Princípios, características e aplica??es de sensores ultrass?nicos

Princípios, características e aplica??es de sensores ultrass?nicos

Sensor Rika

Sensores ultrass?nicos s?o sensores que convertem sinais ultrass?nicos em outros sinais de energia (geralmente sinais elétricos). O ultrassom é uma onda mec?nica com frequência de vibra??o superior a 20 kHz. Possui características como alta frequência, comprimento de onda curto, baixa difra??o e excelente diretividade, podendo se propagar em forma de raios. O ultrassom tem grande capacidade de penetrar líquidos e sólidos, especialmente sólidos opacos à luz solar. Quando a onda ultrass?nica atinge uma impureza ou uma interface, produz uma reflex?o significativa, formando um eco, e pode gerar o efeito Doppler ao atingir um objeto em movimento. Sensores ultrass?nicos s?o amplamente utilizados na indústria, defesa nacional, biomedicina, entre outros.

Classifica??o de sensores ultrass?nicos

Sensor: "Capaz de detectar a pe?a medida especificada e convertê-la em utilizável de acordo com determinadas regras."

Dispositivos ou equipamentos de sinal s?o geralmente compostos por elementos sensíveis e elementos de convers?o. Um sensor é um dispositivo de detec??o capaz de captar informa??es e transformá-las em sinais elétricos ou outras informa??es, de acordo com regras específicas. A saída de informa??es em um formato adequado atende aos requisitos de transmiss?o, processamento, armazenamento, exibi??o, registro e controle de informa??es. ? o elo fundamental para a realiza??o de detec??o e controle automatizados.

Atualmente, n?o existe um método de classifica??o unificado para sensores, mas existem três métodos comumente utilizados:

1. De acordo com a grandeza física medida pelo sensor, ele pode ser dividido em sensores de deslocamento, for?a, velocidade, temperatura, fluxo, composi??o de gás e outros.

2. De acordo com o princípio de funcionamento do sensor, ele pode ser dividido em sensores de resistência, capacit?ncia, indut?ncia, tens?o, efeito Hall, fotoelétrico, grade de difra??o, termopar e outros.

3. De acordo com a natureza do sinal de saída do sensor, ele pode ser dividido em: sensor tipo chave, cuja saída é um valor de comuta??o ("1" e "0" ou "ligado" e "desligado"); sensor de saída analógica; sensor de saída digital de pulso ou código.

Aqui, apresento principalmente um sensor amplamente utilizado no dia a dia e que traz grande comodidade à sociedade humana: o sensor ultrass?nico e sua aplica??o em radares de ré.

Introdu??o básica aos sensores ultrass?nicos

Sensores ultrass?nicos s?o sensores desenvolvidos utilizando as características das ondas ultrass?nicas. Para usar o ultrassom como método de detec??o, é necessário gerar e receber ondas ultrass?nicas. O dispositivo que realiza essa fun??o é um sensor ultrass?nico, também chamado de transdutor ultrass?nico ou sonda ultrass?nica.

As sondas ultrass?nicas s?o compostas principalmente por pastilhas piezoelétricas, que podem transmitir e receber ondas ultrass?nicas. O núcleo da sonda ultrass?nica é um chip piezoelétrico envolto em um revestimento de plástico ou metal. Diversos materiais podem compor a pastilha. Os principais materiais dos sensores ultrass?nicos s?o o cristal piezoelétrico (eletrostri??o) e a liga de níquel-ferro-alumínio (magnetostri??o). Os materiais eletrostritivos incluem o titanato zirconato de chumbo (PZT), entre outros. O sensor ultrass?nico composto por cristal piezoelétrico é um sensor reversível. Ele pode converter energia elétrica em oscila??o mec?nica para gerar ondas ultrass?nicas. Ao mesmo tempo, ao receber ondas ultrass?nicas, também pode convertê-las em energia elétrica, podendo ser classificado como transmissor ou receptor. Alguns sensores ultrass?nicos podem ser usados ??tanto para transmitir quanto para receber. Um sensor ultrass?nico é composto por um sensor transmissor (ou transmissor de ondas), um sensor receptor (ou receptor de ondas), uma unidade de controle e uma unidade de alimenta??o. O sensor transmissor é composto por um transmissor e um transdutor vibratório de cer?mica com cerca de 15 mm de di?metro. A fun??o do transdutor é converter a energia de vibra??o elétrica do vibrador de cer?mica em energia ultrass?nica e irradiá-la para o ar; enquanto o sensor receptor recebe a onda ultrass?nica transmitida pelo vibrador de cer?mica. O transdutor é composto por um amplificador e um circuito amplificador. O transdutor recebe a onda para gerar vibra??o mec?nica e a converte em energia elétrica, que é usada como saída do sensor receptor para detectar a onda ultrass?nica transmitida. A parte de controle regula principalmente a frequência da cadeia de pulsos, o ciclo de trabalho, a modula??o esparsa e a contagem, além da dist?ncia de detec??o enviada pelo transmissor.

Princípio de funcionamento do sensor ultrass?nico

Sensores ultrass?nicos s?o sensores desenvolvidos utilizando as características das ondas ultrass?nicas. Ondas sonoras s?o a forma de propaga??o do estado de vibra??o mec?nica de um objeto. Ultrassom refere-se a ondas sonoras com uma frequência de vibra??o superior a 20.000 Hz. O número de vibra??es por segundo é muito alto, ultrapassando o limite superior da audi??o humana. Essas ondas sonoras inaudíveis s?o chamadas de ultrassom.

O ultrassom é um tipo de oscila??o mec?nica em um meio elástico, que apresenta duas formas: oscila??o transversal (onda transversal) e oscila??o longitudinal (onda longitudinal). A oscila??o longitudinal é utilizada principalmente em aplica??es industriais. As ondas ultrass?nicas podem se propagar em gases, líquidos e sólidos, e suas velocidades de propaga??o s?o diferentes. Além disso, também apresentam fen?menos de refra??o e reflex?o, bem como atenua??o durante a propaga??o.

As leis de propaga??o por reflex?o, refra??o, difra??o e dispers?o de ondas ultrass?nicas em um meio n?o s?o essencialmente diferentes das leis das ondas sonoras audíveis. Comparadas às ondas sonoras audíveis, as ondas ultrass?nicas possuem muitas características peculiares: características de propaga??o — o poder de difra??o das ondas ultrass?nicas é muito baixo. Elas podem se propagar em linha reta em um meio uniforme. Quanto menor o comprimento de onda das ondas ultrass?nicas, mais proeminente essa característica. Características de potência─ ─ Quando o som se propaga no ar, ele empurra as partículas do ar, fazendo-as vibrar para frente e para trás e realizando trabalho sobre elas. Sob a mesma intensidade, quanto maior a frequência da onda sonora, maior a sua potência. Devido à alta frequência das ondas ultrass?nicas, a potência dessas ondas é muito maior em compara??o com as ondas sonoras comuns. Cavita??o─ ─ Quando ondas ultrass?nicas se propagam em um líquido, pequenas cavidades s?o criadas devido à vibra??o intensa das partículas. Essas cavidades se expandem e se fecham rapidamente, causando colis?es violentas entre as partículas, resultando em press?es de milhares a dezenas de milhares de atmosferas. Essa intera??o violenta entre as partículas provoca um aumento repentino da temperatura do líquido, fazendo com que dois líquidos imiscíveis (como água e óleo) se emulsifiquem, acelerando a dissolu??o dos solutos e as rea??es químicas. Os diversos efeitos causados ??pela a??o das ondas ultrass?nicas em um líquido s?o chamados de cavita??o ultrass?nica.

Características do ultrassom:

(1) Quando a onda ultrass?nica está se propagando, a direcionalidade é forte e a energia é fácil de se concentrar;

(2) O ultrassom pode se propagar em diversos meios diferentes e percorrer uma dist?ncia suficientemente longa; (3) A intera??o entre o ultrassom e o meio de transmiss?o sonora é moderada, facilitando a transmiss?o de informa??es sobre o estado do meio de transmiss?o sonora (diagnóstico ou influência sobre o meio de transmiss?o sonora).

Nas revolu??es industriais anteriores da civiliza??o humana, a tecnologia de sensores sempre desempenhou um papel importante como pioneira. ? uma tecnologia fundamental que permeia diversas áreas e campos de aplica??o. Ela está praticamente onipresente em todos os campos imagináveis.

Com o avan?o da tecnologia de sensores, estes evoluir?o de uma fun??o puramente de julgamento para uma fun??o de aprendizado e, eventualmente, para uma fun??o criativa. Olhando para o futuro neste novo século, como um novo tipo de ferramenta muito importante e útil, o sensor ultrass?nico terá um amplo espa?o para desenvolvimento em todos os aspectos, evoluindo na dire??o de posicionamento mais preciso e de alta exatid?o. Para atender às necessidades sociais em constante evolu??o, sensores com um novo design desempenhar?o um papel ainda mais importante.