
DDRA= 0x00;
Port B initialization//
Func0=In Func1=In Func2=In Func3=Out Func4=In Func5=In//
Func6=In Func7=In
State0=T State1=T State2=T State3=0 State4=T State5=T State6=T//
State7=T
PORTB=0x00;
DDRB=0x08;
Port C initialization//
Func0=In Func1=In Func2=In Func3=In Func4=In Func5=In//
Func6=In Func7=In
State0=T State1=T State2=T State3=T State4=T State5=T State6=T//
State7=T
PORTC=0x00;
DDRC=0x00;
Port D initialization//
Func0=In Func1=In Func2=In Func3=In Func4=In Func5=In//
Func6=Out Func7=In
State0=T State1=T State2=T State3=T State4=T State5=T State6=0//
State7=T
PORTD=0x00;
DDRD=0x40;
Timer/Counter 0 initialization//
Clock source: System Clock//
Clock value: 8000.000 kHz//
Mode: CTC top=OCR0//
OC0 output: Toggle on compare match//
TCCR0=0x19;
TCNT0=0x00;
OCR0=103;
Timer/Counter 1 initialization//
Clock source: System Clock//
Clock value: Timer 1 Stopped//
Mode: Normal top=FFFFh//
OC1A output: Discon.//
OC1B output: Discon//
Noise Canceler: Off//
Input Capture on Falling Edge//
TCCR1A=0x00;
TCCR1B=0x00;
TCNT1H=0x00;
TCNT1L=0x00;
OCR1AH=0x00;
OCR1AL=0x00;
OCR1BH=0x00;
OCR1BL=0x00;
Timer/Counter 2 initialization//
Clock source: System Clock//
Clock value: Timer 2 Stopped//
Mode: Normal top=FFh//
OC2 output: Disconnected//
ASSR=0x00;
TCCR2=0x00;
TCNT2=0x00;
OCR2=0x00;
External Interrupt(s) initialization//
INT0: Off//
INT1: Off//
INT2: On//
INT2 Mode: Rising Edge//
GICR|=0x20;
MCUCR=0x00;
MCUCSR=0x40;
GIFR=0x20;
Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization//
TIMSK=0x02;
Analog Comparator initialization//
Analog Comparator: Off//
Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off//
Analog Comparator Output: Off//
ACSR=0x80;
SFIOR=0x00;
LCD module initialization//
lcd_init(16);
Global enable interrupts//
asm("sei")#
while (1)
ftoa(L,4,str1) }
sprintf(str2,"distans:%s",str1);
lcd_puts(str2);
delay_ms(100);
lcd_clear();
;{
{
این برنامه بدین صورت عمل میکند که تایمر صفر در مد کاری CTC قرار گرفته و رجیستر OCRO که ماکزیمم شمارش را مشخص میکند برابر 103 میشود. با توجه به این که فرکانس کاری تایمر 8MHz میباشد، هر پله از 103 پله را در زمانی معادل 125ns میشمارد. پس زمانیکه از صفر تا 103 پله را طی میکند 12.85 میکروثانیه میشود. با توجه به تاخیراتی که سایر دستورات میکرو ایجاد میکنند، فرکانس پالس خروجی تایمر صفر، 40k میشود. یعنی دوره تناوب سیگنال 25 میکروثانیه میباشد. اما برای تولید پالس با فرکانس 26.44Hz ، باید از وقفههای تایمر صفر ( وقفهی Comparematahs) استفاده کنیم. این وقفه هر12.5μs یکبار تکرار میشود. یعنی مدت زمانیکه شمارنده از مقدار صفر تا 255 (یعنی همان 103 پله) را شمرده است. درون این وقفه از متغیر a بعنوان شمارنده استفاده کردهایم. که در هر بار تکرار وقفه، یکی به آن اضافه میشود. همانطور که در برنامهی بالا مشخص است ما پایهی D_6 یعنی پایهی 20 میکرو را بعنوان خروجی تعریف کردهایم . طبق برنامه فوق تا زمانیکه مقدار a کمتر از 3000 است، خروجی پایهی D_6، یک است. زمانیکه مقدار a بزرگتر از 3000 شد، مقدار پایهی D_6 برابر صفر میشود. زمانیکه مقدار a برابر 3025 شد، a را برابر صفر قرار میدهیم تا این سیکل مجدداً تکرار شود.
بر پایهی مطالب فوق و با توجه به اینکه با هر بار که به a یک عدد اضافه شود، زمانی معادل 12.5μs طول میکشد، زمان کل بین صفر تا 3000 ، 37.5ms طول میکشد که در این مدت خروجی برابر یک است. زمانی که پایهی D_6 صفر میشود، 312.5ms میباشد. در ادامه باید این دو پالس را با هم ترکیب کنیم تا حالت sleep و Running مورد نیاز برای فرستنده ایجاد شود. برای ترکیب این دو پالس از یک بافر سه حالته بهره میگیریم. بدین صورت که پالس 40k را بصورت ورودی به بافر اعمال میکنیم و پالس 26.44Hz را به Enable بافر میدهیم. در نتیجه در خروجی پالس مورد نظر ایجاد میشود.
در واقع سیستم فوق بدین صورت عمل میکند که در قسمت ورودی بافر همواره یک پالس 40k داریم. اما فقط زمانی این پالس به خروجی میرسد که Enable صفر شده باشد. یعنی مدت زمان 312.5μs در خروجی پالس 40k داریم و به مدت 37.5ms خروجی برابر صفر است. در وضعیتی که خروجی صفر است، چون بافر سه حالته میباشد، خروجی در حالت high امپراسن قرار میگیرد و برای این که خروجی بصورت صفر و یک شود، باید خروجی بافر را Dull down کنیم. یعنی خروجی را با یک مقاومت به Ground وصل کنیم. در نهایت پالس مورد نظر تولید میشود که دامنه آن تقریباً 5v میباشد. IC بافری که این عملیات را انجام میدهد، بافر شماره 74HC244است. این IC از نوع CMOS است که برای مصارف فرکانس بالا از آن استفاده میشود. مدل 34LS244 این IC نیز موجود میباشد که چون در این کار ما از فرکانس بالا استفاده میکنیم، پاسخگوی نیاز ما نمیباشد.
2) تقویت جریان و دامنه پالس
* معکوسکنندهی سی ماسی
مدارهای رقمی سی ماسی (فلز – اکسید- نیمه رسانا) کاربرد گستردهای دارند زیرا این مزیت جالب را دارند که در حالهای صفر و یک منطقی، اتلاف توان ایستا ندارند. وارونگر سی ماسی مداری مطابق شکل بالا دارد. محرک ان ماسی با اتصال متوالی و بار پی ماسی هر دو ترانزیستورهای افزایشیاند.
Drain های آنها بهم متصلاند و سیگنال خرجی در این گروه دریافت میشود. دو گیت آنها هم به یکدیگر متصلاند و سیگنال ورودی همزمان به گیت مشترک اعمال میشود. ولتاژ ورودی از صفر ولت تا VDD تغییر میکند. وقتی ورودی صفر است، VGS_1=0 و Q_1 قطع است. در حالیکه VGS_2 = −VDD و قطعهی پی ماسی Q_2 وصل است. اما چون دوفت متوالیاند ، جریان در Q_2 برابر جریان در Q_1 است. I_1=I_2=0 با وجود این ولتاژ گیت مقداری دارد که ظاهراً باعث هدایت میشود. به عبارت دیگر، Q_2 بر اساس مشخصهی خروجی P-chanel مثل ولتاژ گیت VGS_2 = −VDD عمل میکند. چون VDS_2=0 است، VO=VDD
حال فرض کنید Vi = VGS_1 = VDD و در این صورت Q_1 وصل است اما Q_2 با VGS=0 قطع است. بنابراین ID_1 = ID_2=0 و Q_1 بر اساس مشخصهی ترانزیستور و مستقل از VGS_1 عمل میکند . چون لتاژ دو سر Q_1 صفر است، داریم: Vo=0 باز هم خاصیت وارونگری (NOT) بدست میآید زیرا به ازای Vi=V_1 داریم: Vo=V_0. در هر دو حال منطقی، Gi یا G_2 قطع است و اتلاف توان در حالت ایستا صفر است. اما در عمل توان برابر حاصلضرب جریان نشتی در حالت قطع و VDD است و مساوی چند نانو وات است.
2) تقویت خروجی
این بلوک سیگنال دریافتی را تقویت میکند . معمولاً دامنه موج دریافت شده توسط سنسور گیرنده در حد میلیولت است . به همین دلیل ما مقدار آنرا بوسیلهی یک مدار تقویتکنندهی ساده با گین 1000 افزایش میدهیم . گین این مدار توسط مقاومتهای R_1 و R_5 و با توجه به فرمول زیر محاسبه میگردد :
AV = R_1/R_5
1000 = 1M/1K =
3) تبدیل سیگنال خروجی
در این بلوک از دو مقایسهکنندهی ولتاژ برای تبدیل موج سینوسی به مربعی استفاده کردهایم. برای مقایسهکنندهها هم از op-amp مدل op07 بهره گرفتهایم .در ادامه نحوهی کار مدار مقایسهکننده شرح داده شده.
* مقایسهکنندهی ولتاژ
شرح :
وظیفه مدار مقایسهگر، مقایسه بین دو ولتاژ الکتریکی است (که به دو ورودی (+) یا همان NONINVERTING و (-) و یا INVERTING) و مشخص میکند کدام یک بزرگتر است. نتیجه این مقایسه توسط OUTPUT مشخص میشود.
مهم :
اگر خروجی مدار OP-AMP به سمت ولتاژ مثبت میل کند (ولتاژی که به پایه VCC اعمال شده) این به آن معنا است که ولتاژ پایه (+) یا همان NONINVERTING بیشتر است و یا مثبتتر است از ولتاژ پایه (-) یا INVERTING. تمام مقایسهها و نسبت دادنهای ولتاژ نسبت به زمین است .(مثلا 18+ ولت یعنی 18 ولت بیشتر از زمین و 12- یعنی 12 ولت کمتر از زمین). اگر ولتاژ خروجی OP-AMP نزدیک ولتاژ قطب منفی باطری شود (GND). یعنی اگر یک باطری 12 ولتی به تغذیه OP-AMP وصل کرده باشیم ولتاژ VCC، 12 ولت است و ولتاژ GND برابر 0 ولت است یعنی ولتاژ اعمال شده به پایه (-) و یا INVERTING بیشتر از ولتاژ اعمال شده به پایه (+) یا همان NONINVERTING است.
پتانسیومترها را (که دوسر ثابت آن را به + و – تغذیه وصل کردیم) به عنوان منبع ولتاژ متغییر به OP-AMP وصل میکنیم. در اینصورت اگر ولتاژ وارد شده به سر مثبت اپ امپ از ولتاژ ساختهشده توسط پتانسیومتر بیشتر بود، خروجی op-amp، high شده و تا زمانیکه ولتاژ سر مثبت از سر منفی کمتر شود در این وضعیت میماند.
بعد از مقایسه کنندهی دوم، شکل موج کاملاً مربعی شده و آماده ارسال به میکرو میباشد. به این صورت ما توانستیم موج دریافت شده توسط گیرنده را به صفر و یک (دیتای شناخته شده برای ریزپردازنده) تبدیل کنیم.
4) پردازش سیگنال خروجی
همانگونه که در قسمت قبل گفته شد، ما یک سیگنال با دوره تناوب 37Ms داریم که ابتدای آن با یک پالس مربعی شروع و انتهای آن به یک پالس مربعی ختم میشود.
این دو پالس را پالس pst(start) و پالس متغیری را که بین این دو پالس مکانش متغیر است را پالس Pansمینامیم. برای تجزیه تحلیل این سیگنال آن را به ریزپردازندهی AVR از طریق وقفههای خارجی اعمال میکنیم.
برنامهای که این سیگنال را تجزیه تحلیل میکند تا حدود زیادی وابسته به برنامهای است که سیگنال مربعی سنسور فرستنده را تولید میکرد. برنامهای که سیگنال را تجزیه تحلیل میکند را درون یکی از وقفههای میکرو مینویسیم. ( وقفه شماره2)
این برنامه بصورت زیر است :
IF [ (a ≥ 200) and (a ≤ 2500) ]
L = (0.0023175*a)
همانطور که در برنامه بالامشخص است سیگنال بر پایهی شماره 2 اعمال میشود. و در طول یک دوره تناوب، سه مرتبه این وقفه اجرا میشود یعنی 2 بار به ازای Pst و یکبار به ازای Pans. حال میخواهیم زمانی وقفه را معتبر اعلام کنیم که پالس Pans به وقفه اعمال شده باشد برای این کار از شرط if استفاده کردهایم. این شرط اینگونه بیان میدارد که اگر زمان سیگنال ورودی بیشتر از زمان معادل 2500*12.5 μs بود و یا زمانی کمتر از 200*12.5μs باشد، وقفه فعال میشود اما اندازهگیری فاصله انجام نمیگیرد. در نتیجه وقفه غیرمعتبر اعلام میگردد.
توضیح مطالب بالا بدین صورت است که ما برای اینکه اندازهگیری فاصله را انجام دهیم فرض کردهایم سنسورها فاصلهی نیم متر به بالا را sence کنند یعنی اگر سنسور ما مانعی کمتر از نیم متر جلوی آن قرار گرفت، قادر به تشخیص فاصلهی آن نمیباشد. همچنین اگر که مانعی در فاصله بیشتر از 4.5m قرار داشت نیز همین وضعیت بوجود میآید.
اندازهگیری فاصله در برنامه فوق به این صورت است که ما زمان بین پالس Pst و پالس Pans را اندازهگیری کنیم. این زمان مدت زمانی است که سیگنال ارسال شده از فرستنده به مانع برخورد کرده و توسط گیرنده دریافت شده. این زمان، زمان برگشت است.
پس 1/2 این زمان برای اندازهگیری مسافت بکار میرود. X = V*t/2 طبق برنامهای که در بالا گفته شد، a مدت زمان رفت و برگشت سیگنال است. یعنی تعداد تکرارهای وقفهی تایمر ضربدر 12.5μs. فرمول بالا به این صورت بدست آمده که :
1s 330m
(a*12.5μs)/2 Lm L = 0.0023175
نصب فاصلهیاب التراسونیک بر بالای مخزن خیلی مناسب است. دسترسی و نصب آن آسان است و لازم نیست سیستم را ایزوله نموده و در مقابل تاثیر مواد بر روی آن محافظت نمائیم. هر چند، همچنانکه مخزن پر میشود، فاصله بین سنسور و سطح کوچکتر و کوچکتر شده. این باعث زمانهای کوچکتر و شمارش کمتر در تایمر خروجی میشود.
بهعبارت دیگر هر چه سطح بالاتر میرود، اطلاعات جمع آوری شده، تولید شماره کمتری میکند. دو راه حل موجود است، یکی استفاده از آشکارساز التراسونیک که با مواد داخل مخزن کار میکند. سیستم را در ته مخزن قرار دهید. شعاع از سطح مایع منعکس شده و زمان بیشتری را برای رفت و برگشت به سطح مایع نیاز دارد.
راه حل دوم استفاده از یک سیستم آمادهسازی اطلاعات با یک شمارنده برای تصحیح اطلاعات دریافت شده از آشکارساز التراسونیک نصب شده در بالای مخزن است. بلوک دیاگرام در شکل زیر نشان داده شدهاست. سنسور التراسونیک در فاصله 0.5 متر بالای سطح مخزن پر، نصب میشود.
وقتیکه مخزن خالی است امواج 5.5 متر را طی کرده و برمیگردند. که این امر در مدت
t_empty=5.5m/((0.5)(331.5 m/s))=33.183 ms
صورت میگیرد.
زمانیکه مخزن پر است امواج 0.5 متر را طی کرده و برمیگردند.که این امر در مدت
t_full=0.5m/((0.5)(331.5 m/s))=3.017 ms
صورت میگیرد.
اختلاف زمان بین وضعیتهای پر و خالی مساویست با:
t_diff=33.183 ms- 3.017 ms=30.167 ms
نتیجهگیری:
استفاده بجا و عاری از افراط و تفریط از تکنولوژی جدید یک ضرورت است. با توجه به جمیع جهات و توضیحات ارائه شده، سیستمهای نوین اندازهگیری التراسونیکی همانند سایر سیستمها دارای معایب و مزایایی بوده و بسته به شرایط عملکردی و نحوه استفاده از آن دارای دقت و کارآیی متفاوتی خواهد بود.
با اندکی دقت در انتخاب سنسور مناسب برای اندازهگیری، میتوان به دقت دلخواه دست یافت. در هر حال با توجه به تجارب موجود در کشور و استفادههای موفق از سنسورهای التراسونیک میتوان گفت که با توجه به دقت زیاد، هزینه و نگهداری پایین و مزایای عنوان شده برای این سنسورها، اگر در طراحیهای اولیه برای انتخاب و نصب این تکنولوژی دقت کافی انجام شود، سنسورهای التراسونیکی جایگزین مناسبی برای تکنولوژیهای قدیمی خواهند بود.
منابع
نام کتاب: سنسورهای آلتراسونیک- نویسنده: مجید علیزاده
روش تولید امواج التراسونیک، دانشنامه تخصصی مهندسی ایران
سنسورهای آلتراسونیک، داوود منصوری
http://www.elmicro.ir/index.php/electric/instrument/130-oltrasonic-sensor
http://engcontrol89.blogfa.com/post/4
www.faraznegr-tbz.com
www.noandishaan.com
www.tabrizpeguh.com
www.plcgoods.net
www.aftab.ir
111
ا