2. Ультразвуковые датчики
Теоретические основы
В промышленной автоматике широко применяются ультразвуковые датчики приближения, принцип действия которых основан на измерении параметров пространственного акустического поля в неоднородных средах. Среди них наибольшее распространение получили датчики, в которых осуществляется измерение времени прохождения расстояния до обнаруживаемого объекта прямой и отраженной волнами.
Акустические колебания с частотами выше 20 кГц известны как ультразвуковые колебания (рис. 2.1). В отличие от электромагнитных колебаний, акустические колебания могут распространяться только в материальной среде. В то же время для того, чтобы акустические колебания распространялись в передающей среде, она должна обладать упругостью.
|
|
Рис. 2.1 Виды звука – частотные диапазоны |
2.1 Прохождение и отражение акустических волн на границе раздела сред
Если продольная акустическая волна падает на границу раздела двух сред, она разделяется на отраженную и проходящую волны. Если обе среды являются твердыми телами, то в них распространяются также акустические волны сдвига (рис. 2.2).
|
скорость
звука, м/с
температура,
оC
давление, гПа*
*г
(гекто) - 102 1
мм рт.ст. = 133,322 Па |
|
|
Рис. 2.2 |
Рис. 2.3 |
2.2 Акустические волны в воздухе
Скорость звука в воздухе зависит от температуры:
,
где:
c0 = 331,6 м/с – скорость звука при температуре 0°C;
T – температура, °C.
Вместе с тем скорость звука зависит и от атмосферного давления: она увеличивается с ростом атмосферного давления (рис. 2.3).
Скорость звука в воздухе уменьшается из-за флуктуаций (случайных отклонений физических величин от их средних значений) в смежных слоях воздуха. Одновременно происходит затухание акустических колебаний. Это происходит по следующим причинам:
имеют место потери энергии, обусловленные теплопроводностью передающей среды;
акустическая энергия рассеивается за счет колебаний молекул в передающей среде.
Как и скорость звука, длина волны также сильно зависит от характера среды, в которой распространяются акустические колебания. Например, звук распространяется в воде или в металле быстрее, чем в воздухе, за счет разницы в плотности среды. Кроме того, в любых газах скорость звука существенно зависит от давления и температуры.
2.3 Генерирование ультразвука в воздухе
Для генерирования ультразвуковых колебаний в воздухе применяют пьезоэлектрические преобразователи.
Пьезоэлектрические кристаллы обладают свойством изменять свои размеры при приложении к ним внешнего электрического напряжения, т. е. они способны преобразовывать электрическую энергию в механическую (обратный пьезоэффект). И наоборот, приложение к пьезокристаллу внешней силы приводит к появлению электрических зарядов на поверхности кристалла, т.е. появлению разности потенциалов, которую можно измерить (прямой пьезоэффект).
Примером материала, обладающего пьезоэлектрическими свойствами, является пьезокерамика на основе твердого раствора титаната свинца (PbTiO3) и цирконата свинца (PbZrO3).
Для того чтобы генерировать ультразвук в воздухе, звуковой генератор должен обеспечивать большие амплитуды колебаний излучающей поверхности. Поэтому необходим согласующий механизм, который трансформировал бы малоамплитудные колебания пьезокерамики с большими силами в движение с большими амплитудами, но с малыми силами. Известны различные согласующие механизмы. В номенклатуре изделий фирмы Pepperl+Fuchs в большинстве случаев применяются преобразователи на основе четвертьволнового резонатора.