Bazele aplicării traductoarelor cu ultrasunete pentru detectarea obiectelor sau a debitelor fluidelor

Internetul lucrurilor (IoT) și rolul tot mai mare al inteligenței artificiale (AI) la periferia rețelei au sporit interesul pentru aplicații mai inteligente și mai conștiente față de mediul înconjurător. Prin urmare, proiectanții trebuie să ia în considerare opțiunile de detecție adecvate, multe dintre acestea putându-se baza pe tehnologii bine stabilite pentru a evita complexitatea. De exemplu, energia ultrasonică este utilizată pe scară largă pentru a detecta prezența obiectelor din apropiere și chiar pentru a determina distanța până la acestea, precum și pentru a măsura debitul fluidelor.

Avantajele ultrasunetelor constau în faptul că sunt relativ ușor de aplicat, sunt precise, au factori de siguranță sau de risc minimali, nu implică restricții de reglementare și evită alocarea spectrului de frecvențe radio (RF), precum și problemele legate de interferențele electromagnetice (EMI) și de interferențele de frecvență radio (RFI).

Deși este o metodologie bine stabilită, pentru a realiza pe deplin beneficiile detecției cu ultrasunete, proiectanții au nevoie de o bună înțelegere a principiilor de funcționare, a componentelor disponibile și a cerințelor de circuit asociate. De asemenea, trebuie să ia în considerare abordările arhitecturale, cum ar fi utilizarea unor unități de transmisie și recepție separate – ceea ce permite amplasarea fiecăreia în locații diferite – sau utilizarea unui emițător-receptor combinat într-o singură unitate. În cele din urmă, aceștia trebuie să furnizeze un driver și un receptor electronic adecvat care să poată funcționa la frecvența optimă pentru detectarea poziției și detectarea debitelor fluidelor.

Acest articol oferă o introducere de bază în ceea ce privește traductoarele ultrasonice și aplicațiile acestora în detectarea obiectelor și în detectarea debitului. Dispozitivele cu ultrasunete din lumea reală de la PUI Audio sunt prezentate cu titlu de exemplu, iar un circuit integrat de comandă adecvat și un kit de dezvoltare asociat sunt descrise pentru a permite dezvoltarea aplicațiilor.

Un principiu simplu, preluat din natură

Detecția cu ultrasunete este o versiune sofisticată a principiului de bază al ecolocației utilizat de animale precum delfinii și liliecii (Figura 1).

Figura 1: Detecția acustică electronică și detectarea poziției își are originile în ecolocație, care este utilizată în mod eficient de ființe vii, cum ar fi liliecii. (Sursă imagine: Wikipedia)

În timpul funcționării, un impuls scurt de energie acustică este generat de un traductor, care este, de obicei, un dispozitiv piezoelectric. După terminarea impulsului, sistemul trece în modul de recepție și așteaptă reflectarea (ecoul) impulsului respectiv. Atunci când energia acustică transmisă întâlnește o tranziție sau o discontinuitate de impedanță, cum ar fi între aer și un obiect solid, o parte din această energie este reflectată și poate fi detectată, de obicei de un dispozitiv piezoelectric.

Impedanța acustică se bazează pe densitatea și viteza acustică a unui anumit material și este important să se determine cantitatea de reflexie care are loc la granița dintre două materiale cu impedanțe acustice diferite.

Proporția de energie care este reflectată depinde de tipul de material și de coeficientul de absorbție al acestuia, precum și de diferența de impedanță la limita dintre materiale. Materialele dure, cum ar fi piatra, cărămida sau metalul, reflectă mai mult decât materialele moi, cum ar fi țesăturile sau pernele.

Impedanța acustică a aerului este cu patru ordine de mărime mai mică decât cea a majorității lichidelor sau solidelor. Ca urmare, majoritatea energiei ultrasonice este reflectată către traductor pe baza diferenței mari dintre coeficienții de reflexie. Secțiunea transversală acustică este o măsurătoare analogă cu secțiunea transversală radar și este determinată de materialul și dimensiunea obiectului țintă.

Această detecție și detectare a distanței este similară cu ceea ce se întâmplă atunci când energia RF a radarului sau energia optică a lidarului întâlnește o discontinuitate de impedanță, iar o parte din această energie este reflectată înapoi la sursă. Cu toate acestea, deși conceptul general este același, există o mare diferență: energia ultrasunetelor nu este energie electromagnetică. Utilizarea spectrului de frecvențe nu este reglementată și are foarte puține restricții. O restricție pertinentă este nivelul excesiv de presiune acustică (SPL), un aspect care, în general, nu este relevant pentru aplicațiile de detectare, deoarece majoritatea acestora funcționează la niveluri de putere destul de scăzute.

Propagarea și mediile

Mai există o altă diferență importantă: detectarea cu ultrasunete poate fi utilizată numai într-un mediu de propagare, cum ar fi aerul, alte gaze sau lichide. Caracteristicile de atenuare și propagare a energiei acustice prin diferite medii sunt opuse celor ale energiei RF și optice. Energia acustică se propagă bine prin lichide, în timp ce energia de radiofrecvență, în general, nu. De asemenea, energia optică are o atenuare ridicată în majoritatea lichidelor. În plus, spre deosebire de energia acustică, atât energia RF, cât și cea optică au o atenuare redusă în vid.

În cea mai simplă implementare, sistemul cu ultrasunete este utilizat doar pentru a detecta prezența sau absența unui obiect sau a unei persoane într-o zonă de interes general, prin detectarea unui semnal de retur de intensitate suficientă. Prin adăugarea unei măsurători de sincronizare, se poate determina, de asemenea, distanța până la țintă.

În sistemele mai sofisticate, în care trebuie calculată și distanța până la obiect, se poate utiliza o ecuație simplă: distanța = ½ (viteză × timp), folosind timpul de deplasare dus-întors între impulsul emis și reflexia primită și viteza stabilită a sunetului în aer, care este de aproximativ 343 metri pe secundă (m/s) la +20 °C (+68 °F). În cazul în care mediul este un fluid sau un gaz, altul decât aerul, trebuie utilizată viteza de propagare corespunzătoare.

Rețineți că viteza sunetului în aer variază ușor în funcție de temperatură și umiditate. Prin urmare, aplicațiile de detectare ultraprecisă a distanței necesită cunoașterea unuia sau a ambilor factori și adăugarea unui factor de corecție la ecuația de bază.

Ca un exemplu în care inginerii transformă un factor negativ într-unul pozitiv, există sisteme avansate de detectare a temperaturii care exploatează această schimbare a vitezei de propagare în funcție de temperatură. Aceste sisteme măsoară temperatura prin utilizarea unei sincronizări precise a reflexiei impulsurilor de ultrasunete reflectate pe o distanță cunoscută. Apoi se face o „corecție inversă” pentru a determina ce temperatură ar fi cauzat acea schimbare în viteza de propagare.

Parametrii traductorului pornesc procesul

După determinarea cerințelor aplicației, proiectanții trebuie să selecteze un driver audio adecvat și un receptor asociat care să poată funcționa la frecvența corespunzătoare, de obicei la o frecvență relativ ridicată de 40 de kilohertzi (kHz) pentru detectarea poziției și la câteva sute de kilohertzi pentru detectarea debitelor fluidelor. Beneficiile traductoarelor de înaltă frecvență includ o rezoluție crescută și o directivitate focalizată (model de fascicul orientat spre față), dar dezavantajul este o atenuare crescută a traseului semnalului.

Rata la care energia ultrasonică se dispersează și este absorbită în timp ce se propagă prin mediul aerului crește odată cu frecvența. Acest lucru duce la o scădere a distanței maxime detectabile, dacă ceilalți factori sunt menținuți constanți. Frecvența de 40 kHz este un compromis între factori precum eficiența, atenuarea, rezoluția și dimensiunea fizică, toate acestea fiind legate de lungimea de undă.

Pentru a începe procesul de selecție, este util să știți că traductoarele utilizate pentru detectarea cu ultrasunete sunt caracterizate de mai mulți parametri de top. Printre acestea se numără:

• Frecvența de operare, toleranța și lățimea de bandă: După cum s-a menționat, 40 kHz este o frecvență obișnuită pentru multe aplicații de bază, cu o toleranță și o lățime de bandă tipice de câțiva kilohertzi.
• Nivelul tensiunii de acționare: Se specifică nivelul de tensiune pentru care traductorul oferă performanțe optime. Acesta poate varia de la câteva zeci de volți la 100 de volți sau chiar mai mult.
• SPL: Aceasta definește magnitudinea ieșirii audio la nivelul de acționare definit; poate atinge cu ușurință 100 de decibeli (dB) sau mai mult. Un SPL mai ridicat oferă acoperire pe distanțe mai mari (o aplicație tipică cu ultrasunete are o rază de acțiune de câteva zeci de metri).
• Sensibilitatea receptorului: Aceasta caracterizează tensiunea de ieșire a traductorului piezoelectric la un anumit SPL. Cu cât este acest număr mai mare, cu atât va fi mai ușor de depășit zgomotul din sistem și de obținut o citire precisă.
• Directivitate: Aceasta definește răspândirea fasciculului transmis, precum și intervalul unghiular în care receptorul este cel mai sensibil. Valorile tipice variază între 60° și 80° la 40 kHz, măsurate de obicei la unghiul la care răspunsul este cu 6 dB sub valoarea de la unghiul de 0°.

Poziționarea traductoarelor

Unul dintre factorii care determină alegerea unui traductor este poziția și orientarea relativă a obiectului care este detectat. Dacă obiectul se află direct în fața sursei și se află în totalitate sau parțial în unghi drept față de energia incidentă, o parte din energia de lovire va fi reflectată direct înapoi la sursă.

În această situație, utilizarea unui singur traductor atât pentru emisie, cât și pentru recepție (numit aranjament monostatic) poate simplifica configurația fizică, reducând în același timp la minimum cerințele de spațiu și costul traductorului (Figura 2).

Figura 2: Într-un aranjament monostatic, un singur traductor este utilizat atât pentru funcțiile de emisie, cât și pentru cele de recepție. (Sursa imaginii: Science and Education Publishing Co.)

PUI Audio UTR-1440K-TT-R (Figura 3), un emițător-receptor de 40 kHz cu ultrasunete, este o alegere viabilă pentru această configurație. Are un diametru de numai 14,4 milimetri (mm) și o înălțime de 9 mm. Este proiectat să funcționeze de la o tensiune de comandă c.a. de 140 de volți de la vârf la vârf (V_p-p) și prezintă o sarcină nominală de 1800 de picofarazi (pF) la driver. Sensibilitatea sa la ecou este de peste 200 de milivolți (mV), iar directivitatea sa este de 70° ±15°.

Figura 3: UTR-1440K-TT-R este un emițător-receptor ultrasonic de bază de 40 kHz care combină un emițător și un receptor într-o singură carcasă. (Sursa imaginii: PUI Audio)

În unele cazuri, traductoarele sursă și receptor sunt dispozitive separate, dar sunt amplasate unul lângă altul în ceea ce se numește aranjament colocalizat (Figura 4).

Figura 4: Într-un aranjament colocalizat, sursa și receptorul de ultrasunete sunt amplasate unul lângă celălalt. (Sursa imaginii: Science and Education Publishing Co.)

O altă opțiune este ca acestea să fie separate de o distanță substanțială și să aibă, de asemenea, orientări diferite în cazul în care obiectul detectat este înclinat. Aceasta se numește configurație bistatică. În acest caz, obiectul deviază energia de lovire în loc să o reflecte înapoi la sursă. Dispozitivele separate permit o selecție flexibilă, pentru a se potrivi aplicației. De asemenea, oferă flexibilitate în ceea ce privește puterea circuitului de comandă al emițătorului, deoarece nu mai este apropiat de circuitele analogice sensibile ale receptorului.

Pentru aceste situații, o alegere bună ar putea fi o pereche, cum ar fi emițătorul cu ultrasunete UT-1640K-TT-2-R de 40 kHz și receptorul cu ultrasunete UR-1640K-TT-2-R. Emițătorul măsoară 12 mm înălțime și are un diametru de 16 mm. Necesită doar 20 V_RMS și produce un SPL de 115 dB, având o capacitate nominală de 2100 pF și o directivitate de 80°. Receptorul complementar are aceleași atribute în ceea ce privește aspectul, dimensiunile, directivitatea și capacitatea ca și emițătorul (Figura 5).

Figura 5: Emițătorul cu ultrasunete UT-1640K-TT-2-R și receptorul cu ultrasunete UR-1640K-TT-2-R oferă funcții diferite, complementare, dar au același factor de formă și aceleași dimensiuni. (Sursa imaginii: PUI Audio)

Detectarea debitului fluidelor

Dincolo de detectarea de bază a obiectelor, traductoarele cu ultrasunete sunt utilizate pentru măsurarea non-invazivă, fără contact, a debitelor fluidelor și al gazelor. Pentru aceste aplicații, traductoarele funcționează la frecvențe mai mari, de obicei peste 200 kHz, pentru a asigura rezoluția de măsurare necesară.

Într-o aplicație tipică de debit, doi senzori sunt plasați la o distanță cunoscută între ei. Debitul poate fi apoi calculat în funcție de distanța și timpul de tranzit pe care le necesită sunetul pentru a se deplasa între cele două traductoare în ambele direcții, deoarece fluidul în mișcare transportă energia ultrasonică cu viteze diferite în fiecare direcție.

Această diferență de timp este direct proporțională cu viteza lichidului sau a gazului din conductă. Determinarea vitezei de curgere (V_f) începe cu ecuația: V_f = K × Δt/T_L, unde K este un factor de calibrare pentru unitățile de volum și timp utilizate, Δt este diferența de timp dintre timpii de tranzit din amonte și din aval, iar T_L este timpul de tranzit al debitului zero.

La această ecuație de bază se adaugă diverși factori de compensare și corecție pentru a ține cont de temperatura fluidului și de unghiul dintre traductoare și țeavă, printre alte considerente. În practică, un debitmetru cu ultrasunete necesită „hardware” și fitinguri din lumea reală (Figura 6).

Figura 6: Un debitmetru cu ultrasunete cu timp de tranzit real necesită diverse fitinguri și conexiuni; luați în considerare traductoarele cu ultrasunete duble. (Sursa imaginii: Circuit Digest)

Debitmetrele cu timp de tranzit funcționează bine cu lichidele vâscoase, cu condiția ca numărul Reynolds la debitul minim să fie mai mic de 4.000 (curgere laminară) sau mai mare de 10.000 (curgere turbulentă), dar prezintă neliniarități semnificative în regiunea de tranziție dintre cele două. Acestea sunt utilizate pentru a măsura debitul de țiței în industria petrolieră și sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă pentru măsurarea lichidelor criogenice până la -300 °C, precum și pentru măsurarea debitului de metal topit – două temperaturi extreme.

PUI oferă traductoare cu ultrasunete care sunt special concepute pentru aplicații de debit al fluidelor în timp de tranzit. UTR-18225K-TT funcționează la 225 ±15 kHz și are un unghi îngust al fasciculului necesar pentru această aplicație, de doar ±15°. Acest traductor de emisie/recepție are un diametru de 18 mm și o înălțime de 9 mm, cu o capacitate de 2200 pF. Poate fi acționat cu un tren de unde pătrate de 12 V_p-p și până la 100 V_p-p la un ciclu de funcționare redus.

De asemenea, este nevoie de circuite de comandă și de condiționare a semnalului

Un sistem de detecție cu ultrasunete cuprinde mai mult decât traductoarele piezoelectrice. Pentru îndeplinirea cerințelor de acționare a traductorului în modul de transmisie și pentru condiționarea semnalului de nivel scăzut al front-end-ului analogic (AFE) în modul de recepție este nevoie de circuite adecvate și foarte diferite. În timp ce unii utilizatori își construiesc propriile circuite, sunt disponibile circuite integrate care pot asigura în mod convenabil funcțiile de acționare de bază și AFE, împreună cu caracteristici suplimentare.

De exemplu, Texas Instruments PGA460 este un circuit integrat de 5,00 mm × 4,40 mm, cu 16 conductoare, conceput pentru a fi utilizat cu traductoare, cum ar fi emițătorul-receptorul ultrasonic de 40 kHz UTR-1440K-TT-R de la PUI Audio. Acest circuit integrat la nivel de sistem foarte bine integrat oferă un driver de traductor ultrasonic pe cip și un stabilizator de semnal și include un procesor de semnal digital (DSP) avansat (Figura 7).

Figura 7: PGA460 este o interfață completă atât pentru funcțiile de transmisie, cât și pentru cele de recepție ale unui traductor cu ultrasunete. Acesta include circuite de acționare a alimentării, un AFE și un nucleu DSP pentru a rula algoritmii corespunzători. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

PGA460 dispune de o pereche de drivere low-side complementare care pot comanda un traductor fie într-o topologie bazată pe transformator pentru tensiuni de comandă mai mari, prin utilizarea unui transformator de ridicare, fie într-o topologie de comandă directă utilizând FET-uri high-side externe pentru tensiuni de comandă mai mici. AFE constă dintr-un amplificator cu zgomot redus (LNA) urmat de un etaj de câștig variabil în timp programabil care alimentează un convertor analogic-digital (ADC). Semnalul digitizat este procesat în nucleul DSP pentru detectarea obiectelor atât în câmp apropiat, cât și în câmp îndepărtat, utilizând praguri care variază în timp.

Câștigul variabil în timp oferit de PGA460 este o caracteristică des utilizată cu traductoarele ultrasonice, fie că este vorba de detectarea de bază a obiectelor sau de sisteme avansate de imagistică medicală. Acesta ajută la depășirea factorului de atenuare inevitabil, dar cunoscut din timp, al energiei semnalului acustic pe măsură ce se propagă prin mediu.

Deoarece această atenuare și viteza de propagare sunt cunoscute, este posibil să se compenseze pierderea inevitabilă prin „mărirea” câștigului AFE în funcție de timp, anulând efectiv efectul de atenuare în funcție de distanță. Rezultatul este că raportul semnal/zgomot (SNR) al sistemului este maximizat indiferent de distanța de detecție, iar sistemul poate gestiona o gamă dinamică mai largă de semnale recepționate.

Pentru a explora în continuare utilizarea acestor traductoare, Texas Instruments oferă modulul de evaluare PGA460PSM-EVM, care funcționează cu emițătorul-receptorul cu ultrasunete de 40 kHz UTR-1440K-TT-R de la PUI Audio (Figura 8).

Figura 8: Modulul de evaluare PGA460PSM-EVM se bazează pe PGA460 și simplifică explorarea funcționării sistemului cu ultrasunete utilizând emițătorul-receptorul cu ultrasunete de 40 kHz UTR-1440K-TT-R de la PUI Audio. (Sursa imaginii: Texas Instruments)

Pentru a funcționa, acest modul necesită doar câteva componente externe și o sursă de alimentare (Figura 9). Acesta este controlat prin comenzi primite de la o interfață grafică dde utilizare (GUI) bazată pe PC, căreia îi trimite datele pentru afișare și analiză ulterioară. Pe lângă funcționalitatea de bază și setarea parametrilor operaționali, acesta permite utilizatorilor să afișeze profilul ecoului ultrasonic și rezultatele măsurătorilor.

Figura 9: Modulul de evaluare PGA460PSM-EVM se conectează la un PC cu o interfață grafică care permite utilizatorilor să opereze și să controleze traductorul și să vadă formele de undă critice, printre alte funcții. (Sursă imagine: Texas Instruments)

Concluzie

Traductoarele piezoelectrice cu ultrasunete oferă o modalitate convenabilă și eficientă de detectare a obiectelor din apropiere și chiar de măsurare a distanței până la acestea. Acestea sunt fiabile și ușor de aplicat, și îi ajută pe proiectanți să evite problemele de reglementare privind spectrul RF sau EMI/RFI. De asemenea, pot fi utilizate pentru măsurarea fără contact a debitelor fluidelor. Circuitele integrate de interfață, atât pentru funcțiile de transmisie, cât și pentru cele de recepție, susținute de un kit de evaluare, simplifică integrarea lor într-un sistem, oferind în același timp flexibilitate la stabilirea parametrilor de funcționare.