Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2004 №3

Ультразвуковые преобразователи фирмы Sencera

Барбенец Анатолий


Введение

Ультразвуковые воздушные преобразователи давно и широко применяются для измерения дистанции, бесконтактного определения присутствия, в системах определения сближения, системах предупреждения столкновений на транспорте. В таких устройствах преобразователем излучается короткий ультразвуковой импульс по направлению к цели, которая отражает звук (эхо) обратно к преобразователю. После приема отраженного импульса электронная система измеряет время, за которое он возвратился, и вычисляет дистанцию до цели на основе известной скорости распространения звука в среде (воздухе).

Имеющиеся на современном рынке микроэлектроники ультразвуковые преобразователи отличаются друг от друга конструктивно-технологическими вариантами: материалами используемой пьезокера-мики, материалом корпуса, присоединительными размерами, степенью защиты от внешней среды, электрическими характеристиками. С акустической точки зрения они работают на различных частотах, имеют разные характеристики направленности. Для правильного выбора ультразвукового преобразователя в конкретном приложении помимо технических характеристик необходимо учитывать взаимосвязи (тонкости) акустических характеристик среды и цели, а также их влияние на работу преобразователя. Главные из этих взаимосвязей следующие:

  • Функциональная зависимость скорости звука от температуры и состава среды (воздуха) и влияние этих характеристик на точность и разрешающую способность преобразователя.
  • Функциональная зависимость длины звуковой волны от скорости звука и частоты и ее влияние на минимальный определяемый размер цели или минимальную (максимальную) дистанцию до цели.
  • Функциональная зависимость затухания звука от его частоты и от влажности воздушной среды и их влияние на максимальную дальность определения цели.
  • Функциональная зависимость величины фонового шума от частоты и его влияние на характеристики по дальности и разрешению.
  • Характеристики направленности как преобразователя отдельно, так и системы на его (их) основе в целом и их влияние на дальность и избирательность по цели.
  • Функциональная зависимость амплитуды эха от характеристик цели: дальности до нее, размера, формы поверхности и ее отражающей способности.

В качестве иллюстрации приведем несколько фундаментальных зависимостей, связанных с распространением звука в воздушной среде. Например, скорость звука в воздухе при температуре 0 °C составляет 331м/с, в углекислом газе — 258 м/с. Температурная зависимость скорости звука в воздухе приведена на рис. 1 (скорость звука при комнатной температуре равна 343 м/с).

Еще одна основополагающая формула — зависимость длины звуковой волны от скорости звука и его частоты: где l — длина волны, с — скорость звука в среде, f — частота.

График зависимости длины звуковой волны в воздухе от частоты при комнатной температуре приведен на рис. 2.

Из графика видно, что для преобразователя 40 кГц длина волны составляет приблизительно 0,8 см, а для частоты 250 кГц — 0,13 см. Это объясняет, почему для точного измерительного инструмента (например, ультразвуковой электронной рулетки) используют более высокочастотные преобразователи 120-250 кГц. В то же время для приложений, где точное измерение дистанции не требуется, например, в системах обнаружения препятствий позади автомобиля, применяют преобразователи 40 кГц. Более того, низкочастотный преобразователь (40 кГц) имеет преимущество для последнего приложения в связи с тем, что затухание звука с частотой 40 кГц в воздухе меньше, чем для частоты 250 кГц. Это свойство иллюстрирует еще одна фундаментальная зависимость теории и практики преобразователей — зависимость затухания звука при распространении в воздухе от частоты колебаний и влажности воздуха (рис. 3). Видно, что затухание звука с частотой 40 кГц более чем в 4 раза меньше, чем для частоты 250 кГц, при расчете на 1 фут и при всех остальных фиксированных параметрах.

Рис. 1. Зависимость скорости звука в воздухе от температуры в м/с
Рис. 1. Зависимость скорости звука в воздухе от температуры в м/с

Более подробно с функциональными зависимостями, необходимыми для расчета и выбора характеристик воздушных преобразователей для различных применений можно ознакомиться в специальной литературе [1-7].

Воздушные преобразователи фирмы Sencera

Большинство ультразвуковых преобразователей, входящих в состав промышлен-но выпускаемых приборов и систем измерения малой мощности, работают в диапазоне частот от 40 до 250 кГц. Ведущими разработчиками и производителями ультразвуковых преобразователей самого разнообразного применения (в том числе и рассматриваемого) являются американские компании APC International, Parsonics, Massa Products, Honeywell. В последние годы в этой области активно работают и фирмы из Юго-Восточной Азии, одной из которых является тайваньская Sencera.

Рассматриваемые в статье ультразвуковые преобразователи (УП) относятся к разряду относительно недорогих пьезокерамических преобразователей нижнего ультразвукового диапазона (25-40 кГц) широкого применения, работающие в воздушной среде. Несмотря на невысокую цену, преобразователи, благодаря используемым конструктивно-технологическим решениям, имеют хорошие электрические и механические характеристики, что является серьезной предпосылкой получения надежных радиоэлектронных изделий широкого применения на их основе. Основные характеристики преобразователей приведены в таблице 1, где для сравнения также приведены параметры аналогичных устройств американского и российского производства.

УП фирмы Sencera предназначены для работы в воздушной среде, но, по-видимому, могут быть использованы и для работы в неагрессивной газовой среде с характеристиками, подобными воздушной и, естественно, с учетом скорости распространения звука в конкретной среде. Имеется два конструктивных исполнения преобразователей производства фирмы Sencera — открытое, где внешняя воздушная среда имеет непосредственный контакт с пьезокерамическим излучателем, и закрытое, где излучающий-принимающий пьезопреобразователь отделен от воздушной среды герметичным корпусом. УП, вследствие присущей пьезокерамике обратимости, работают как в режиме излучения, так и в режиме приема, хотя для конструктивного исполнения открытого типа приемники и передатчики изготавливаются в разных корпусах с согласованными характеристиками по центральной частоте и ширине полосы пропускания. Простые на первый взгляд пье-зокерамические преобразователи, имеющие всего два вывода, являются сложной электромеханической системой и характеризуются набором параметров, необходимых для конструктивных и электрических расчетов систем на их основе.

Рис. 2. Зависимость длины звуковой волны в воздухе от частоты при комнатной температуре
Рис. 2. Зависимость длины звуковой волны в воздухе от частоты при комнатной температуре

Основные характеристики УП:

  • Центральная частота (кГц) — резонансная частота (обычно частота, соответствующая минимальному импедансу электромеханической системы) на которой происходит излучение и прием. Для некоторых типов УП в качестве центральной частоты используется антирезонансная частота, измеряемая при максимальном импедансе.
  • Полоса пропускания (кГц) — ширина полосы пропускания относительно центральной частоты, измеренная по уровню -6 дБ (-3 дБ).
  • Уровень звукового давления или интенсивность звука (дБ) — величина звукового давления, создаваемого излучателем в точке измерения на заданном расстоянии, отнесенная к опорному уровню звукового давления, принятому за 0 дБ (стандартно 1 мкПа). В акустике звуковое давление обычно измеряют в децибелах из-за его широкого динамического диапазона. Звуковое давление измеряют в микропаскалях (мкПа) или в микробарах (мкбар) на нормируемом расстоянии R0 от датчика, равном 30 см. Уровень звукового давления (SPL), измеренный на нормированном расстоянии R0, затем переводится в дБ по отношению к 1мкПа (1мкбар) по следующей формуле:
    где SPL(R0) — уровень звукового давления на расстоянии R0 в дБ/1 мкПа (дБ/1 мкбар), P — звуковое давление на расстоянии R0 в мкПа (мкбар). Иногда для удобства измерений используется опорный уровень давления p=20 мкПа.
  • Чувствительность (дБ) характеризует возможности УП как приемника. Определяется как величина напряжения на выводах УП, отнесенная к измеренной величине звукового давления на поверхности преобразователя, выраженная в децибелах относительно опорной величины 10 В/Па.
  • Емкость (пФ) — величина собственной емкости преобразователя, измеренная на частоте 1 кГц.
  • Импеданс (Ом) — величина активного сопротивления преобразователя на резонансной частоте.
  • Максимальное входное напряжение (В) — предельная величина переменного напряжения, приложенного к выводам УП в течение заданного времени.
  • Ширина диаграммы направленности (град) — ширина лепестка характеристики направленности (пример на рис. 4), измеренная по уровню -6 дБ (или -3 дБ).
  • Диапазон рабочих температур (°C) — диапазон температур, в котором гарантированно обеспечивается работоспособность устройства.

Рис. 3. Максимальное затухание звука в воздухе при комнатной температуре, фиксированной влажности для частот 40-250 кГц
Рис. 3. Максимальное затухание звука в воздухе при комнатной температуре, фиксированной влажности для частот 40-250 кГц

Существует также множество других параметров преобразователей — как электрических, так и эксплуатационных, которые приводятся в документации на изделие. Это, например, рекомендуемый рабочий диапазон по дальности; характеристики стандартной цели (размеры, материал); величина «мертвой зоны»; габаритные размеры преобразователя; срок службы; материал корпуса; условия работы по влажности, вибрации и т. п.

Дополнительно к данным, приведенным в таблице, преобразователи Sencera имеют следующие характеристики:

  • ширина полосы пропускания (-6 дБ) 1,2 кГц;
  • диапазон рабочих напряжений 20-150 В (ампл.).

Рис. 4. Диаграмма направленности воздушногопреобразователя 40CA-18SC APC Corp.Ширина диаграммы направленностипо уровню -6 дБ = 72°SPL в дБ (0 дБ = 0,0002 мкбар)шаг 10 дБ, центральная окружность = 60 дБУсловия измерений: воздух, расст. 30 см, 10 В RMS
Рис. 4. Диаграмма направленности воздушного преобразователя 40CA-18SC APC Corp. Ширина диаграммы направленности по уровню -6 дБ = 72° SPL в дБ (0 дБ = 0,0002 мкбар) шаг 10 дБ, центральная окружность = 60 дБ Условия измерений: воздух, расст. 30 см, 10 В RMS

Конструктивное исполнение

Как уже упоминалось выше, существует 2 конструктивных исполнения УП Sencera — открытое и герметичное. Преобразователи имеют обозначение вида:

  1. TR — для исполнений только передатчик/ только приемник (для УП открытого типа); EC — для комбинированного исполнения передатчик + приемник в одном корпусе;
  2. 40 — центральная частота, кГц;
  3. 10 — диаметр преобразователя в мм;
  4. Т — передатчик, R: приемник;
  5. 1 — порядковый номер разработки.

Все преобразователи выполнены в цилиндрических корпусах диаметром от 10 до 18 мм и высотой от 7 до 12 мм с двумя выводами для подключения. Материал корпуса либо ABS, либо алюминий (для герметичных исполнений). Влияние отдельных внешних факторов на чувствительность преобразователей приведено в таблице 2.

Применение

Ультразвуковые преобразователи, как уже упоминалось, выполняют в системах две основные функции — излучение ультразвукового импульса и прием отраженного от препятствия или границы двух сред разной плотности сигнала (или сигналов). В соответствии с этими функциями электронная система, реализующая эхолокатор, состоит из следующих основных блоков: передатчик, коммутатор «прием-передача» (для варианта, когда один и тот же преобразователь работает в режимах приема и передачи), усилитель-приемник, генератор тактовой частоты, формирователь зондирующих импульсов, формирователь длительности дистанции, схема измерения времени задержки эхосиг-нала. На современном этапе развития электроники такая система может быть легко реализована с минимальным количеством компонентов на базе недорогого 8-разрядного микроконтроллера или даже в виде конфигурируемой системы на кристалле. Для конкретных приложений необходимо учитывать влияние дополнительных конструктивных элементов на параметры преобразователей, их взаимное влияние при работе в режимах прием-передача, наличие или отсутствие турбулентностей воздушной среды, «мертвых зон» и т. п.

Таблица1
Таблица1

В качестве законченного изделия массового применения, в котором использованы ультразвуковые воздушные преобразователи, можно привести так называемую систему безопасной парковки автомобилей фирмы Coligen (www.m12v.auto.ru). Внешний вид изделия приведен на рис. 5.

Система состоит из следующих компонентов:

  • ультразвуковые датчики закрытого типа — 3 шт.;
  • блок управления в металлическом корпусе;
  • звуковой излучатель (бипер).

Таблица 2
Таблица 2

По данным производителя, система позволяет определять расстояние до препятствия с точностью до 5 см. Приближение препятствия индицируется звуковым сигналом с характером звучания от прерывистого до постоянного. Диаграмма направленности датчиков, установленных на бампере автомобиля в соответствии с инструкцией, в горизонтальной и вертикальной плоскостях приведена на рис. 6.

Рис. 5. Пример системы парковки на основе ультразвуковых датчиков
Рис. 5. Пример системы парковки на основе ультразвуковых датчиков

Из рис. 6 ясно, что система начинает «видеть» препятствие на расстоянии около 1,2 м. При этом звуковой индикатор подает редкие звуковые сигналы. При приближении к препятствию на расстояние 0,5 м звуковой сигнал звучит непрерывно. Характеристика диаграммы направленности в вертикальной плоскости помогает правильно выбрать высоту установки датчиков от поверхности земли для уменьшения величины «мертвой зоны».

Заключение

Ультразвуковые воздушные преобразователи, выпускающиеся в мире миллионами штук (например, TR89 от Massa Corp.) занимают свою нишу в области точных бесконтактных измерений расстояний, определения приближений в производственных процессах (например, на конвейере), бесконтактного определения уровня жидкостей и сыпучих тел в больших емкостях, в качестве датчиков систем безопасности, систем предупреждения столкновений на транспорте, игрушках и т. п.

Область применения в большой степени определяет жесткость требований, предъявляемых к технико-экономическим характеристикам преобразователей.

Рассмотренные воздушные преобразователи Sencera находятся в середине рассмотренных обзорно в данной статье преобразователей по критерию «качество-надежность-цена», являются хорошим выбором для применений в системах предупреждения столкновений, датчиках приближений, измерений уровня жидкостей, в системах безопасности.

Рис. 6. Диаграмма направленности системы парковки
Рис. 6. Диаграмма направленности системы парковки

Литература

  1. Frank Massa. Ultrasonics in Industry. Fiftieth Anniversary Issue, Proc IRE. May 1992.
  2. Donald P. Massa. An Automatic Ultrasonic Bowling Scoring System // Sensors. Vol. 4. No. 10. Oct. 1987.
  3. Paul A. Shirley. An Introduction to Ultrasonic Sensing // Sensors. Vol. 6. No. 11. Nov. 1989.
  4. Frank Massa. Ultrasonic Transducers for Use in Air // Proc IEEE. Vol. 53. No. 10. Oct. 1965.
  5. Leo L. Beranek. Acoustic Properties of Gases. American Institute of Physics HandBook, 3rd Ed. 3d), McGraw-Hill.
  6. HandBook of Chemistry and Physics. 45th Ed. 1964.
  7. L. B. Evans and Bass. Tables of Absorption and Velocity of Sound in Still Air at 68°F. Wyle Laboratories, Report WR72-2. Jan. 1972.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке