Los transductores ultrasónicos y los sensores ultrasónicos son dispositivos que generan o detectan energía ultrasónica. Se pueden dividir en tres amplias categorías: transmisores, receptores y transceptores. Los transmisores convierten las señales eléctricas en ultrasonidos , los receptores convierten los ultrasonidos en señales eléctricas y los transceptores pueden transmitir y recibir ultrasonidos.
Aplicaciones y rendimiento
El ultrasonido se puede utilizar para medir la velocidad y la dirección del viento ( anemómetro ), el nivel de fluido del tanque o canal y la velocidad a través del aire o el agua. Para medir la velocidad o la dirección, un dispositivo utiliza varios detectores y calcula la velocidad a partir de las distancias relativas a las partículas en el aire o el agua. Para medir el nivel del líquido del tanque o canal , y también el nivel del mar ( mareógrafo ), el sensor mide la distancia ( rango ) a la superficie del fluido. Otras aplicaciones incluyen: humidificadores , sonar , ecografía médica , alarmas antirrobo , pruebas no destructivas y carga inalámbrica .
Los sistemas suelen utilizar un transductor que genera ondas sonoras en el rango ultrasónico, por encima de 18 kHz, convirtiendo la energía eléctrica en sonido, luego, al recibir el eco, transforma las ondas sonoras en energía eléctrica que se puede medir y visualizar.
Esta tecnología también puede detectar objetos que se acercan y rastrear sus posiciones. [1]
El ultrasonido también se puede utilizar para realizar mediciones de distancia de punto a punto transmitiendo y recibiendo ráfagas discretas de ultrasonido entre transductores. Esta técnica se conoce como Sonomicrometría donde el tiempo de tránsito de la señal de ultrasonido se mide electrónicamente (es decir, digitalmente) y se convierte matemáticamente a la distancia entre transductores asumiendo que se conoce la velocidad del sonido del medio entre los transductores. Este método puede ser muy preciso en términos de resolución temporal y espacial porque la medición del tiempo de vuelo puede derivarse del seguimiento de la misma forma de onda incidente (recibida) ya sea por nivel de referencia o por cruce por cero. Esto permite que la resolución de la medición supere con creces la longitud de onda de la frecuencia del sonido generada por los transductores.
Transductores
Los transductores ultrasónicos convierten la CA en ultrasonido , así como a la inversa. Ultrasonidos, generalmente se refiere a transductores piezoeléctricos o transductores capacitivos . Los cristales piezoeléctricos cambian de tamaño y forma cuando se aplica un voltaje ; El voltaje de CA hace que oscilen a la misma frecuencia y produzcan un sonido ultrasónico. Los transductores capacitivos utilizan campos electrostáticos entre un diafragma conductor y una placa de respaldo.
El patrón de haz de un transductor puede determinarse por el área y la forma del transductor activo, la longitud de onda del ultrasonido y la velocidad del sonido del medio de propagación. Los diagramas muestran los campos de sonido de un transductor ultrasónico enfocado y desenfocado en el agua, claramente a diferentes niveles de energía.
Dado que los materiales piezoeléctricos generan un voltaje cuando se les aplica fuerza, también pueden funcionar como detectores ultrasónicos. Algunos sistemas utilizan transmisores y receptores separados, mientras que otros combinan ambas funciones en un solo transceptor piezoeléctrico.
Los transmisores de ultrasonido también pueden utilizar principios no piezoeléctricos. como la magnetoestricción. Los materiales con esta propiedad cambian ligeramente de tamaño cuando se exponen a un campo magnético y hacen prácticos transductores.
Un micrófono de capacitor ("condensador") tiene un diafragma delgado que responde a las ondas de ultrasonido. Los cambios en el campo eléctrico entre el diafragma y una placa de respaldo poco espaciada convierten las señales de sonido en corrientes eléctricas, que pueden amplificarse.
El principio de diafragma (o membrana) también se utiliza en los transductores ultrasónicos micromecanizados (MUT) relativamente nuevos. Estos dispositivos se fabrican utilizando tecnología de micromecanizado de silicio (tecnología MEMS ), que es particularmente útil para la fabricación de matrices de transductores. La vibración del diafragma se puede medir o inducir electrónicamente usando la capacitancia entre el diafragma y una placa de respaldo poco espaciada ( CMUT ), o agregando una capa delgada de material piezoeléctrico en el diafragma ( PMUT ). Alternativamente, una investigación reciente mostró que la vibración del diafragma se puede medir mediante un pequeño resonador de anillo óptico integrado dentro del diafragma (OMUS). [2] [3]
Los transductores ultrasónicos también se utilizan en levitación acústica. [4]
Uso en medicina
Los transductores ultrasónicos médicos (sondas) vienen en una variedad de formas y tamaños diferentes para usar en la toma de imágenes transversales de varias partes del cuerpo. El transductor puede usarse en contacto con la piel, como en las imágenes de ultrasonido fetal, o insertarse en una abertura del cuerpo , como el recto o la vagina . Los médicos que realizan procedimientos guiados por ultrasonido a menudo usan un sistema de posicionamiento de sonda para sostener el transductor ultrasónico.
Uso en la industria
Los sensores ultrasónicos pueden detectar el movimiento de los objetivos y medir la distancia a ellos en muchas fábricas automatizadas y plantas de proceso. Los sensores pueden tener una salida digital encendida o apagada para detectar el movimiento de objetos, o una salida analógica proporcional a la distancia. Pueden sentir el borde del material como parte de un sistema de guía de banda .
Los sensores ultrasónicos se utilizan ampliamente en los automóviles como sensores de estacionamiento para ayudar al conductor a dar marcha atrás en los espacios de estacionamiento. Se están probando para una serie de otros usos automotrices, incluida la detección ultrasónica de personas y la asistencia en la navegación autónoma de UAV . [ cita requerida ]
Debido a que los sensores ultrasónicos utilizan sonido en lugar de luz para la detección, funcionan en aplicaciones donde los sensores fotoeléctricos pueden no hacerlo. Los ultrasonidos son una gran solución para la detección de objetos transparentes y para la medición del nivel de líquidos, aplicaciones con las que los fotoeléctricos luchan debido a la translucidez del objetivo. Además, el color o la reflectividad del objetivo no afectan a los sensores ultrasónicos, que pueden funcionar de manera confiable en entornos con mucho deslumbramiento.
Se pueden usar sensores ultrasónicos pasivos para detectar fugas de gas o líquido a alta presión u otras condiciones peligrosas que generan sonido ultrasónico. En estos dispositivos, el audio del transductor (micrófono) se convierte al rango de audición humana.
Los emisores ultrasónicos de alta potencia se utilizan en dispositivos de limpieza ultrasónica disponibles comercialmente . Un transductor ultrasónico se fija a una bandeja de acero inoxidable que se llena con un solvente (frecuentemente agua o isopropanol ). Una onda cuadrada eléctrica alimenta el transductor, creando un sonido en el solvente lo suficientemente fuerte como para causar cavitación .
La tecnología ultrasónica se ha utilizado para múltiples propósitos de limpieza. Uno de los que está ganando una buena cantidad de tracción en la última década es la limpieza de armas por ultrasonidos.
Las pruebas ultrasónicas también se utilizan ampliamente en metalurgia e ingeniería para evaluar la corrosión, las soldaduras y los defectos de los materiales mediante diferentes tipos de escaneos.
Referencias
- ^ Carotenuto, Riccardo; Merenda, Massimo; Iero, Demetrio; Della Corte, Francesco G. (julio de 2019). "Un sistema ultrasónico interior para el posicionamiento autónomo en 3D". Transacciones IEEE sobre instrumentación y medición . 68 (7): 2507-2518. doi : 10.1109 / TIM.2018.2866358 .
- ^ Westerveld, Wouter J (2014). Resonadores de microanillos fotónicos de silicio para detectar tensión y ultrasonido (Ph.D.). Universidad Tecnológica de Delft. doi : 10.4233 / uuid: 22ccedfa-545a-4a34-bd03-64a40ede90ac . ISBN 9789462590793.
- ^ SM Leinders, WJ Westerveld, J. Pozo, PLMJ van Neer, B. Snyder, P. O'Brien, HP Urbach, N. de Jong y MD Verweij (2015). "Un sensor de ultrasonidos óptico sensible micromecanizado (OMUS) basado en un resonador de anillo fotónico de silicio en una membrana acústica" . Informes científicos . 5 : 14328. Código Bibliográfico : 2015NatSR ... 514328L . doi : 10.1038 / srep14328 . PMC 4585719 . PMID 26392386 .Mantenimiento de CS1: utiliza el parámetro de autores ( enlace )
- ^ Vieira, Silvio L .; Andrade, Marco AB (2020). "Frecuencias de resonancia traslacional y rotacional de un disco en un levitador acústico de un solo eje". дщд . Código Bib : 2020JAP ... 127v4901V .
Otras lecturas
- Escolà, Alexandre; Planas, Santiago; Rosell, Joan Ramon; Pomar, Jesús; Camp, Ferran; Solanelles, Francesc; Gracia, Felip; Llorens, Jordi; Gil, Emilio (28 de febrero de 2011). " Rendimiento de un sensor de rango ultrasónico en marquesinas de árboles de manzana". Sensores . 11 (3): 2459–2477. doi: 10.3390 / s110302459. ISSN 1424-8220. PMC 3231637. PMID 22163749 .