Ultraschallwandlerschaltungen:Ein Objekterkennungsgerät

Wollten Sie schon immer die Entfernung eines Objekts von einem bestimmten Ziel messen? Zu diesem Zweck können Sie einen Ultraschallsender verwenden, der über einen Ultraschallsensor verfügt. Elektronische Schaltungen weisen im Allgemeinen diese Komponente auf, um Ultraschallwellen zu erzeugen. Als Ergebnis kann es dann die Nähe eines Objekts messen. Daher machen diese Fähigkeiten sie für Roboternavigationszwecke äußerst nützlich. Nicht nur das, dieser Wandlertyp hat auch verschiedene Anwendungen in vielen Bereichen, einschließlich Industrie, Medizin, Automatisierung und vielem mehr!

Dieser Artikel stellt die Ultraschallwandlerschaltungen vor, damit Sie ihre Fähigkeiten verstehen können. Fangen wir also an!

Was ist ein Ultraschallwandler?

Ein Ultraschallwandler

Ein Ultraschallwandler dient als schallbezogener Sensor, der eine Energieart in Ultraschallenergie umwandelt. Dieses Gerät überträgt elektrische Signale an ein Objekt und sendet sie dann zurück an den Wandler. Währenddessen misst es die Entfernung des Objekts und nicht die Signalstärke. Es stützt sich auch auf Ultraschallwellen, um bestimmte Parameter zu messen. Außerdem liegt der Frequenzbereich der Ultraschallwellen über 20 kHz, was ihn ideal zum Messen von Entfernungen macht.

Ein 40-kHz-Ultraschallwandler.

Quelle:Wikimedia Commons

Alles in allem erkennt dieser Wandlertyp verschiedene Materialien, darunter metallische, nichtmetallische, transparente und farbige Objekte. Es identifiziert auch Flüssigkeiten, Feststoffe und feine Substanzen.

Der innere Aufbau eines Ultraschallsensors.

Quelle:Wikimedia Commons

Das Gerät verfügt über einen Träger, eine Verschleißplatte und ein aktives Element. Dabei wandelt das als aktives Element dienende Kristall oder Piezoelektrikum elektrische Energie in Ultraschallenergie um. Dadurch nimmt das Gerät Ultraschallenergie auf und wandelt sie in elektrische Energie um. Natürlich kehrt es diesen Transformationsprozess auch um.

Zusätzlich hat der Wandler einen Empfänger, einen Sender, eine Stromversorgung und einen Steuermechanismus. Inzwischen hat der Sender einen 15-mm-Keramik-Vibrator. Diese Sensoren funktionieren identisch mit einem Ultraschalllautsprecher und -mikrofon und erzeugen und empfangen hochfrequente Schallwellen.

Dieser Wandler wird aufgrund des hohen Curie-Punkts der piezoelektrischen Materialien zu Diagnosezwecken bei niedriger Temperatur betrieben und verbraucht nur minimalen Strom. Es kann auch über einen längeren Zeitraum betrieben werden, ohne den Stromkreis zu beeinträchtigen. In der Zwischenzeit arbeiten medizinisch basierte Wandler bei hohen Temperaturen. Diese verlassen sich in der Regel auf Kühlgeräte, die helfen, Schäden zu vermeiden.

Funktionsprinzip des Ultraschallwandlers

Die Ultraschallsonde kann Defekte oder Fehler in einer Stahlplatte erkennen.

Das Anlegen eines elektrischen Signals an den Ultraschallwandler veranlasst diesen, Schallwellen zu erzeugen. Die Schallwellen reflektieren dann das Echosignal des Wandlers, nachdem sie Interferenzen erkannt haben. Es vibriert auch in einem bestimmten Frequenzbereich. Dadurch wird das Echo in ein elektrisches Signal umgewandelt.

Anschließend misst das Gerät, wie lange es dauert, die Schallwelle zu liefern und das Echo zu empfangen. Der Ultraschallimpuls wird in die Luft abgegeben, wenn der Sensor mit einer Frequenz von 40 kHz arbeitet.

Leuchtstofflampen können die Fähigkeit des Schwingers, Objekte zu erkennen, nicht beeinträchtigen.

Insgesamt können schwarze Materialien, Rauch, Sonnenlicht, Leuchtstoffröhren und Staub die Leistung des Schallkopfs nicht beeinträchtigen. Daher hat es einen deutlichen Vorteil gegenüber Infrarotsensoren. Zusätzlich bietet ein Ultraschallsensor hervorragende Rauschunterdrückungsfähigkeiten. Hohe Temperaturschwankungen führen jedoch zu Störungen der Objekterkennung.

Dieses Gerät verwendet auch Ultraschallwellen, um die Entfernung mit der folgenden Formel zu berechnen:

D =½ * T * C

In diesem Fall stellt D die Entfernung dar und T bezieht sich auf das Zeitintervall zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen. Unterdessen repräsentiert C die Schallgeschwindigkeit.

Ultraschallwandlerschaltung

Schaltplan Ultraschallsender

Erforderliche Komponenten:

• 555 IC – 1x
• 2N2222 Transistor – 1x
• Ultraschallwandler – 1x
• 1k Widerstand – 2x
• 2k Widerstand – 1x
• 5k Widerstand – 1x
• 0,01fuF Kondensator – 1x
• 3,3nF Kondensator – 1x

Funktionsprinzip:

Viele Ultraschallsenderschaltungen verfügen über einen 555-IC-Timer.

Quelle:Wikimedia Commons

Als Oszillator dient in der Regel der IC 555, der im astabilen Multivibratormodus arbeitet. Dadurch werden konstante serielle Rechteckimpulse erzeugt, die 40 kHz erreichen. Unterdessen legt die Gleichung F=1..44/((R2+2R1)C2 den Ausgangsfrequenzwert fest. Gleichzeitig liefern die elektronischen Komponenten R1, R2 und R3 40 KHz an den Ausgang.

Es verfügt auch über einen Ultraschallwandler, der einen Eingangsimpuls in Ultraschallwellen mit passenden Frequenzen umwandelt. Diese enthalten piezoelektrische Kristalle, die ihre Größe ändern können, sobald sie Spannung erhalten. Die Kristalle schwingen nach dem Empfang eines Eingangssignals und zwingen sie, hochfrequente Schallwellen zu erzeugen.

Gleichzeitig treibt der Transistor 2N2222 den Wandler an. Sie können Oszillatoren implementieren, die von Kristallen umgeben sind, anstatt eines 555 für eine stabile Oszillation.

Typen von Ultraschallwandlern

Heutzutage gibt es auf dem Markt unterschiedliche Typen von Ultraschallwandlern. Diese enthalten wesentliche Parameter, darunter Frequenz, Footprint und die Anordnung des piezoelektrischen Kristalls. Nachfolgend finden Sie die effizientesten Typen:

• Linearer Typ:Dieser Wandlertyp verfügt über einen piezoelektrischen Kristall mit einer linearen Anordnung.
  
• Phased Array:Mit einem reduzierten Platzbedarf unterstützt das Phased Array niedrige Frequenzen von 2 MHz bis 7 MHz.
  
• Standard:Dieser Typ wird auch als konvexer Ultraschallwandler oder normaler Ultraschallwandler bezeichnet und enthält einen gekrümmten piezoelektrischen Kristall. Sie werden diese in umfangreichen Testanwendungen implementiert sehen.

Darüber hinaus können Sie Verzögerungsleitungswandler, Kontaktwandler, Doppelelementwandler, Immersionswandler und Winkelstrahlwandler verwenden. Natürlich gibt es für diese verschiedenen Typen zerstörungsfreie Prüfanwendungen.

Anwendungen

Eine Ultraschallsonde enthält den Ultraschallwandler.

Der Ultraschallwandler hat unterschiedliche Anwendungen in einem weiten Bereich von Gebieten. Wir haben unten einige aufgelistet.

• Diagnostische Tests, Krebsbehandlungen, Herz- und Augenuntersuchungen und Tests innerer Organe im medizinischen Bereich.
• Objekterkennung
• Messen von Entfernungen zwischen einem Ziel und dem Objekt

Dieses Bild zeigt, wie ein Ultraschallsensor Objekte und deren Entfernung erkennen kann.

Quelle:Wikimedia Commons

• Automatisierung
• Bestandskontrolle
• Identifizieren kleiner Fehler

Ein Ultraschallwandler kann kleinere Fehler erkennen.

Quelle:Wikimedia Commons

• Füllstands- und Durchflussmessungen
• Biomedizin
• Macht
• Kontrolle und Überwachung des Flüssigkeitsstands
• Produktlinienmanagement
• Drahtbrucherkennung

Vor- und Nachteile

Vorteile:

Ultraschallwandler können Feststoffe, Flüssigkeiten oder Gase erkennen. Nachfolgend haben wir die Vorteile eines Ultraschallwandlers aufgelistet: 

• Fähig, alle Substanzarten zu erkennen und verschiedene Materialien zu messen.
• Temperatur, Staub und Wasser beeinträchtigen die Leistung nicht.
• Funktioniert in jeder Umgebung mit geeigneten Bedingungen.
• Wird häufig verwendet, um Messungen mit hohem Erfassungsintervall bereitzustellen.

Im Folgenden werden die mit Ultraschallwandlern verbundenen Nachteile aufgelistet:

Nachteile:

Hohe Temperaturschwankungen können den Schallkopf beeinträchtigen.

• Erkennungsänderungen treten aufgrund der Unvorhersehbarkeit der Temperaturumwandlung auf.
• Extrem empfindlich gegenüber hohen Temperaturschwankungen.
• Kann die Reflexionen kleiner Ziele aufgrund ihrer weichen und dünnen Eigenschaften nicht erkennen.

Zusammenfassung

Äußerst nützliche und gut gebaute Ultraschallwandler machen die Objektvermeidung für Navigationsroboter erheblich einfacher. Es bietet auch unterschiedliche Zwecke in anderen Anwendungen. In diesem Fall hilft dies, seine Rolle bei der Objekterkennung und Entfernungsmessung zu etablieren. Im Allgemeinen wirken sich unterschiedliche Umgebungsfaktoren nicht negativ auf die Gesamtleistung aus. Daher hindern Staub, Sonnenlicht und Wasser die Ultraschallimpulse nicht daran, ihr Ziel zu erreichen und zurückzukehren. So kann diese Komponente jederzeit konsistent betrieben werden.

Haben Sie Fragen zum Ultraschallwandler? Sprechen Sie uns gerne an!