超音波トランスデューサ回路:物体検出デバイス

特定のターゲットからオブジェクトまでの距離を測定したいと思ったことはありませんか?そのために、超音波センサーを備えた超音波送信機を利用できます。電子回路は一般に、超音波を生成するためにこのコンポーネントを備えています。その結果、オブジェクトの近接度を測定できます。したがって、これらの機能により、ロボット ナビゲーションの目的に非常に役立ちます。それだけでなく、このタイプのトランスデューサは、産業、医療、自動化など、多くの分野でさまざまな用途があります!

この記事では、超音波トランスデューサー回路を紹介し、その機能を理解できるようにします。それでは始めましょう!

超音波トランスデューサとは?

超音波トランスデューサー

超音波トランスデューサは、エネルギータイプを超音波エネルギーに変換する音響関連センサーとして機能します。このデバイスは、電気信号を物体に送信し、変換器に送り返します。それが発生している間、信号強度ではなくオブジェクトの距離を測定します.また、超音波を利用して特定のパラメータを測定します。さらに、超音波の周波数範囲は 20 kHz を超えているため、距離の測定に最適です。

40kHz 超音波トランスデューサ。

出典:ウィキメディア コモンズ

全体として、このタイプのトランスデューサは、金属、非金属、透明、色付きの物体など、さまざまな材料を検出します。また、液体、固体、微細な物質も識別します。

超音波センサーの内部構造。

出典:ウィキメディア コモンズ

このデバイスは、バッキング、ウェア プレート、およびアクティブ エレメントを備えています。この場合、能動素子として機能する水晶または圧電素子が、電気エネルギーを超音波エネルギーに変換します。その結果、デバイスは超音波エネルギーを取り込み、それを電気エネルギーに変換します。もちろん、その変換プロセスも逆になります。

さらに、トランスデューサには受信機、送信機、電源、および制御機構があります。一方、送信機には15mmのセラミックバイブレーターが付いています。これらのセンサーは、超音波スピーカーやマイクロフォンと同じように機能し、高周波の音波を生成および受信します。

このトランスデューサは、圧電材料のキュリー点が高く、消費電力が最小限であるため、診断目的で低温で動作します。また、回路に影響を与えずに長時間動作することもできます。一方、医療用トランスデューサは高温で動作します。これらは通常、損傷を防ぐのに役立つ冷却装置に依存しています。

超音波トランスデューサの動作原理

超音波プローブは、鋼板の欠陥や欠陥を検出できます。

超音波トランスデューサに電気信号を加えると、音波が発生します。音波は、干渉を検出した後、トランスデューサのエコー信号を反射します。また、特定の周波数範囲内で振動します。その結果、エコーは電気信号に変換されます。

その後、デバイスは音波を送信してエコーを受信するのにかかる時間を測定します。センサーが 40 kHz の周波数で動作すると、超音波パルスが空中に放出されます。

蛍光灯は、トランスデューサの物体検出能力に影響を与えることはできません。

全体として、黒い物質、煙、日光、蛍光管、ほこりがトランスデューサの性能に影響を与えることはありません。したがって、赤外線センサーよりも明確な利点があります。さらに、超音波センサーは優れたノイズ抑制機能を提供します。ただし、高温変動は物体検出干渉を引き起こします。

このデバイスは、以下の式で距離を計算するために超音波にも依存しています:

D =½ * T * C

この場合、Dは距離を表し、Tは超音波を送受信する時間間隔を表します。一方、C は音速を表します。

超音波トランスデューサ回路

超音波送信回路図

必要なコンポーネント:

• 555 IC – 1x
• 2N2222 トランジスタ – 1x
• 超音波トランスデューサー – 1x
• 1k 抵抗 – 2x
• 2k 抵抗 – 1x
• 5k 抵抗 – 1x
• 0.01fuF コンデンサ – 1x
• 3.3nF コンデンサ – 1x

動作原理:

多くの超音波トランスミッター回路は、555 IC タイマーを備えています。

出典:ウィキメディア コモンズ

一般に、非安定マルチバイブレータモードで動作するIC 555は、発振器として機能します。これにより、40 kHz に達する一定のシリアル方形波パルスが生成されます。一方、式 F=1..44/((R2+2R1)C2 は、出力周波数値を設定します。同時に、R1、R2、および R3 電子部品は出力に 40 KHz を供給します。

また、入力パルスを一致する周波数の超音波に変換する超音波トランスデューサも備えています。これらには、電圧を受けるとサイズを変えることができる圧電結晶が含まれています。水晶は入力信号を受信すると振動し、強制的に高周波の音波を発生させます。

同時に、2N2222 トランジスタがトランスデューサを駆動します。安定した発振のために、555 ではなく水晶で囲まれた発振器を実装できます。

超音波トランスデューサの種類

今日、さまざまな超音波トランスデューサのタイプが市場に出回っています。これらには、周波数、フットプリント、圧電結晶の配置などの重要なパラメータが含まれています。以下に最も効率的なタイプを示します:

• リニア タイプ:このトランスデューサ タイプは、リニア アレイを備えた圧電結晶を特徴としています。
  
• フェーズド アレイ:フットプリントが縮小されたフェーズド アレイは、2MHz から 7MHz の範囲の低周波数をサポートします。
  
• 標準:コンベックス超音波トランスデューサまたは通常の超音波トランスデューサとも呼ばれるこのタイプは、湾曲した圧電結晶を含みます。これらが大規模なテスト アプリケーションに実装されていることがわかります。

さらに、遅延材探触子、接触探触子、二振動子探触子、液浸探触子、斜角探触子を利用できます。もちろん、これらのさまざまなタイプには、非破壊検査アプリケーションがあります。

アプリケーション

超音波プローブには、超音波トランスデューサが含まれています。

超音波トランスデューサは、幅広い分野でさまざまな用途があります。以下にその一部をリストします。

• 医療分野における診断検査、がん治療、心臓と目の検査、内臓検査
• 物体検出
• ターゲットとオブジェクト間の距離の測定

この画像は、超音波センサーが物体とその距離を検出する方法を示しています。

出典:ウィキメディア コモンズ

• 自動化
• 在庫管理
• 小さな欠点の特定

超音波トランスデューサは軽微な障害を検出できます。

出典:ウィキメディア・コモンズ

• レベルと流量の測定
• 生物医学
• パワー
• 液体レベルの制御と監視
• 製品ライン管理
• 断線検出

長所と短所

長所:

超音波トランスデューサは、固体、液体、または気体を検出できます。以下に、超音波トランスデューサの長所を挙げます。

• あらゆる種類の物質を検出し、さまざまな物質を測定できる
• 温度、ほこり、水によるパフォーマンスへの影響はありません。
• 適切な条件が整えば、あらゆる環境で動作する
• 高い検知間隔の測定値を提供するために一般的に使用されます。

以下は、超音波トランスデューサに関連する短所のリストです:

短所:

高温変動はトランスデューサに影響を与える可能性があります。

• 予測不可能な温度変換の結果として、検出の変化が発生します。
• 高温の変動に非常に敏感
• 柔らかくて薄いため、小さなターゲットの反射を検出できません。

まとめ

非常に便利でよくできた超音波トランスデューサにより、ナビゲーション ロボットの物体回避がはるかに容易になります。また、他のアプリケーションでさまざまな目的を提示します。この場合、これは物体検出と距離測定におけるその役割を確立するのに役立ちます。一般的に言えば、さまざまな環境要因が全体的なパフォーマンスに悪影響を与えることはありません。その結果、ほこり、太陽光、および水によって、超音波パルスが目的地に到達して戻ってくるのが妨げられることはありません。したがって、このコンポーネントはいつでも一貫して動作できます。

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