Výhody ultrazvuku spočívají v tom, že se relativně snadno aplikuje, je přesný, má minimální bezpečnostní rizika, nenese žádná regulační omezení a je odolný vůči elektromagnetickému (EMI) a vysokofrekvenčnímu (RFI) rušení. Přestože je tato technologie dobře známa je nutné porozumět jeho základním principům. Je nutné zvolit správné rozmístění součástek, například zda použít samostatné vysílací a přijímací obvody nebo použít kombinovaný transceiver. Nakonec se musí zvolit vhodný audio driver, který bude pracovat na optimální frekvenci pro detekci polohy nebo pro snímání průtoku tekutiny. Tento článek poskytuje základní úvod do ultrazvukových obvodů a představíme si řešení od PUI Audio včetně jejich vývojové sady.
Jednoduchý princip převzatý z přírody
Ultrazvuková detekce je sofistikovanou verzí základního echolokačního principu, který používají zvířata, jako jsou delfíni nebo netopýři (obrázek 1).
Obrázek 1: Elektronická akustická detekce a snímání polohy má svůj původ v echolokaci, kterou účinně využívají delfíni nebo netopýři. (Zdroj obrázku: Wikipedie)
Prvotně je generován krátký impuls akustické energie pomocí piezoelektrického reproduktoru. Po skončení pulzu se systém přepne do režimu příjmu a čeká na odraz (ozvěnu) tohoto pulzu. Když přenášená akustická energie narazí na impedanční přechod nebo diskontinuitu, jako je mezi vzduchem a pevným předmětem, část této energie se odrazí a je detekována obvykle piezoelektrickým mikrofonem. Akustická impedance je založena na hustotě a akustické rychlosti daného materiálu. Cílem je určit míru odrazu, ke kterému dochází na rozhraní dvou materiálů s různou akustickou impedancí. Podíl energie, která se odráží, je funkcí typu materiálu a jeho absorpčního koeficientu, stejně jako rozdílu impedance na rozhraní mezi materiály. Tvrdé materiály jako je kámen, cihla nebo kov odrážejí signál více než měkké materiály jako jsou látky nebo polštáře.
Akustická impedance vzduchu je o čtyři řády menší než u většiny kapalin nebo pevných látek. Výsledkem je, že většina ultrazvukové energie se odrazí kvůli velkému rozdílu v koeficientech odrazu. Tato detekce a snímání vzdálenosti je podobné tomu, co se stane, když radarová RF energie nebo optická energie lidaru narazí na impedanční diskontinuitu a část této energie se odrazí zpět ke zdroji.
Záleží na prostředí, kde se ultrazvuk šíří
Ultrazvuková energie není elektromagnetická energie! Využití frekvenčního spektra není regulováno a má jen velmi malé omezení. Jedním z relevantních omezení je nadměrná hladina akustického tlaku (SPL). Pro snímání či detekci se většinou pracuje s poměrně nízkou úrovní výkonu.
Ultrazvukové snímání či detekce lze použít pouze v médiu jako je vzduch či jiné plyny nebo kapalina. Charakteristiky útlumu a šíření akustické energie různými médii jsou opakem rádiové a optické energie. Akustická energie se dobře šíří kapalinami, zatímco radiová energie obecně ne. Optická energie má také vysoký útlum ve většině kapalin. Dále, na rozdíl od akustické energie, tak radiová i optická energie mají velmi nízký útlum ve vakuu.
Ve své nejjednodušší implementaci se ultrazvukový systém používá výhradně k detekci přítomnosti objektu nebo osoby v zorném poli. Přidáním měření času lze také určit vzdálenost detekovaného objektu. V sofistikovanějších systémech, kde se musí vypočítat i vzdálenost k objektu, lze použít jednoduchou rovnici. Vzdálenost = ½ (rychlost šíření × čas), kde čas je doba mezi emitovaným impulsem a přijatým odrazem a stanovenou rychlostí zvuku ve vzduchu, který je asi 343 m/s při +20 °C. Je-li médiem kapalina nebo plyn jiný než vzduch, musí být použita jiná rychlost šíření.
Rychlost zvuku ve vzduchu se mírně mění s teplotou a vlhkostí. Proto aplikace velmi přesného určení vzdálenosti je nutné znát tuto závislost a přidat korekční faktor. Pro zajímavost existují systémy, které určují teplotu prostředí pomocí přesného měření času odraženého ultrazvukového pulzu na známou vzdálenost.
Parametry převodníku zásadně ovlivní přesnost měření
Audio driver a příslušný přijímač musí pracovat na relativně vysoké frekvenci 40 kHz pro detekci polohy a několik stovek kilohertzů pro snímání průtoku tekutiny. Mezi výhody vysokofrekvenčních převodníků patří vysoké rozlišení a směrovost (forma paprsku směřující dopředu), nevýhodou je však zvýšený útlum signálové cesty.
Rychlost, kterou se ultrazvuková energie rozptyluje a absorbuje při šíření vzduchem, se zvyšuje s frekvencí. To má za následek snížení maximální detekovatelné vzdálenosti, pokud jsou ostatní faktory udržovány konstantní. Frekvence 40 kHz je kompromisem mezi účinností, útlumem, rozlišením a fyzickou velikostí objektu. Vše souvisí s vlnovou délkou. Pro zahájení procesu výběru driveru je užitečné vědět, že snímače používané pro ultrazvukové snímání se vyznačují několika parametry:
- Provozní frekvence, tolerance a šířka pásma: Jak bylo uvedeno, 40 kHz je běžná frekvence pro mnoho základních aplikací, s typickou tolerancí a šířkou pásma několik kilohertzů.
- Úroveň napětí převodníku: Specifikuje úroveň napětí, pro kterou převodník poskytuje optimální výkon. Může se pohybovat od několika desítek voltů do stovek voltů.
- SPL: Definuje velikost zvukového výstupu na definované úrovni převodníku. Může snadno dosáhnout 100 dB i více. Vyšší SPL nabízí pokrytí na větší vzdálenosti (typická ultrazvuková aplikace má dosah v několika metrech).
- Citlivost přijímače: Charakterizuje napěťový výstup piezoelektrického měniče při daném SPL. Čím vyšší je toto číslo, tím snazší je překonat šum systému a poskytnout přesné údaje.
- Směrovost: Definuje šíření vysílaného paprsku a také úhlový rozsah, ve kterém je přijímač nejcitlivější. Typické hodnoty se pohybují od 60° do 80° při 40 kHz, obvykle měřeno do úhlu, při kterém je odezva 6 dB pod hodnotou při úhlu 0°.
Rozdělit vysílač a přijímač ultrazvukového signálu?
Jedním z faktorů, které určují výběr snímače, je relativní poloha a orientace snímaného objektu. Pokud je objekt přímo před zdrojem a zcela nebo částečně v pravém úhlu k dopadající energii, část této dopadající energie se odrazí přímo zpět ke zdroji. V této situaci může použití jediného převodníku pro vysílací i přijímací funkce (nazývané monostatické uspořádání) zjednodušit fyzické rozložení na desce (obrázek 2).
Obrázek 2: V monostatickém uspořádání je použit jeden ultrazvukový senzor, který vysílá impulz i přijímá odražený signál. (Zdroj obrázku: Science and Education Publishing Co.)
UTR-1440K-TT-R od PUI Audio (obrázek 3) je 40 kHz ultrazvukový transceiver, který má průměr pouhých 14,4 mm a výšku 9 mm. Je navržen tak, aby fungoval od střídavého napětí měniče 140 Vp-p a pro převodník představuje jmenovité zatížení 1800 pF. Jeho citlivost na echo je lepší než 200 mV a jeho směrovost je 70° ±15°.
Obrázek 3: UTR-1440K-TT-R je základní 40kHz ultrazvukový transceiver, který kombinuje vysílač a přijímač v jednom pouzdře. (Zdroj obrázku: PUI Audio)
V některých případech je zdroj a přijímač ultrazvukového signálu oddělen a jsou umístěny vedle sebe v takzvaném společném uspořádání (obrázek 4).
Obrázek 4: Ve společném uspořádání jsou ultrazvukový zdroj a přijímač umístěny vedle sebe. (Zdroj obrázku: Science and Education Publishing Co.)
Další možností je mít vysílač a přijímač od sebe ve značné vzdálenosti a mít různou orientaci, pokud je snímaný objekt pod úhlem. To se pak nazývá bistatická konfigurace. V tomto případě objekt dopadající energii spíše vychyluje, než aby ji odrážel zpět ke zdroji. Samostatný přijímač a vysílač také umožňuje flexibilitu při jejich výběru, aby odpovídala dané aplikaci. Umožňuje také flexibilitu výkonu řídicího obvodu vysílače, protože již není v blízkosti citlivých analogových obvodů přijímače.
Pro tyto situace může být dobrou volbou 40kHz ultrazvukový vysílač UT-1640K-TT-2-R a ultrazvukový přijímač UR-1640K-TT-2-R. Vysílač měří 12 mm na výšku a má průměr 16 mm. Vyžaduje pouze napájení 20 VRMS a je schopen vydat SPL o hodnotě 115 dB při nominální kapacitě 2100 pF a směrovosti šířky paprsku 80°. Přijímač má stejný vzhled, rozměry, směrovost a kapacitu jako vysílač (obrázek 5).
Obrázek 5: Ultrazvukový vysílač UT-1640K-TT-2-R a ultrazvukový přijímač UR-1640K-TT-2-R poskytují různé doplňkové funkce a mají stejný tvar a rozměry. (Zdroj obrázku: PUI Audio)
Snímání průtoku tekutiny
Kromě základní detekce objektů se ultrazvukové snímače používají pro neinvazivní, bezkontaktní měření průtoků kapalin a plynů. Pro tyto aplikace pracují senzory na vyšších frekvencích, typicky nad 200 kHz, aby poskytovaly potřebné rozlišení měření.
V typické aplikaci proudění jsou dva senzory umístěny ve známé vzdálenosti od sebe. Průtok lze poté vypočítat na základě vzdálenosti a doby přenosu, kterou zvuk potřebuje, aby se šířil mezi dvěma senzory v obou směrech, protože pohybující se tekutina nese ultrazvukovou energii různými rychlostmi v každém směru. Tento časový rozdíl je přímo úměrný rychlosti kapaliny nebo plynu v potrubí. Určení rychlosti proudění Vf se vypočítá podle rovnice: V f = K × Δt/T L, kde K je kalibrační faktor pro použité objemové a časové jednotky, Δt je časový rozdíl mezi dobami průchodu proti proudu a po proudu, a TL je doba průchodu signálu při nulovém toku.
K této základní rovnici jsou přidány různé kompenzační a korekční faktory, které mimo jiné zohledňují teplotu kapaliny a úhel mezi snímači a potrubím. V praxi ultrazvukový průtokoměr vyžaduje příslušnou speciální armaturu (obrázek 6).
Obrázek 6: Ultrazvukový průtokoměr vyžaduje různé armatury a připojení. Všimněte si duálních ultrazvukových senzorů. (Zdroj obrázku: Circuit Digest)
Průtokoměry dobře fungují s viskózními kapalinami za předpokladu, že Reynoldsovo číslo při minimálním průtoku je buď menší než 4 000 (laminární proudění) nebo vyšší než 10 000 (turbulentní proudění), ale má výrazné nelinearity v přechodové oblasti mezi těmito dvěma stavy. Používají se k měření průtoku ropy v ropném průmyslu, měření průtoku kryogenních kapalin až do teplot blízkých absolutní nule čili −273,15 °C a také pro měření průtoku roztaveného kovu.
PUI Audio nabízí ultrazvukové snímače, které jsou speciálně navrženy pro měření průtoku kapalin. UTR -18225K-TT pracuje při 225 ±15 kHz a má úzký vyzařovací úhel potřebný pouze ±15°. Tento vysílací/přijímací transducer má průměr 18 mm a výšku 9 mm s kapacitou 2200 pF. Je napájen 12 Vp-p až 100 Vp-p.
Obvody pro úpravu vstupního a výstupního signálu
Ultrazvukový detekční systém zahrnuje více než jen piezoelektrické převodníky. Pro splnění požadavků měniče ve vysílacím režimu a pro úpravu nízkoúrovňového analogového front endu (AFE) v přijímači je zapotřebí použít velmi odlišné obvody. K dispozici jsou integrované obvody, které poskytují základní funkce pro vstup vysílače i pro AFE přijímače. Například PGA460 od Texas Instruments o rozměrech 5,00 mm x 4,40 mm je 16 pinový integrovaný obvod navržený pro použití s ultrazvukovým transceiver PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz. Tento integrovaný obvod obsahuje budič ultrazvukového signálu, kondicionér signálu a jádro pokročilého digitálního signálového procesoru (DSP) (obrázek 7).
Obrázek 7: PGA460 je kompletní rozhraní pro vysílací i přijímací funkce ultrazvukového snímače. Zahrnuje obvody vstupního signálu vysílače, AFE přijímače a jádro DSP pro spouštění souvisejících algoritmů. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
PGA460 je vybaven doplňkovým párem nízkofrekvenčními obvody, které řídí měnič buď v transformátorové topologii pro vyšší napětí měniče pomocí stupňovitého transformátoru, nebo v topologii s přímým měničem pomocí externích FET tranzistorů. AFE se skládá z nízkošumového zesilovače (LNA) následovaného programovatelným časově proměnným stupněm zesílení přiváděným do analogově-digitálního převodníku (ADC). Digitalizovaný signál je zpracováván v jádru DSP a vyhodnocuje signály pomocí časově proměnných parametrů.
Časově proměnný zisk nabízený PGA460 je funkce často používaná u ultrazvukových senzorů pro základní detekci objektů nebo pokročilé lékařské zobrazovací systémy. Pomáhá překonat nevyhnutelný, ale předem známý faktor útlumu energie akustického signálu při jeho šíření prostředím. Protože tento útlum i rychlost šíření jsou známy, je možné kompenzovat nevyhnutelnou ztrátu „navýšením“ zisku AFE v závislosti na čase, čímž se účinně zruší efekt zeslabení versus vzdálenost. Výsledkem je, že systémový poměr signálu k šumu (SNR) je na nejvyšší možné hodnotě bez ohledu na snímací vzdálenost a systém zvládne širší dynamický rozsah přijímaných signálů.
Pro další prozkoumání těchto vlastností nabízí Texas Instruments vyhodnocovací modul PGA460PSM-EVM, který spolupracuje s ultrazvukovým transceiverem PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz (obrázek 8).
Obrázek 8: Vyhodnocovací modul PGA460PSM-EVM je založen na PGA460 a zjednodušuje zkoumání provozu ultrazvukového systému pomocí ultrazvukového transceiveru PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Tento modul vyžaduje k provozu pouze několik externích součástek a napájecí zdroj (obrázek 9). Je řízen příkazy přijatými z grafického uživatelského rozhraní (GUI) v počítači, do kterého vrací data pro zobrazení a další analýzu. Kromě základní funkčnosti a nastavení provozních parametrů umožňuje uživatelům zobrazit profil ultrazvukového echa a výsledky měření.
Obrázek 9: Vyhodnocovací modul PGA460PSM-EVM se připojuje k počítači s grafickým uživatelským rozhraním, které uživatelům umožňuje kromě jiných funkcí ovládat senzor a sledovat kritické průběhy. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)
Závěr
Piezoelektrické ultrazvukové snímače poskytují pohodlný a efektivní způsob snímání objektů v zorném poli a to dokonce i s měřením jejich vzdálenosti. Jsou spolehlivé, snadno se používají a jsou odolné vůči EMI a RFI. Lze je také použít pro bezdotykové měření průtoků kapalin jako je ropa, rozžhavený kov či kryogení kapaliny až do teplot blízkých absolutní nule čili −273,15°C.
Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com
