ULTRASONIC
تقسیم بندی ها
کلمه آلتراسونیک به معنای مافوق صوت است.
محدوده فرکانس شنوایی انسان 10 هرتز تا 20 کیلوهرتز است.
محدوده فرکانسی امواج مافوق صوت 20 کیلو هرتز تا چندین مگاهرتز می باشد.
امواج فرا صوت همانند امواج دیگر خواص شکست، بازتاب و عبور دارند.
حسگرهای فرا صوت مزیتهای فراوانی دارند مانند نویز پذیری کم، استفاده در شرایط نوری مختلف و…
این امواج به سه روش مکانیکی، مغناطیسی و الکتریکی ایجاد میشوند.
Sonic & Ultrasonic
فیزیک امواج التراسونیک
انتتشار موج در مواد:
1) سرعت صوت در یک ماده تابعی است از مشخصات آن ماده و وابسته به دامنه موج صوتی می باشد.
2) رابطه بین سرعت صوت در یک ماده جامد و چگالی و ثابت های الاستیک به صورت زیر است: v : سرعت صوت
c : ثابت الاستیک : چگالی ماده
امپدانس آکوستیک یا صوتی
امپدانس صوتی در واقع مقاومت ذرات ماده در برابر عبور امواج صوتی می باشد.
مقدار آن در یک ماده مشخص، متناسب با چگالی و سرعت صوت در آن ماده است.
اگر موج صوتی از یک محیط عبور کند، دامنه آن بر اساس رابطه زیر تضعیف می شود:
فاصله از موقعیت اولیه دامنه انتشار موج
ضریب تضعیف حرکت موج در محیط در جهت Z
سرعت امواج طولی در فولاد 5960 m/s
سرعت امواج طولی در آب 1470 m/s
سرعت امواج طولی در هوا 330 m/s
سرعت صوت
)Velocity(
طول موج
)Wavelength(
فرکانس موج
)Frequency(
رفتار صوت در برخورد نرمال با یک مرز مشترک
در برخورد امواج صوتی با مرز مشترک بین دو ماده متفاوت به صورت نرمال، مقداری از انرژی صوتی منعکس شده و مقداری از انرژی صوتی منتقل می گردد.
مقدار انرژی صوتی منعکس شده و منتقل شده به نسبت امپدانس آکوستیک بین دو ماده بستگی دارد.
مهندسی التراسونیک
مهندسی التراسونیک عبارت است از کاربردها و کاربری امواج مکانیکی با فرکنس بالاتر از حد شنوایی انسان.
در واقع امواج التراسونیک امواج مکانیکی هستند که فرکانس آن بالاتر از حد شنوایی انسان باشد.
اموج پیوسته و ضربانی
دو نوع موج صوتی در آلتراسونیک استفاده می گردد.
:صوت پیوسته
:صوت ضربانی
در آلتراسونیک معمولا از صوت ضربانی استفاده می گردد.
تاریخچه سنسور آلتراسونیک
تاریخچه این سنسور به سال 1912 میلادی و بعد از غرق شدن کشتی تایتانیک بر می گردد .
بعد از غرق شدن تایتانیک دانشمندان به دنبال راه حلی برای تکرارنشدن این فاجعه افتادند که
اگرکاپتان کشتی به هر دلیلی قادر به دیدن جلو کشتی نبود وسیله ای هشدار دهنده او را از
وجود مانع مطلع سازد .
در سال 1912 میلادی با الهام از طبیعت و استفاده از مسیریابی خفاشها موفق به ساخت سنسور فراصوتی شد . Richartsonآقای
خفاشها به دلیل بینایی ضعیف و حساس به نور، از امواج فراصوتی برای تشخیص موانع استفاده می کنند .
Running And Sleep
بخش های مختلف سنسورهای التراسونیک:
مولد ولتاژ بالا
مبدل پیزوالکتریک (فرستنده و گیرنده)
طبقه پردازش سیگنال
طبقه خروجی
سنسور التراسونیک توسط مولد ولتاژ بالا (1) تحریک می شود, مبدل (فرستنده – گیرنده)(2) یک موج التراسونیک پالسی
تولید می کند ( این موج با توجه به نوع فراورده یا کالا 200 تا 500 کیلو هرتز است.) که از طریق هوای اطراف با
سرعت صوت حرکت می کند.
وقتی موج به یک شیئ برخورد می کند منعکس شده و به سمت مبدل برمی گردد.
یک میکروکنترولر سیگنال دریافت شده را آنالیز می کند(3) و فاصله زمانی بین فرستادن سیگنال و انعکاس آن را اندازه
گیری می کند.
سپس با مقایسه این زمان با زمان های از پیش تنظیم شده, حالت های خروجی را تعریف و کنترل می کند.(4)
طبقه خروجی (4) یک دابل سویچ حالت جامد
(ترانزیستور NPN و PNP ) وابسته به یک
کنتاکت Normally Open را کنترل می کند.
انواع سنسورهای التراسونیک
Ultrasonic proximity sensor with analog output stage
خروجی های 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 به عنوان بازتابنده استفاده می شود.
فاصله زمانی بین ارسال و دریافت سیگنال التراسونیک ( زمان انتشار) ثابت و شناخته شده است.
وقتی که یک شیئ سیگنال التراسونیک را قطع می کند خروجی فعال می شود.
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 فرکانس های سویچینگ بالا (حدودا 200Hz) مورد نیاز باشد، پیشنهاد می شوند.
کاربردهای امواج فراصوت
1_ Clear (شستشو)
2_Medicine (پزشکی)
2) جالب است بدانید از امواج مافوق صوت در پزشکی نیز استفادههای فراوانی میشود. از جمله میتوان به
جراحی توسط چاقوی آلتراسونیک، تخریب سلول های بدخیم، عمل آب مروارید چشم، پیشگیری از پوسیدگی،
جرم گیری و عصب کشی دندان ها، شکستن سنگ کلیه، مثانه و کبد، برداشتن چربی اضافی بدن (لیپوساکشن)،
برداشتن بافت های مرده و مواد خارجی زخم و هم چنین استفاده در سونوگرافی اشاره کرد.
5_Robatic (رباتیک)
TOF روش
در روش TOF یک موج صوتی توسط سنسورهای التراسونیک مسافت یاب ارسال شده و فاصله زمانی که طول می کشد تا موج
صوتی به شیئ برخور کند و به منبع برگردد محاسبه می شود.
6_Dictance Measurement (فاصله سنجی)
7_Unlike Destroy Test (تست غیر مخرب)
Backwall پشت قطعه یا
سیگنال حاصل از پشت قطعه
صفحه نمایش می تواند طوری کالیبره شود تا عدد دقیق فاصله را نمایش دهد.
عیب
سیگنال عیب
سیگنال پشت قطعه
سیگنال حاصل از یک عیب در داخل قطعه، در فاصله کمتری از سیگنال سطح پشت قطعه در صفحه نمایش نشان داده می
شود.
عمق عیب را می توان از محور افقی صفحه نمایش دستگاه به دست آورد.
60 mm
در این روش یک پروب فرستنده در یک طرف قطعه و یک پروب گیرنده در طرف دیگر قطعه قرار می گیرد.
وجود عیب در قطعه موجب می گردد سیگنال دریافتی توسط پروب گیرنده افت کند یا به کلی حذف گردد.
در این روش هیچ اطلاعاتی از مکان عیب حاصل نمی گردد.
Pitch and Catchتاندم یا
مزایای سنسورهای التراسونیک
می توانند انواع بیشتری از اشیاء را در مقایسه با دیگر سنسورهای مجاورتی detect کنند.
برای تشخیص فاصله ها بسیار کارامدند.
نسبت به سنسورهای خازنی و القایی رنج بزرگتری دارند.
در شرایط ناملایم و خشن نیز می توانند عمل کنند.
پاسخ زمانی سریع.
عمر عملی طولانی.
بدون تماس فیزیکی با شیئ می توان آنرا detect کرد.
بنابراین ساییدگی یا خوردگی بر روی شیئ بوجود نمی آید و امکان detect کردن اشیای تازه رنگ شده و یا شکننده و … وجود دارد.
Detect کردن هر ماده ای صرفنظر از رنگ, فاصله, بدون تنظیم و یا فاکتور تصحیح.
تنظیم تابع مد بوسیله فشار دادن یک کلید برای تعریف محدوده موثر سنس کردن و تنظیم ماکزیمم و مینیمم فواصل سنس کردن.(دقت در حدود )
استحکام خیلی خوب در محیط های صنعتی.
واحدهای حالت جامد: این قسمتها در سنسور حرکت نمی کنند و ثابت هستند بنابراین طول عمرشان وابسته به تعداد سیکل های عملیاتی است.
مزایای detection التراسونیک
مشخصات التراسونیک
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)
محدودیت ها
یک ناحیه مرده (dead zone) در نزدیکی سطح سنسور وجود دارد که موجب می شود که سنسور نتواند اشیاء خیلی نزدیک را تشخیص دهد.
اشیاء خیلی کوچک را نمی توانند تشخیص دهند.( اندازه قابل تشخیص وابسته به طول موج می باشد).
سرعت وابسته است به ماده ( پارچه نخی، پنبه، اسفنج و غیره نیازمند فرکانس های کند هستند).
اشیائ سطح نرم باید به دقت تنظیم و هم تراز شوند در غیر اینصورت موج بازتابیده شده به سنسور نمی رسد.
هیچ چیز واقعا خراب نیست !
حتی ساعتی که از کار افتاده است دو بار در روز زمان را درست نشان می دهد.
توماس ادیسون