CC BY
67Компоненты и технологии, № 3'2004
Ультразвуковые преобразователи
фирмы Бепсега
Анатолий Бербенец
berben@efo.ru
©
‘ ■ {
Введение
Ультразвуковые воздушные преобразователи давно и широко применяются для измерения дистанции, бесконтактного определения присутствия, в системах определения сближения, системах предупреждения столкновений на транспорте. В таких устройствах преобразователем излучается короткий ультразвуковой импульс по направлению к цели, которая отражает звук (эхо) обратно к преобразователю. После приема отраженного импульса электронная система измеряет время, за которое он возвратился, и вычисляет дистанцию до цели на основе известной скорости распространения звука в среде (воздухе).
Имеющиеся на современном рынке микроэлектроники ультразвуковые преобразователи отличаются друг от друга конструктивно-технологическими вариантами: материалами используемой пьезокерамики, материалом корпуса, присоединительными размерами, степенью защиты от внешней среды, электрическими характеристиками. С акустической точки зрения они работают на различных частотах, имеют разные характеристики направленности. Для правильного выбора ультразвукового преобразователя в конкретном приложении помимо технических характеристик необходимо учитывать взаимосвязи (тонкости) акустических характеристик среды и цели, а также их влияние на работу преобразователя. Главные из этих взаимосвязей следующие:
• Функциональная зависимость скорости звука от температуры и состава среды (воздуха) и влияние этих характеристик на точность и разрешающую способность преобразователя.
• Функциональная зависимость длины звуковой волны от скорости звука и частоты и ее влияние на минимальный определяемый размер цели или минимальную (максимальную) дистанцию до цели.
• Функциональная зависимость затухания звука от его частоты и от влажности воздушной среды и их влияние на максимальную дальность определения цели.
• Функциональная зависимость величины фонового шума от частоты и его влияние на характеристики по дальности и разрешению.
• Характеристики направленности как преобразователя отдельно, так и системы на его (их) основе в целом и их влияние на дальность и избирательность по цели.
• Функциональная зависимость амплитуды эха от характеристик цели: дальности до нее, размера, формы поверхности и ее отражающей способности.
В качестве иллюстрации приведем несколько фундаментальных зависимостей, связанных с распространением звука в воздушной среде. Например, скорость звука в воздухе при температуре 0 °С составляет 331м/с, в углекислом газе — 258 м/с. Температурная зависимость скорости звука в воздухе приведена на рис. 1 (скорость звука при комнатной температуре равна 343 м/с).
Еще одна основополагающая формула — зависимость длины звуковой волны от скорости звука и его частоты:
X = с/Я
где X — длина волны, с — скорость звука в среде, Я — частота.
График зависимости длины звуковой волны в воздухе от частоты при комнатной температуре приведен на рис. 2.
Из графика видно, что для преобразователя 40 кГц длина волны составляет приблизительно
0,8 см, а для частоты 250 кГц — 0,13 см. Это объясняет, почему для точного измерительного инструмента (например, ультразвуковой электронной рулетки) используют более высокочастотные преобразователи 120-250 кГц. В то же время для приложений, где точное измерение дистанции не требуется, например, в системах обнаружения препятствий позади автомобиля, применяют преобразователи 40 кГц. Более того, низкочастотный преобразователь (40 кГц) имеет преимущество для последнего приложения в связи с тем, что затухание звука с частотой 40 кГц в воздухе меньше, чем для частоты 250 кГц. Это свойство иллюстрирует еще од-
381
368
356
368
330
0 10 20 30 40 50 60 70
Температура (°С)
Рис. 1. Зависимость скорости звука в воздухе от температуры в м/с
Компоненты и технологии, № 3'2004
40 50 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250
Частота, кГц
Рис. 2. Зависимость длины звуковой волны в воздухе от частоты при комнатной температуре
4.5 ей ; з о 2,5 ь го 1.5 1 0,5
4050 70 90 110 130 150 170 190 210 230 250 Частота, кГц Рис. 3. Максимальное затухание звука в воздухе при комнатной температуре, фиксированной влажности для частот 40-250 кГц
на фундаментальная зависимость теории и практики преобразователей — зависимость затухания звука при распространении в воздухе от частоты колебаний и влажности воздуха (рис. 3). Видно, что затухание звука с частотой 40 кГц более чем в 4 раза меньше, чем для частоты 250 кГц, при расчете на 1 фут и при всех остальных фиксированных параметрах.
Более подробно с функциональными зависимостями, необходимыми для расчета и выбора характеристик воздушных преобразователей для различных применений можно ознакомиться в специальной литературе [1-7].
Воздушные преобразователи фирмы Sencera
Большинство ультразвуковых преобразователей, входящих в состав промышленно выпускаемых приборов и систем измерения малой мощности, работают в диапазоне частот от 40 до 250 кГц. Ведущими разработчиками и производителями ультразвуковых преобразователей самого разнообразного применения (в том числе и рассматриваемого) являются американские компании APC International, Parsonics, Massa Products, Honeywell. В последние годы в этой области активно работают и фирмы из ЮгоВосточной Азии, одной из которых является тайваньская Sencera.
Рассматриваемые в статье ультразвуковые преобразователи (УП) относятся к разряду относительно недорогих пьезокерамических преобразователей нижнего ультразвукового диапазона (25-40 кГц) широкого применения, работающие в воздушной среде. Несмотря на невысокую цену, преобразователи, благодаря используемым конструктивнотехнологическим решениям, имеют хорошие электрические и механические характеристики, что является серьезной предпосылкой получения надежных радиоэлектронных изделий широкого применения на их основе. Основные характеристики преобразователей приведены в таблице 1, где для сравнения также приведены параметры аналогичных устройств американского и российского производства.
УП фирмы Sencera предназначены для работы в воздушной среде, но, по-видимому,
могут быть использованы и для работы в неагрессивной газовой среде с характеристиками, подобными воздушной и, естественно, с учетом скорости распространения звука в конкретной среде. Имеется два конструктивных исполнения преобразователей производства фирмы Sencera — открытое, где внешняя воздушная среда имеет непосредственный контакт с пьезокерамическим излучателем, и закрытое, где излучающий-принима-ющий пьезопреобразователь отделен от воздушной среды герметичным корпусом. УП, вследствие присущей пьезокерамике обратимости, работают как в режиме излучения, так и в режиме приема, хотя для конструктивного исполнения открытого типа приемники и передатчики изготавливаются в разных корпусах с согласованными характеристиками по центральной частоте и ширине полосы пропускания. Простые на первый взгляд пьезокерамические преобразователи, имеющие всего два вывода, являются сложной электромеханической системой и характеризуются набором параметров, необходимых для конструктивных и электрических расчетов систем на их основе.
Основные характеристики УП:
• Центральная частота (кГц) — резонансная частота (обычно частота, соответствующая минимальному импедансу электромеханической системы) на которой происходит излучение и прием. Для некоторых типов УП в качестве центральной частоты используется антирезонансная частота, измеряемая при максимальном импедансе.
• Полоса пропускания (кГц) — ширина полосы пропускания относительно центральной частоты, измеренная по уровню -6 дБ (-3 дБ).
• Уровень звукового давления или интенсивность звука (дБ) — величина звукового давления, создаваемого излучателем в точке измерения на заданном расстоянии, отнесенная к опорному уровню звукового давления, принятому за 0 дБ (стандартно
1 мкПа). В акустике звуковое давление обычно измеряют в децибелах из-за его широкого динамического диапазона. Звуковое давление измеряют в микропаскалях (мкПа) или в микробарах (мкбар) на нормируемом расстоянии И0 от датчика, равном 30 см. Уровень звукового давления ^РЬ), измеренный на нормированном
расстоянии И0, затем переводится в дБ по отношению к 1мкПа (1мкбар) по следующей формуле:
SPL(Ro) = 20 1се(р)
где SPL(R0) — уровень звукового давления на расстоянии R0 в дБ/1 мкПа (дБ/1 мкбар), Р — звуковое давление на расстоянии R0 в мкПа (мкбар). Иногда для удобства измерений используется опорный уровень давления р=20 мкПа.
• Чувствительность (дБ) характеризует возможности УП как приемника. Определяется как величина напряжения на выводах УП, отнесенная к измеренной величине звукового давления на поверхности преобразователя, выраженная в децибелах относительно опорной величины 10 В/Па.
• Емкость (пФ) — величина собственной емкости преобразователя, измеренная на частоте 1 кГц.
• Импеданс (Ом) — величина активного сопротивления преобразователя на резонансной частоте.
• Максимальное входное напряжение (В) — предельная величина переменного напряжения, приложенного к выводам УП в течение заданного времени.
• Ширина диаграммы направленности (град) — ширина лепестка характеристики направленности (пример на рис. 4), измеренная по уровню -6 дБ (или -3 дБ).
• Диапазон рабочих температур (°С) — диапазон температур, в котором гарантированно обеспечивается работоспособность устройства.
Существует также множество других параметров преобразователей — как электрических, так и эксплуатационных, которые приводятся в документации на изделие. Это, например, рекомендуемый рабочий диапазон по дальности; характеристики стандартной цели (размеры, материал); величина «мертвой зоны»; габаритные размеры преобразователя; срок службы; материал корпуса; условия работы по влажности, вибрации и т. п.
Дополнительно к данным, приведенным в таблице, преобразователи Sencera имеют следующие характеристики:
• ширина полосы пропускания (-6 дБ) 1,2 кГц;
• диапазон рабочих напряжений 20-150 В (ампл.).
Компоненты и технологии, № 3'2004
тчп 360_ то
200
170
Рис. 4. Диаграмма направленности воздушного преобразователя 40CA-18SC APC Corp.
Ширина диаграммы направленности по уровню -6 дБ = 72°
SPL в дБ (0 дБ = 0,0002 мкбар]
шаг 10 дБ, центральная окружность = 60 дБ
Условия измерений: воздух, расст. 30 см, 10 В RMS
Таблица 1
Конструктивное исполнение
Как уже упоминалось выше, существует
2 конструктивных исполнения УП Беисега — открытое и герметичное. Преобразователи имеют обозначение вида:
ТИ 40 10 Т 1
(1) (2) (3) (4) (5) где:
(1) ТИ — для исполнений только передатчик/ только приемник (для УП открытого типа); ЕС — для комбинированного исполнения передатчик + приемник в одном корпусе;
(2) 40 — центральная частота, кГц;
(3) 10 — диаметр преобразователя в мм;
(4) Т — передатчик, И: приемник;
(5) 1 — порядковый номер разработки.
Все преобразователи выполнены в цилиндрических корпусах диаметром от 10 до 18 мм и высотой от 7 до 12 мм с двумя выводами для подключения. Материал корпуса либо АВБ, либо алюминий (для герметичных исполнений). Влияние отдельных внешних факторов на чувствительность преобразователей приведено в таблице 2.
Применение
Ультразвуковые преобразователи, как уже упоминалось, выполняют в системах две основные функции — излучение ультразвукового импульса и прием отраженного от препятствия или границы двух сред разной плотности сигнала (или сигналов). В соответствии с этими функциями электронная система, реализующая эхолокатор, состоит из следующих основных блоков: передатчик, коммутатор «прием-передача» (для варианта, когда один и тот же преобразователь работает в режимах приема и передачи), усилитель-приемник, генератор тактовой частоты, формирователь зондирующих импульсов, формирователь длительности дистанции, схема измерения времени задержки эхосиг-нала. На современном этапе развития электроники такая система может быть легко реализована с минимальным количеством
Модель преобра- зователя Центральная частота, кГц Уровень звукового давления, дБ Чувстви- тельность, дБ Емкость, пФ Характеристика направленности, град Фирма- изготовитель Примечание
TR4010T1 40±1 >110 1700±30% Sencera передатчик
TR4010R1 40±1 < -70 1700±30% Sencera приемник
TR4010T2 40±1 >110 1700±30% Sencera передатчик
TR4010R2 40±1 < -70 1700±30% 80 Sencera приемник
TR4012T1 40±1 >110 1700±30% Sencera передатчик
TR4012R1 40±1 < -70 1700±30% Sencera приемник
TR4016T1 40±1 >120 1700±30% Sencera передатчик
TR4016R1 40±1 < -63 1700±30% 54 Sencera приемник
TR2516T1 25±1 >115 2000±30% Sencera передатчик
TR2516R1 25±1 < -66 2000±30% Sencera приемник
EC4010 40±1 >98 < -67 2000±30% 44 Sencera приемник-передатчик
EC4012 40±1 >100 < -67 2000±30% 44 Sencera приемник-передатчик
EC4014 40±1 >100 < -67 2000±30% Sencera приемник-передатчик
EC4016 40±1 >100 < -65 2000±30% Sencera приемник-передатчик
EC4018 40±1 >100 < -65 2000±30% Sencera приемник-передатчик
40CA-25E 40±1 >106 < -74 1950±20% 25 APC приемник-передатчик
40CA-18SC 40±1 >100 < -80 1950±20% 72 APC приемник-передатчик
40T-16P 40±1 >119 < -65 1900±30% 34 APC передатчик
40R-16P 40±1 >119 < -65 1900±30% APC приемник
TR-89B/31 31±2 >55 < -41 - 34 Massa приемник-передатчик
TR-89B/40 40±2 >55 < -50 - 30 Massa приемник-передатчик
МУП-3 37-45 100 20 мВ/Па 1300 74 Элпа приемник-передатчик
МУП-4 37-45 100 10 мВ/Па 2500 70 Элпа приемник-передатчик
Таблица 2
Наименование Условия Пределы изменения чувствительности УП
Диапазон температур -20... +70 °С 10 дБ
Влажность 40±2 °С, 90% 1?Н, 2 часа 4 дБ
Ударное воздействие Удар 50д, направление: 3 перпендикулярных направления. Продолжительность: 3 раза 4 дБ
Вибрационное воздействие Направление: 3 перпендикулярных направления. Продолжительность: 1000 циклов воздействия гармонической частоты с параметрами: а) амплитуда вибрации 1,5 мм; б) качание частоты 10-50-10 Гц с интервалом 1 мин. 4 дБ
компонентов на базе недорогого 8-разрядного микроконтроллера или даже в виде конфигурируемой системы на кристалле. Для конкретных приложений необходимо учитывать влияние дополнительных конструктивных элементов на параметры преобразователей, их взаимное влияние при работе в режимах прием-передача, наличие или отсутствие турбулентностей воздушной среды, «мертвых зон» и т. п.
В качестве законченного изделия массового применения, в котором использованы ультразвуковые воздушные преобразователи, можно привести так называемую систему безопасной парковки автомобилей фирмы Coligen (www.m12v.auto.ru). Внешний вид изделия приведен на рис. 5.
Система состоит из следующих компонентов:
• ультразвуковые датчики закрытого типа— 3 шт.;
• блок управления в металлическом корпусе;
• звуковой излучатель (бипер).
По данным производителя, система позволяет определять расстояние до препятствия с точностью до 5 см. Приближение препятствия индицируется звуковым сигналом с ха-
Компоненты и технологии, № 3'2004
рактером звучания от прерывистого до постоянного. Диаграмма направленности датчиков, установленных на бампере автомобиля в соответствии с инструкцией, в горизонтальной и вертикальной плоскостях приведена на рис. 6.
Из рис. 6 ясно, что система начинает «видеть» препятствие на расстоянии около 1,2 м. При этом звуковой индикатор подает редкие звуковые сигналы. При приближении к препятствию на расстояние 0,5 м звуковой сигнал звучит непрерывно. Характеристика диаграммы направленности в вертикальной плоскости помогает правильно выбрать высоту установки датчиков от по-
верхности земли для уменьшения величины «мертвой зоны».
Заключение
Ультразвуковые воздушные преобразователи, выпускающиеся в мире миллионами штук (например, TR89 от Massa Corp.) занимают свою нишу в области точных бесконтактных измерений расстояний, определения приближений в производственных процессах (например, на конвейере), бесконтактного определения уровня жидкостей и сыпучих тел в больших емкостях, в качестве датчиков систем безопасности, систем
предупреждения столкновений на транспорте, игрушках и т. п.
Область применения в большой степени определяет жесткость требований, предъявляемых к технико-экономическим характеристикам преобразователей.
Рассмотренные воздушные преобразователи Sencera находятся в середине рассмотренных обзорно в данной статье преобразователей по критерию «качество-надежность-цена», являются хорошим выбором для применений в системах предупреждения столкновений, датчиках приближений, измерений уровня жидкостей, в системах безопасности. НМ
Литература
1. Frank Massa. Ultrasonics in Industry. Fiftieth Anniversary Issue, Proc IRE. May 1992.
2. Donald P. Massa. An Automatic Ultrasonic Bowling Scoring System // Sensors. Vol. 4. No. 10. Oct. 1987.
3. Paul A. Shirley. An Introduction to Ultrasonic Sensing // Sensors. Vol. 6. No. 11. Nov. 1989.
4. Frank Massa. Ultrasonic Transducers for Use in Air // Proc IEEE. Vol. 53. No. 10. Oct. 1965.
5. Leo L. Beranek. Acoustic Properties of Gases. American Institute of Physics HandBook, 3rd Ed. (Section 3d), McGraw-Hill.
6. HandBook of Chemistry and Physics. 45th Ed. 1964.
7. L. B. Evans and Bass. Tables of Absorption and Velocity of Sound in Still Air at 68°F. Wyle Laboratories, Report WR72-2. Jan. 1972.
