TRADUCTOARE CU ULTRASUNETE
1.Generalităţi
Ultrasunetele, ca şi sunetele, sunt oscilaţii elastice care se datorează
vibraţiilor mecanice ale particulelor mediului, în jurul unor poziţii de echilibru.
Domeniul de frecvenţă al ultrasunetelor este 16 kHz ... 100 GHz.
În gaze şi lichide se propagă un singur tip de unde elastice, undele
longitudinale. Acestea se găsesc şi în solidele ale căror dimensiuni depăşesc
foarte mult lungimea de undă a oscilaţiilor elastice.
Generatoarele şi receptoarele de ultrasunete se bazează pe efectul
piezoelectric şi efectul piezomagnetic.
Unii dielectrici formaţi din dipoli permanenţi care nu au centru de
simetrie (de exemplu substanţele feroelectrice) au efect piezoelectric direct.
Dacă un astfel de cristal este supus unei deformări elastice de întindere,
compresiune sau torsiune, atunci dipolii săi moleculari se rotesc şi cristalul se
polarizează. Ca urmare, pe feţele opuse ale cristalului apar sarcini legate care
creează un câmp electric şi o diferenţă de potenţial între aceste feţe. Mărimea
polarizării este proporţională cu deformaţia mecanică. La schimbarea sensului
deformaţiei, se schimbă şi semnul polarizării. Cristalele piezoelectrice sunt
cristale naturale (cuarţul, sarea Seignette - tartrat dublu de sodiu şi potasiu) şi
cristale artificiale (metatitanatul de bariu).
Efectul piezoelectric invers apare dacă se aplică o diferenţă de potenţial
cristalului. Ca urmare a rotirii dipolilor, apare o deformaţie de întindere,
comprimare sau torsiune. Cristalele pot fi tăiate astfel încât câmpul electric şi
deformaţia să fie reciproc perpendiculare (efect piezoelectric transversal) sau
câmpul electric şi deformaţia să fie paralele (efect piezoelectric longitudinal).
Efectul piezoelectrie invers nu rebuie confundat cu fenomenul de
electrostricţiune, care apare la dielectricii cu legături ionice (de exemplu NaCl).
Reţelele ionilor pozitivi şi ale celor negativi din dielectricul situat într-un câmp
electric, se deplasează în direcţii opuse, producând o deformare. Datorită
deplasării reciproce a particulelor încărcate cu sarcini electrice de semne
contrare, electrostricţiunea, spre deosebire de efectul piezoelectric, nu depinde
de sensul câmpului aplicat: deformaţia prin electrostricţiune depinde pătratic
de câmp, în timp ce efectul piezoelectric depinde liniar de câmp.
Efectul magnetostrictiv constă în deformarea unui material feromagnetic
sub acţiunea câmpului magnetic, independent de sensul acestuia şi depinzând
doar de mărimea câmpului şi de natura materialului. Efectul este reversibil.
Materialele magnetostrictive sunt metalele feromagnetice (Ni, Co, Fe) şi
unele aliaje ale acestora: (permendur (75 % Co, 25 % Fe), alifer (13 % Al, 87
% Fe), hipert (50 % Ni, 50 % Fe), permalloy (40 % Ni, 60 % Fe) precum şi
unele ferite. Proprietăţile piezoelectrice şi piezomagnetice dispar când
materialele respective sunt încălzite peste temperatura Curie a acestora.
Traductorul piezoelectric cu ultrasunete, dupa schema principiala din figura 3.15. se
compune din carcasa metalica 1, în interiorul careia se monteaza pastila piezoelectrica 2
(materiale cristaline - cuart sau materiale amorfe - titanatul de bariu, titanatul de zirconiu) pe
care sunt plasate doua armaturi metalice 3. Placa izolatoare 4 protejeaza traductorul de
mediul de contact, putând avea si rolul de transformator acustic prin adaptarea impedantei
acustice a
traductorului la mediul de propagare. Prin alimentarea traductorului cu o tensiune alternative
între conductorul 5 si carcasa, sub actiunea câmpului electric alternativ creat, prin efect
piezoelectric, pastila se va deforma.
Pentru obtinerea unui raspuns rapid, în spatiul 6 din interiorul carcasei se introduce un
material cu impedanta acustica mare (deobicei pulbere de titan în liant solidificat) cu rolul de
amortizor mecanic cu precizarea ca amortizarea se poate face si electric, prin montarea unei
rezistente electrice de valoare mare în paralel cu traductorul.
La alimentarea traductorului cu o tensiune alternativă, între conductor şi
carcasă, pastila piezoelectrică este supusă unui câmp electric
alternativ, care, prin efect piezoelectric, o deformează. Vibraţiile
produse în pastilă se pot propaga prin mediul cu care pastila se află în
contact.
Metodele de măsurare a distanţelor cu ultrasunet pot fi: în undă
continuă sau în impuls, şi anume – metoda ecoului – în care acelaşi
traductor este folosit atât în regim de emiţător, cât şi în regim de
receptor.
2.Tehnici de defectoscopie ultrasonoră
În practică se întâlnesc următoarele metode de defectoscopie ultrasonoră:
a) Metoda vizualizării. Imaginea obţinută prin examinarea obiectului cu
ajutorul ultrasunetelor se transformă în imagine optică; după străbaterea
obiectului, fasciculul ultrasonic nu mai are intensitate uniformă în toate
punctele şi se foloseşte un convertor acustico-optic pentru a obţine zone
luminoase sau întunecate.
Convertorul acustico-optic se bazează pe unul din următoarele efecte:
- reliefarea suprafeţei unui lichid sub acţiunea combinată a presiunii
ultrasonice şi a gravitaţiei,
- modificarea indicelui de refracţie a luminii în lichidele supuse acţiunii
ultrasunetelor,
- orientarea unor suspensii metalice în lichide, datorită ultrasunetelor şi
examinarea acestor orientări la iluminare oblică;
b) Metoda rezonanţei ultrasonice se bazează pe formarea undelor
staţionare, în cazul existenţei unui anumit raport între lungimea de undă a
fasciculului ultrasonor şi grosimea piesei examinate.
c) Metoda umbrei are la bază analogia dintre propagarea ultrasunetelor în
spatele unui defect şi propagarea luminii în spatele unui corp opac.
d) Metoda impulsului reflectat. Ultrasunetele emise sunt trenuri de
oscilaţii, a căror propagare în material poate fi urmărită cu precizie. Emiţătorul
şi receptorul de ultrasunete se fixează de o parte şi de alta a piesei examinate sau
ambele pe aceeaşi parte.
Traductoare semiconductoare cu ultrasunete
Unde ultrasonore în materiale solide
Cea mai importantă proprietate a undelor ultrasonore este viteza scăzută
în comparaţie cu viteza undelor electromagnetice. Viteza ultrasunetelor în
solide este de 1,5.105... 12.105 cm/s iar viteza ultrasunetelor în cazul senzorilor
cu unde ultrasonore de suprafaţă (SAW – Surface Acoustic Waves) este de
3,8.105 ... 4,2.105 cm/s. Se observă că viteza ultrasunetelor este cu cinci ordine
de mărime mai mică decât viteza undelor electromagnetice, rezultând astfel
senzori de dimensiuni foarte mici.
Frecvenţele fundamentale ale senzorilor cu unde ultrasonore de suprafaţă
sunt de aproximativ 5 GHz, au suprafeţe de câţiva mm2 şi pot fi fabricaţi
monolitic pe acelaşi substrat împreună cu circuitele electronice necesare.
Undele elastice care se propagă în materiale solide sunt de patru tipuri:
- unde longitudinale de volum, cu viteza de fază v = 4000 … 12000 m/s,
- unde transversale de volum, v = 2000 ... 6000 m/s,
- unde de suprafaţă (Rayleigh), v = 2000 … 6000 m/s şi
- unde plate (Lamb) în două variante: simetrice, v = 2000 ... 12000 m/s şi
antisimetrice, v = 100 ... 4000m/s.
3.Senzori semiconductori cu ultrasunete
Clasificarea senzorilor semiconductori cu ultrasunete
Există mai multe tipuri de senzori microelectromecanici cu ultrasunete din
materiale semiconductoare şi anume:
- cu torsionarea grosimii (TSM - thickness shear mode), fig. 4.1.a,
- cu unde ultrasonore de suprafaţă (SAW), fig. 4 1 b,
- cu unde plate de flexiune (FPW- flexural plate waves), fig. 4.1.c,
- cu mod plat ultrasonor (APM - acoustic plate mode) şi tip suprafaţă de
microtobe, fig 4 1 d.
În cazul senzorilor cu torsionarea grosimii, TSM, frecvenţa de rezonanţă
depinde de numărul de molecule absorbite în stratul activ de deasupra.
La senzorii cu mod plat ultrasonor, APM, undele sar cu un unghi ascuţit
între planele vecine ale plăcii. Din punct de vedere constructiv, arată la fel ca
senzorii SAW.
3.1.Senzori cu unde ultrasonore de suprafaţă (SAW)
Se obţin prin fotolitografie, pe straturi subţiri din materiale piezoelectrice
depuse pe materiale semiconductoare (ZnO pe Si sau AlN pe GaAs).
Se realizează sub formă de linii de întârziere, filtre, spirale, rezonatoare sau
oscilatoare, ca senzori de gaze, acceleraţie, presiune, etc.
Materialele piezoelectrice folosite pentru senzorii SAW sunt: cuarţ cristalin
SiO2, cristal feroelectric artificial şi straturi subţiri depuse de ZnO. Senzorii
SAW din ZnO pe Si au latura de 2,5 mm şi generează ultrasunete în gama 100
... 500 MHz.
Deplasarea particulelor aproape de suprafaţa unui solid prin care se propagă
o undă Rayleigh de suprafaţă are două componente: una longitudinală
(înainte şi înapoi, paralelă cu suprafaţa) şi una verticală de torsiune (în sus şi în
jos). Suprapunerea celor două componente determină traiectorii eliptice ale
particulelor suprafeţei, în jurul poziţiilor de echilibru.
Undele de suprafaţă au cea mai mare parte a energiei localizată în una sau
două lungimi de undă, ceea ce permite o interacţiune puternică şi uşoară cu
mediul adiacent suprafeţei.
Undele Rayleigh se generează uşor, într-o mare varietate de substraturi
piezoelectrice, folosind un senzor interdigitat (IDT, interdigitate transducer).
Acesta este fabricat microlitografic, dintr-un strat subţire de metal, cu grosime
100...200 nm prin evaporare în vid, pe un substrat piezoelectric lustruit. La
aplicarea unei tensiuni de radiofrecvenţă, senzorul genereză o undă Rayleigh
de suprafaţă în substratul piezoelectric. Lungimea de undă a undei Rayleigh
depinde de distanţa dintre electrozii senzorului. Impedanţa electrică a senzorului
depinde de numărul electrozilor şi de lungimea lor de suprapunere. Lungimea
de suprapunere a electrozilor determină şi adâncimea undei ultrasonore
generate. Limitele frecvenţelor de lucru ale senzorilor cu unde ultrasonore de
suprafaţă sunt de 10 MHz. … 3 GHz..
Din punct de vedere electric, senzorul interdigitat este o încărcare
capacitivă pentru sursa de tensiune de radiofrecvenţă şi pentru a îmbunătăţi
transferul de putere este nevoie de o inductanţă serie de cuplaj.
3.2.Senzorii cu undă ultrasonoră de suprafaţă tip linie de întârziere au
câte un senzor interdigitat la fiecare capăt al substratului.
Un senzor interdigitat acţionează ca emiţător şi celălalt ca receptor al
energiei ultrasonore. Unda Rayleigh care se propagă interacţionează cu materia
de la suprafaţa liniei de întârziere şi modifică caracteristicilor undelor
(amplitudine, fază, viteză, conţinutul în armonici, etc).
Senzorii interdigitaţi sunt bidirecţionali, o cantitate mare de energie fiind
reflectată de muchia substratului de lângă senzor. Acest lucru provoacă un efect
cunoscut sub numele de ecou de trecere triplă, ce se poate elimina prin
aplicarea absorbanţilor de energie ultrasonoră (de exemplu adeziv siliconic) la
capetele liniei de întârziere, sau prin tăierea oblică a capetelor, astfel ca undele
ultrasonore să fie reflectate în afara axei.
O altă problemă apare când o cantitate mică de energie a undei ultrasonore de
suprafaţă este împrăştiată în substrat şi convertită în unde ultrasonore de volum,
care apoi se reflectă de suprafaţa de jos a substratului şi interferă cu unda de
suprafaţă de sus. Acest efect se reduce uşor prin realizarea unor striaţiuni sau se
foloseşte material absorbant pe partea inferioară a substratului, pentru a distruge
coerenţa de fază a undelor ultrasonore de volum.
Senzorii cu unde ultrasonore de suprafaţă tip linie de întârziere sunt folosiţi la
monitorizarea variaţiilor de amplitudine sau variaţiilor de viteză a undelor
ultrasonore.
- măsurările de amplitudine: unda Rayleigh este excitată cu o sursă de putere
de radiofrecvenţă şi se măsoară puterea undelor ultrasonore la capătul
receptor al liniei de întârziere.
- măsurările de viteză: se fac indirect, cu o precizie mult mai bună dacă se
utilizează linia de întârziere ca element rezonant.
În fig. 4.2 este prezentată schema de măsurare a variaţiilor de viteză pentru
undele ultrasonore, folosind linia de întârziere.
Schema conţine un amplificator de putere de RF legat în buclă cu senzorul
SAW tip linie de întârziere. Sistemul oscilează pe frecvenţa de rezonanţă a
senzorului interdigitat, oscilaţiile având loc doar când câştigul amplificatorului este
mai mare decât pierderile liniei de întârziere.
Frecvenţa de rezonanţă a traductorului se modifică datorită variaţiilor vitezei
undelor Rayleigh şi se poate măsura cu acurateţe cu un frecvenţmetru numeric.
3.3.Senzori cu unde ultrasonore plate de flexiune (FPW)
Senzorii de acest tip au o membrană nepiezoelectrică din Si îmbogăţit şi nitrat
de Si pe care se depune ZnO, fig. 4.l.c. Dacă grosimea membranei este mult mai
mică decât lungimea de undă, modul de flexiune cu ordinul cel mai scăzut se va
propaga în membrană cu o viteză de fază de sute de m/s, mai mică decât viteza
ultrasunetelor în majoritatea lichidelor (viteza ultrasunetelor în apă la 25°C este
1480 m/s).
Când membrana intră în contact cu un fluid nevâscos ideal, unda de flexiune
produce doar o perturbaţie în fluid la suprafaţa membranei şi nu se radiază energie
din membrană în fluid.
Senzorii cu unde ultrasonore plate de flexiune (FPW) se folosesc în
următoarele tipuri de aplicaţii:
- ca senzori gravimetrici (variaţia masei datorită absorbţiei unor vapori);
- ca senzori de vâscozitate;
- ca senzori pentru microdebit;
- în micropompe, micromixere, etc.
4.TRADUCTOARE PENTRU AUTOMOBILE
4.1.Măsurarea vitezei liniare în automobile
Aplicaţiile de măsurare a vitezei liniare în automobile sunt:
- detecţia obstacolelor apropiate de automobile;
- evitarea coliziunilor;
- măsurarea distanţei caroseriei faţă de drum pentru controlul cursei
suspensiei;
- măsurarea vitezei automobilului pentru ABS (Antilock Brake System),
ASR (de prevenire a rotirii rapide a roţilor pe drum lunecos) şi navigaţie
inerţială.
În aceste aplicaţii se folosesc traductoare cu ultrasunete pentru distanţe scurte,
< 10 m şi RF pentru distanţe mai lungi. Pentru măsurarea cu ultrasunete a
obiectelor aflate la distanţe de 0,5 ... 2 m, frecvenţa impulsurilor este de
aproximativ 15Hz. Impulsurile reflectate se întorc în 3 ... 12 ms. Viteza unui obiect
(ţintă) este dată de relaţia:
V=
unde L este distanţa faţă de ţintă iar t, timpul (viteza ultrasunetelor = 340 m/s).
În cazul măsurării cu ultrasunete a distanţei între caroserie şi drum, de 15...50
cm, pentru controlul cursei suspensiei, se foloseşte viteza de repetiţie a
impulsurilor de până la 50 Hz iar impulsul reflectat se întoarce în 0,9 ... 3 ms.
4.2.Senzor de parcare
Elementele de baza sunt cele doua traductoare piezoelectrice unul emitator,celalalt
receptor,ce lucreaza cu frecvente ultrasonore de 40Khz;circuitul actioneaza ca un
sonar:impulsul emis de Emi se intoarce la Rec dupa un timp proportional cu distanta pana la
tinta( perele garajului sau un alt obstacol).Pentru ca mediul inconjurator e plin de ultrasunete
ce pot declansa semnalizari aleatorii ,circuitul foloseste impulsuri modulate:astabilul cu P2
are un factor de umplere de 25% si activeaza cicilic oscilatorul cu P1 a carui frecventa e de
40Khz(SR1);tot ciclic sunt actionate cele doua referinte interne-monostabilele P11,C7,SR3
respectiv P12,C8,SR4-la care se raporteaza timpii de intoarcere ai semnalului emis,la fel ca si
bistabilul(P9,P10) ce schimba starea la intoarcerea impulsului catre receptor.
In repaus(fara impuls reflectat de tinta) amplificatorul receptorului(T1,2) se regleaza
din SR2 a.i colectorul lui T1 sa fie la potentialul pozitiv. Orientand traductoarele
spre un perete/obstacol aflat la cca 1,5m (distanta poate varia in f. de proprietatile
obstacolului) se regleaza SR4 a.i. ledul galben(G, actionat de T4) sa semnalizeze; se reduce
apoi distanta pana la cea minima dorita(o,5m este una linistitoare in cazul masinii) si se
invarte SR3 a.i. ledul rosu (R, actionat de T3) sa fie la limita aprinderii iar cel galben
sa moara. T3 poate comanda si un buzzer de mica putere.
Productia senzorilor cu ultrasunete a inceput in anul 1993, fiind inventat de compania
Bosch. In acel an, compania auto Ford a introdus acel dispozitiv de asistare la parcare in
dotarea modelului sau Scorpio. Succesul a fost imens, de aceea, la scurt timp a fost lansata
cea de-a doua generatie de senzori, cu care a fost echipata Clasa S de la Mercedes-Benz. In
1995, Bosch a livrat pentru clientii sai din industria de automobile 100.000 de senzori cu
ultrasunete.
In anul 2000, productia anuala de senzori cu ultrasunete a lui Bosch era de peste 2,5
milioane de senzori. Astazi, senzorul integrat in sistemul auto de asistare la parcare este
utilizat in productia a peste 200 de modele de autovehicule din intreaga lume si este prezentat
ca fiind „simtul tactil al sistemului electronic al autovehiculului in relatie cu spatiul
inconjurator”. Comparativ cu primul dispozitiv, cel de-al patrulea model de senzor cu
ultrasunete este de cinci ori mai mic.
Daca initial senzorul cu ultrasunete a fost dezvoltat exclusiv pentru dispozitivele de
asistare la parcare clasice, in scopul anuntarii soferului despre distanta dintre bara de protectie
si cel mai apropiat obstacol, ulterior sistemul a influentat decisiv implementarea functiilor
autovehiculului. Pe baza senzorilor cu ultrasunete a fost creat un sistem modular care se
bazeaza pe ultrasunete - de pilda, sistemul automat de parcare, care detecteaza cu ajutorul
senzorilor cu ultrasunete spatiile adecvate pentru parcare si asigura parcarea autovehiculului
in cateva secunde, prin intermediul servodirectiei electrice, chiar si in spatii foarte inguste.
Toate comenzile cu privire la directie sunt preluate de sistemul de asistare, soferul
contribuind la manevrele de parcare numai prin accelerare si franare. Dupa 16 ani de la
inventia dispozitivului, Bosch a anuntat ca, de putin timp, senzorul cu ultrasunete cu numarul
100 de milioane a parasit banda de productie.
5.Bibliografie:
http://ep.etc.tuiasi.ro/site/Senzori_si_Traductoare/Cursuri/senzori_13.pdf
http://www.garajuluimike.ro/electrice/alarma-auto-senzor-de-parcare.htm
http://www.scritube.com/stiinta/fizica/TRADUCTOARE252017149.php
http://www.infomm.ro/afla-cum-a-influentat-senzorul-cu-ultrasunete-dezvoltarea-industriei-
auto
Cuprins:
1.Generalităţi
2.Tehnici de defectoscopie ultrasonoră
3.Senzori semiconductori cu ultrasunete
3.1.Senzori cu unde ultrasonore de suprafaţă (SAW)
3.2.Senzorii cu undă ultrasonoră de suprafaţă tip linie de întârziere
3.3.Senzori cu unde ultrasonore plate de flexiune (FPW)
4.Traductoare pentru automobile
4.1.Măsurarea vitezei liniare în automobile
4.2.Senzor de parcare
5.Bibliografie