Ультразвуковые датчики

Ультразвуковой датчик — это устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии в акустические волны ультразвукового диапазона (обычно от 20 кГц до нескольких МГц) и обратно, используемое для бесконтактного измерения расстояния, обнаружения объектов, определения их свойств (например, уровня жидкости) или для неразрушающего контроля материалов. Основой работы датчика является пьезоэлектрический или магнитострикционный эффект.

Принцип действия

Принцип работы большинства ультразвуковых датчиков основан на излучении коротких импульсов ультразвука и приёме отражённого от объекта эха (метод эхолокации). Датчик содержит пьезоэлектрический элемент, который при подаче на него переменного электрического напряжения высокой частоты начинает механически колебаться, генерируя звуковую волну. После излучения импульса датчик переключается в режим приёма. Отражённая от препятствия волна вызывает колебания того же пьезоэлемента, которые преобразуются в электрический сигнал. Время между излучением и приёмом сигнала (время задержки) прямо пропорционально расстоянию до объекта. Расстояние рассчитывается по формуле: d = (v * t) / 2, где v — скорость звука в среде (в воздухе при 20 °C — около 343 м/с), t — измеренное время.

Классификация

Ультразвуковые датчики классифицируются по нескольким признакам.

По типу конструкции

• Пьезоэлектрические — наиболее распространённый тип. В качестве активного элемента используется пьезокерамика (например, цирконат-титанат свинца). Отличаются высокой чувствительностью, компактностью и низкой стоимостью.
• Магнитострикционные — используют ферромагнитные материалы, изменяющие свои размеры под действием магнитного поля. Применяются в основном в промышленных установках для измерения больших расстояний и уровней в агрессивных средах, где требуется высокая мощность излучения.
• Электростатические (конденсаторные) — основаны на изменении ёмкости между подвижной мембраной и неподвижным электродом под действием звукового давления. Используются реже, в основном для специальных акустических измерений.

По типу применения

• Датчики расстояния и присутствия — работают в воздушной среде, измеряют расстояние до объекта (от нескольких сантиметров до десятков метров). Широко применяются в робототехнике, автоматизации, системах парковки автомобилей.
• Датчики уровня — используются для бесконтактного измерения уровня жидкостей и сыпучих материалов в резервуарах, цистернах, силосах. Могут работать в условиях агрессивных сред, пыли и пара.
• Датчики для неразрушающего контроля (дефектоскопы) — работают в твёрдых средах (металл, пластик, бетон) на высоких частотах (от 0,5 до 25 МГц). Позволяют выявлять внутренние дефекты (трещины, раковины, расслоения) и измерять толщину стенок.
• Медицинские ультразвуковые датчики — используются в диагностической визуализации (УЗИ). Работают на частотах от 1 до 20 МГц, формируют изображение внутренних органов и тканей.

По числу активных элементов

• Одноэлементные — один пьезоэлемент выполняет функции и излучателя, и приёмника. Просты и дёшевы, но имеют ограниченный угол обзора и чувствительность.
• Многоэлементные (фазированные решётки) — состоят из десятков и сотен пьезоэлементов, управляемых независимо. Позволяют формировать направленный луч, сканировать пространство и создавать двух- или трёхмерные изображения. Используются в медицинской диагностике и промышленной дефектоскопии.

Основные характеристики

Ключевыми параметрами ультразвуковых датчиков являются:

• Рабочая частота — определяет разрешающую способность и дальность действия. Низкие частоты (20–50 кГц) обеспечивают большую дальность, но низкое разрешение; высокие частоты (200 кГц — 5 МГц) — высокое разрешение, но малую дальность.
• Дальность действия — максимальное расстояние, на котором датчик способен надёжно обнаружить объект. Зависит от мощности излучения, частоты, свойств среды и отражающей способности объекта.
• Угол обзора — ширина диаграммы направленности, в пределах которой датчик эффективно принимает отражённый сигнал. Обычно составляет от 5° до 60°.
• Разрешающая способность — минимальное различие в расстоянии, которое может быть измерено. Зависит от частоты и длительности импульса.
• Погрешность измерения — точность определения расстояния. Для большинства промышленных датчиков составляет от 0,1 до 1 % от измеряемого значения.
• Температурный диапазон — большинство датчиков работают от -40 до +85 °C. Скорость звука в воздухе зависит от температуры, что требует компенсации.

Применение

Ультразвуковые датчики находят применение в самых разных областях.

Промышленность и автоматизация

• Системы контроля уровня жидкости и сыпучих материалов в резервуарах, бункерах, цистернах.
• Датчики присутствия для обнаружения объектов на конвейерах, в упаковочных машинах, на сборочных линиях.
• Бесконтактные измерители расстояния для позиционирования роботов, кранов, штабелёров.
• Неразрушающий контроль качества сварных швов, труб, листового проката.

Автомобильная промышленность

• Парковочные радары (парктроники) — датчики, устанавливаемые в бамперы автомобилей, для обнаружения препятствий при маневрировании.
• Системы помощи при парковке и автоматической парковки.
• Датчики слепых зон для контроля боковых зон автомобиля.

Медицина

• Ультразвуковая диагностика (УЗИ) — визуализация внутренних органов, плода, сосудов.
• Допплерография — измерение скорости кровотока.
• Физиотерапия — ультразвуковое воздействие для лечения воспалительных процессов и травм.

Робототехника и бытовая техника

• Навигационные системы мобильных роботов (пылесосы, газонокосилки, дроны) для построения карт и объезда препятствий.
• Датчики уровня воды в стиральных машинах, посудомоечных машинах, увлажнителях воздуха.
• Системы автоматического открывания дверей и ворот.

Охрана и безопасность

• Охранные датчики движения, реагирующие на изменение акустической картины в помещении.
• Системы обнаружения протечек газа и воды.

Преимущества и недостатки

Преимущества:

• Бесконтактное измерение — не повреждает объект и не требует его остановки.
• Работа в условиях запылённости, задымлённости, тумана, пара и агрессивных сред, где оптические датчики (лазерные, инфракрасные) неэффективны.
• Низкая стоимость и простота интеграции.
• Возможность измерения расстояния до прозрачных, блестящих и тёмных объектов.
• Высокая надёжность и долговечность (отсутствие движущихся частей).

Недостатки:

• Зависимость скорости звука от температуры, влажности и давления воздуха, что требует калибровки или компенсации.
• Ограниченная точность при измерении на малых расстояниях (менее 5–10 см) из-за «мёртвой зоны» (время затухания собственных колебаний датчика после излучения импульса).
• Невозможность работы в вакууме (звук не распространяется).
• Чувствительность к акустическим шумам и помехам от других ультразвуковых источников.
• Ограниченная разрешающая способность по сравнению с лазерными дальномерами.

История

Первые работы по использованию ультразвука для обнаружения объектов относятся к началу XX века. В 1912 году, после гибели «Титаника», появились идеи использования эхолокации для обнаружения айсбергов. В 1915 году французский физик Поль Ланжевен создал первый ультразвуковой гидролокатор, использовавший пьезоэлектрический эффект. В 1920-х годах ультразвук начали применять в металлургии для дефектоскопии. В 1950-х годах появились первые промышленные ультразвуковые датчики для измерения уровня. В 1960-х годах началось активное внедрение ультразвуковой диагностики в медицину. С развитием микроэлектроники в 1980–1990-х годах ультразвуковые датчики стали компактными, дешёвыми и массово применяемыми в бытовой и автомобильной технике.

Интересные факты

• Некоторые животные (летучие мыши, дельфины, киты) используют ультразвуковую эхолокацию для ориентации в пространстве и охоты. Человек заимствовал этот принцип для создания технических систем.
• В России ультразвуковые датчики широко применяются в системах автоматизации нефтегазовой отрасли, где они работают в условиях низких температур (до -60 °C) и высокого давления.
• Современные медицинские ультразвуковые датчики могут работать на частотах до 50 МГц, что позволяет визуализировать отдельные клетки и капилляры.
• Для повышения точности в сложных условиях (например, в резервуарах с пеной) используются датчики с адаптивной обработкой сигнала, которые автоматически подстраивают параметры излучения.

Источники

• ГОСТ Р 52931-2008 «Приборы контроля и регулирования технологических процессов. Общие технические условия».
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Том 7. Теория упругости. — М.: Наука, 1987.
• Клюев В. В. Неразрушающий контроль и диагностика: Справочник. — М.: Машиностроение, 2005.
• Справочник по ультразвуковой диагностике / Под ред. В. А. Сандрикова. — М.: Медицина, 2001.
• Техническая документация на ультразвуковые датчики компаний Pepperl+Fuchs, Sick, Banner Engineering.