Základy použití ultrazvukových snímačů pro snímání předmětů nebo proudění tekutin

Internet věcí (IoT) a rozšiřující se role umělé inteligence (AI) na okraji sítě zvýšily zájem o vytváření inteligentnějších aplikací, které více vnímají své okolí. To znamená, že návrháři musí zvažovat vhodné možnosti snímačů. Mnohé z nich mohou využívat dobře zavedené technologie, aby se zamezilo složitosti. Ke snímání přítomnosti blízkých předmětů, a dokonce k určování jejich vzdálenosti, stejně jako k měření průtoku kapalin, se například často používá ultrazvuk.

Výhody ultrazvuku spočívají v tom, že se relativně snadno aplikuje, je přesný, má minimální bezpečnostní a rizikové faktory, nepodléhá žádným regulačním omezením a není omezen přidělováním rádiového (RF) spektra, stejně jako otázkami elektromagnetického rušením (EMI) a vysokofrekvenčního rušení (RFI).

Přestože metodika je dobře zavedena, k plnému využití výhod ultrazvukového snímání potřebují návrháři dobře porozumět jeho provozním principům, dostupným součástem a příslušným požadavkům na obvody. Musí také zvážit architektonické přístupy, například zda použít samostatné vysílací a přijímací jednotky – což umožňuje jejich umístění na různá místa – nebo použít transceiver kombinovaný v jedné jednotce. Nakonec musí poskytnout vhodný elektronický budič a přijímač, který může pracovat na optimální frekvenci pro snímání nebo detekci polohy a snímání průtoku kapalin.

Tento článek poskytuje základní úvod do ultrazvukových snímačů a jejich použití při detekci předmětů a snímání průtoku. Jako příklad jsou uvedena ultrazvuková zařízení v reálném světě od PUI Audio a jsou popsány vhodné integrované obvody budičů a související vývojová souprava umožňující vývoj aplikací.

Jednoduchý princip převzatý z přírody

Ultrazvuková detekce je sofistikovanou verzí základního echolokačního principu, který používají zvířata, například delfíni a netopýři (Obrázek 1).

Obrázek 1: Elektronická akustická detekce a snímání polohy má svůj původ v echolokaci, kterou účinně využívají živí tvorové, například netopýři. (Zdroj obrázku: Wikipedia)

Snímač, což je obvykle piezoelektrické zařízení, generuje během provozu krátký impuls akustické energie. Po skončení pulzu se systém přepne do režimu příjmu a čeká na odraz (ozvěnu) tohoto pulzu. Když přenášená akustická energie narazí na impedanční přechod nebo nesouvislost, například mezi vzduchem a pevným předmětem, část této energie se odrazí a lze ji detekovat, obvykle piezoelektrickým zařízením.

Akustická impedance je založena na hustotě a akustické rychlosti daného materiálu, a je důležité určit míru odrazu, ke kterému dochází na rozhraní dvou materiálů majících různou akustickou impedanci.

Podíl energie, která se odrazí, je funkcí typu materiálu a jeho absorpčního koeficientu, stejně jako rozdílu impedance na rozhraní mezi materiály. Tvrdé materiály, například kámen, cihly nebo kov, odrážejí více než měkké materiály, jako například tkanina nebo polštář.

Akustická impedance vzduchu je o čtyři řády menší, než u většiny kapalin nebo pevných látek. Výsledkem je, že většina ultrazvukové energie se odráží do snímače na základě velkého rozdílu v koeficientech odrazu. Akustický průřez je metrický, analogický s radarovým průřezem, a je určen materiálem a velikostí cílového objektu.

Tato detekce a snímání vzdálenosti jsou podobné tomu, co se stane, když radarová RF energie nebo optická energie lidaru narazí na impedanční diskontinuitu a část této energie se odrazí zpět ke zdroji. I když celkový koncept je stejný, je zde velký rozdíl: ultrazvuková energie není elektromagnetická energie. Její využití frekvenčního spektra není regulováno a má jen velmi málo omezení. Jedním z relevantních omezení je nadměrná hladina akustického tlaku (SPL = sound pressure level), což pro aplikace snímání a detekce obecně není relevantní, protože většina z nich pracuje s poměrně nízkými úrovněmi výkonu.

Na propagaci a médiích záleží

Je tu ještě jeden velký rozdíl: ultrazvukové snímání a detekci lze použít pouze v médiu umožňujícím šíření, například ve vzduchu, jiných plynech nebo kapalinách. Charakteristiky útlumu a šíření akustické energie různými médii jsou opakem těchto charakteristik u RF a optické energie. Akustická energie se dobře šíří kapalinami, zatímco RF energie obecně ne. Optická energie má ve většině kapalin také vysoký útlum. Dále, na rozdíl od akustické energie, jak RF, tak optická energie mají nízký útlum ve vakuu.

Ve své nejjednodušší implementaci se ultrazvukový systém používá výhradně k detekci přítomnosti nebo nepřítomnosti předmětů nebo osob v celkové zóně zájmu pomocí detekce zpětného signálu dostatečné síly. Přidáním měření časování lze také určit vzdálenost k cíli.

V sofistikovanějších systémech, kde se musí vypočítat i vzdálenost k předmětu, lze použít jednoduchou rovnici: vzdálenost = ½ (rychlost × čas), za použití doby zpáteční cesty mezi emitovaným impulsem a přijatým odrazem a stanovenou rychlostí zvuku ve vzduchu, což je přibližně 343 metrů za sekundu (m/s) při +20 °C (+68 °F). Pokud je médiem kapalina nebo jiný plyn než vzduch, je nutno použít vhodnou rychlost šíření.

Pamatujte, že rychlost zvuku ve vzduchu se mírně mění s teplotou a vlhkostí. Proto aplikace ultra přesného snímání vzdálenosti vyžadují, aby byl znám jeden nebo oba tyto faktory a aby byl do základní rovnice přidán korekční faktor.

Zajímavým příkladem je, že inženýři využívají tento posun v rychlosti šíření v závislosti na teplotě při konstrukci pokročilých systémů snímání teploty. Tím mění nevýhodu ve výhodu. Tyto systémy měří teplotu pomocí přesného načasování odrazu ultrazvukového pulzu na známou vzdálenost. Poté provedou „reverzní korekci“, aby určili, jaká teplota by způsobila takovou změnu rychlosti šíření.

Parametry snímače zahájí proces

Po určení požadavků aplikace musí konstruktéři vybrat vhodný zvukový budič a přidružený přijímač, který může pracovat na příslušné frekvenci. Při snímání a detekci polohy se obvykle jedná o relativně vysokou frekvenci 40 kilohertz (kHz). Pro snímání průtoku kapalin je to několik stovek kilohertz. K výhodám vysokofrekvenčních snímačů patří zvýšené rozlišení a zaostřená směrovost (vzor paprsku směřující dopředu). Nevýhodou je však zvýšený útlum na trase signálu.

Rychlost, kterou se ultrazvuková energie šíří a absorbuje při pohybu vzduchem, se s frekvencí zvyšuje. To má za následek snížení maximální detekovatelné vzdálenosti, pokud jsou ostatní faktory udržovány konstantní. Kompromisem mezi faktory, jako například účinnost, útlum, rozlišení a fyzická velikost, je frekvence 40 kHz. Všechny tyto faktory souvisí s vlnovou délkou.

Na začátku procesu výběru je užitečné vědět, že snímače používané pro ultrazvukové snímání se vyznačují několika parametry nejvyšší úrovně. Jsou to následující parametry:

• Provozní frekvence, tolerance a šířka pásma: Jak bylo uvedeno, frekvence 40 kHz je běžná pro mnoho základních aplikací, s typickou tolerancí a šířkou pásma několik kilohertz.
• Úroveň napětí buzení: Specifikuje úroveň napětí, pro kterou snímač poskytuje optimální výkon. Může se pohybovat od několika desítek voltů do 100 voltů nebo více.
• SPL: Definuje velikost zvukového výstupu na definované úrovni buzení; může snadno dosáhnout 100 decibelů (dB) nebo více. Vyšší SPL nabízí pokrytí na větší vzdálenosti (typická ultrazvuková aplikace má dosah v desítkách stop).
• Citlivost přijímače: Charakterizuje napěťový výstup piezoelektrického snímače při dané hodnotě SPL. Čím vyšší je toto číslo, tím snazší bude překonat šum systému a poskytnout přesné údaje.
• Směrovost: Definuje šíření vysílaného paprsku a také úhlový rozsah, ve kterém je přijímač nejcitlivější. Typické hodnoty se pohybují od 60° do 80° při 40 kHz, obvykle měřeno do úhlu, při kterém je odezva 6 dB pod hodnotou při úhlu 0°.

Umístění snímačů

Jedním z faktorů, které určují výběr snímače, je relativní poloha a orientace snímaného předmětu. Pokud je předmět přímo před zdrojem a zcela nebo částečně v pravém úhlu k dopadající energii, část této dopadající energie se odrazí přímo zpět ke zdroji.

V takové situaci může použití jediného snímače pro vysílací i přijímací funkce (nazývané monostatické uspořádání) zjednodušit fyzické nastavení a zároveň minimalizovat požadavky na prostor a náklady na snímač (obrázek 2).

Obrázek 2: V monostatickém uspořádání je použit jeden snímač pro vysílací i přijímací funkce. (Zdroj obrázku: Science and Education Publishing Co.)

40 kHz ultrazvukový transceiver PUI Audio UTR-1440K-TT-R (Obrázek 3) je pro tuto konfiguraci schůdnou volbou. Má průměr pouhých 14,4 milimetrů (mm) a výšku 9 mm. Je navržen tak, aby fungoval od střídavého budicího napětí 140 voltů mezi špičkami (V_p-p) a představuje pro budič jmenovité zatížení 1800 pikofaradů (pF). Jeho citlivost na odezvu je lepší než 200 milivoltů (mV) a jeho směrovost je 70° ±15°.

Obrázek 3: UTR-1440K-TT-R je základní 40kHz ultrazvukový transceiver, který kombinuje vysílač a přijímač v jediném tělese. (Zdroj obrázku: PUI Audio)

V některých případech jsou zdrojové a přijímací měniče samostatná zařízení, ale jsou umístěny vedle sebe v takzvaném společném uspořádání (Obrázek 4).

Obrázek 4: Ve společném uspořádání jsou ultrazvukový zdroj a přijímač umístěny vedle sebe. (Zdroj obrázku: Science and Education Publishing Co.)

Další možností je mít je od sebe ve značné vzdálenosti a také v různé orientaci, za předpokladu, že snímaný objekt je pod úhlem. Toto se nazývá bistatická konfigurace. V tomto případě předmět dopadající energii spíše vychyluje, než aby ji odrážel zpět ke zdroji. Samostatná zařízení také umožňují flexibilitu při jejich výběru, aby odpovídala aplikaci. To umožňuje také flexibilitu výkonu budicího obvodu vysílače, protože již není v blízkosti citlivých analogových obvodů přijímače.

Pro tyto situace může být dobrou volbou párování, jako například ultrazvukový vysílač 40 kHz UT-1640K-TT-2-R a ultrazvukový přijímač UR-1640K-TT-2-R. Vysílač měří 12 mm na výšku a má průměr 16 mm. Vyžaduje pouze buzení 20 V_RMS a produkuje úroveň SPL 115 dB při nominální kapacitě 2100 pF a směrovosti šířky paprsku 80°. Doplňkový přijímač má stejný vzhled, rozměry, směrovost a kapacitu jako vysílač (Obrázek 5).

Obrázek 5: Ultrazvukový vysílač UT-1640K-TT-2-R a ultrazvukový přijímač UR-1640K-TT-2-R poskytují různé doplňkové funkce, ale mají stejný tvar a rozměry. (Zdroj obrázku: PUI Audio)

Snímání průtoku kapalin

Kromě základní detekce předmětů se ultrazvukové snímače používají pro neinvazivní, bezkontaktní měření průtoků kapalin a plynů. Pro tyto aplikace pracují snímače při vyšších frekvencích, typicky nad 200 kHz, aby poskytovaly potřebné rozlišení měření.

V typické průtokové aplikaci jsou dva senzory umístěny ve známé vzdálenosti od sebe. Průtok lze poté vypočítat na základě vzdálenosti a doby přenosu, kterou zvuk potřebuje, aby se mezi dvěma měniči pohyboval v obou směrech, protože pohybující se tekutina nese ultrazvukovou energii v jednotlivých směrech různými rychlostmi.

Tento časový rozdíl je přímo úměrný rychlosti kapaliny nebo plynu v potrubí. Stanovení rychlosti proudění (V_F) začíná rovnicí: V_f = K × Δt/T_L, kde K je kalibrační faktor pro použité jednotky objemu a času, Δt je časový rozdíl mezi dobami průchodu proti proudu a po proudu a T_L je doba průchodu nulovým tokem.

K této základní rovnici se přidávají různé kompenzační a korekční faktory, které zohledňují mimo jiné teplotu kapaliny a úhel mezi snímači a potrubím. Ultrazvukový průtokoměr v praxi vyžaduje skutečné montážní prvky a armatury (Obrázek 6).

Obrázek 6: Skutečný ultrazvukový průtokoměr s dobou průchodu vyžaduje různé armatury a přípojky; všimněte si duálních ultrazvukových snímačů. (Zdroj obrázku: Circuit Digest)

Průtokoměry s dobou průchodu dobře fungují s viskózními kapalinami za předpokladu, že Reynoldsovo číslo při minimálním průtoku je buď menší než 4 000 (laminární proudění) nebo vyšší než 10 000 (turbulentní proudění), ale v přechodové oblasti mezi těmito dvěma hodnotami jsou výrazné nelinearity. Používají se k měření průtoku ropy v ropném průmyslu a často se používají také pro měření kryogenních kapalin až do -300 °C a také pro měření průtoku roztaveného kovu, což jsou dva teplotní extrémy.

PUI nabízí ultrazvukové snímače, které jsou speciálně navrženy pro aplikace s časem průchodu v toku kapalin. Snímač UTR-18225K-TT pracuje při frekvenci 225 ±15 kHz a má úzký směrový úhel potřebný pro tuto aplikaci pouze ±15°. Tento vysílací/přijímací měnič má průměr 18 mm, výšku 9 mm a kapacitu 2200 pF. Může pracovat s buzením pomocí řady čtvercových vln 12 V_pp a do 100 V_pp při nízkém pracovním cyklu.

Vyžaduje také obvody pro úpravu buzení a signálu.

Ultrazvukový detekční systém zahrnuje více než jen piezoelektrické měniče. Pro splnění požadavků měniče na buzení ve vysílacím režimu a pro úpravu signálu nízkoúrovňového analogového front-endu (AFE = analog front-end) v přijímacím režimu jsou zapotřebí vhodné a velmi odlišné obvody. Někteří uživatelé si sestavují vlastní obvody, avšak jsou k dispozici integrované obvody, které mohou pohodlně poskytovat základní funkce buzení a funkce AFE spolu s dalšími funkcemi.

Například Texas Instruments PGA460 je 5,00 mm × 4,40 mm, 16vodičový integrovaný obvod navržený pro použití s měniči, jako například 40 kHz ultrazvukový transceiver PUI Audio UTR-1440K-TT-R. Tento vysoce integrovaný obvod na systémové úrovni poskytuje na čipu budič ultrazvukového měniče a kondicionér signálu a obsahuje jádro pokročilého digitálního signálového procesoru (DSP) (Obrázek 7).

Obrázek 7: PGA460 je kompletní rozhraní pro vysílací i přijímací funkce ultrazvukového snímače. Zahrnuje obvody napájecího buzení, AFE a jádro DSP pro spouštění souvisejících algoritmů. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

PGA460 je vybaven doplňkovým párem nízkofrekvenčních budičů, které mohou budit měnič buď v transformátorové topologii pro vyšší budicí napětí pomocí stupňovitého transformátoru, nebo v topologii s přímým buzením pomocí externích FET na horní straně pro nižší budicí napětí. AFE se skládá z nízkošumového zesilovače (LNA) následovaného programovatelným časově proměnným zesilovacím stupněm přiváděným do analogově-digitálního převodníku (ADC). Digitalizovaný signál se zpracovává v jádru DSP pro detekci předmětů v blízkém i vzdáleném poli pomocí časově proměnných prahů.

Časově proměnné zesílení nabízené obvodem PGA460 je funkce často používaná u ultrazvukových snímačů, ať už pro základní detekci předmětů nebo pokročilé lékařské zobrazovací systémy. Pomáhá překonat nevyhnutelný, ale předem známý faktor útlumu energie akustického signálu při jeho šíření prostředím.

Protože tento útlum i rychlost šíření jsou známy, je možné kompenzovat nevyhnutelnou ztrátu „navýšením“ zesílení AFE v závislosti na čase, čímž se účinně zruší efekt zeslabení vlivem vzdálenosti. Výsledkem je, že systémový poměr signálu k šumu (SNR) je maximalizován bez ohledu na snímací vzdálenost a systém zvládne širší dynamický rozsah přijímaných signálů.

Pro další prozkoumání možností použití těchto snímačů nabízí společnost Texas Instruments vyhodnocovací modul PGA460PSM-EVM, který spolupracuje s ultrazvukovým transceiverem PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz (Obrázek 8).

Obrázek 8: Vyhodnocovací modul PGA460PSM-EVM je založen na PGA460 a zjednodušuje zkoumání provozu ultrazvukového systému pomocí ultrazvukového transceiveru PUI Audio UTR-1440K-TT-R 40 kHz. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Tento modul vyžaduje k provozu pouze několik externích součástí plus napájecí zdroj (Obrázek 9). Je řízen příkazy přijatými z grafického uživatelského rozhraní (GUI) na bázi PC, do kterého vrací data pro zobrazení a další analýzu. Kromě základní funkčnosti a nastavení provozních parametrů umožňuje uživatelům zobrazit profil ultrazvukového echa a výsledky měření.

Obrázek 9: Vyhodnocovací modul PGA460PSM-EVM se připojuje k PC s grafickým uživatelským rozhraním, které kromě jiných funkcí umožňuje uživatelům ovládat a kontrolovat snímač a sledovat kritické průběhy. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Závěr

Piezoelektrické ultrazvukové snímače poskytují pohodlný a efektivní způsob snímání blízkých předmětů, a dokonce i měření jejich vzdálenosti. Jsou spolehlivé, snadno se používají a pomáhají návrhářům vyhnout se regulačním problémům s RF spektrem nebo EMI/RFI. Lze je použít také pro bezdotykové měření průtoků kapalin. Integrované obvody rozhraní pro vysílací i přijímací funkce, podporované vyhodnocovací soupravou, zjednodušují jejich integraci do systému a zároveň poskytují flexibilitu při nastavování jejich provozních parametrů.