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