Circuitos de transdutor ultrassônico:um dispositivo de detecção de objetos

Você já quis medir a distância de um objeto a um alvo específico? Você pode utilizar um transmissor ultrassônico, que possui um sensor ultrassônico, para essa finalidade. Os circuitos eletrônicos geralmente apresentam esse componente para gerar ondas sonoras ultrassônicas. Como resultado, ele pode medir a proximidade de um objeto. Portanto, esses recursos os tornam extremamente úteis para fins de navegação robótica. Não só isso, mas este tipo de transdutor também tem várias aplicações em muitos campos, incluindo industrial, médico, automação e muito mais!

Este artigo apresenta os circuitos transdutores ultrassônicos, permitindo que você entenda suas capacidades. Então vamos começar!

O que é um transdutor ultrassônico?

Um transdutor ultrassônico

Um transdutor ultrassônico serve como um sensor relacionado ao som que transforma um tipo de energia em energia ultrassônica. Este dispositivo transmite sinais elétricos para um objeto e os envia de volta ao transdutor. Enquanto isso acontece, ele mede a distância do objeto em vez da força do sinal. Ele também conta com ondas ultrassônicas para medir parâmetros específicos. Além disso, sua faixa de frequência de onda ultrassônica é superior a 20 kHz, tornando-a ideal para medir distâncias.

Um transdutor ultrassônico de 40kHz.

Fonte:Wikimedia Commons

Em suma, este tipo de transdutor detecta vários materiais, incluindo objetos metálicos, não metálicos, transparentes e coloridos. Também identificará líquidos, sólidos e substâncias finas.

A estrutura interna de um sensor ultrassônico.

Fonte:Wikimedia Commons

O dispositivo possui um suporte, placa de desgaste e elemento ativo. Neste caso, o cristal ou piezoelétrico, servindo como elemento ativo, converte energia elétrica em energia ultrassônica. Como resultado, o dispositivo absorve energia ultrassônica, transformando-a em energia elétrica. Claro, também reverte esse processo de transformação.

Além disso, o transdutor possui um receptor, transmissor, fonte de alimentação e mecanismo de controle. Enquanto isso, o transmissor possui um vibrador de cerâmica de 15 mm. Esses sensores funcionam de forma idêntica a um alto-falante e microfone ultrassônico, gerando e recebendo ondas sonoras de alta frequência.

Este transdutor funciona em baixa temperatura para fins de diagnóstico devido ao alto ponto de Curie dos materiais piezoelétricos, consumindo energia mínima. Ele também pode operar por um tempo prolongado sem afetar o circuito. Enquanto isso, os transdutores médicos operam em altas temperaturas. Estes normalmente dependem de equipamentos de refrigeração que ajudam a evitar danos.

Princípio de funcionamento do transdutor ultrassônico

A sonda ultrassônica pode apresentar defeitos ou imperfeições em uma chapa de aço.

A aplicação de um sinal elétrico ao transdutor ultrassônico fará com que ele gere ondas sonoras. As ondas sonoras refletem o sinal de eco do transdutor após detectar a interferência. Ele também vibra dentro de uma faixa de frequência específica. Como resultado, o eco é convertido em um sinal elétrico.

Depois, o dispositivo mede quanto tempo leva para emitir a onda sonora e receber o eco. O pulso ultrassônico será liberado no ar quando o sensor operar com uma frequência de 40 kHz.

As luzes fluorescentes não podem afetar a capacidade do transdutor de detectar objetos.

No geral, materiais pretos, fumaça, luz solar, tubos fluorescentes e poeira não podem afetar o desempenho do transdutor. Portanto, tem uma vantagem distinta sobre os sensores infravermelhos. Além disso, um sensor ultrassônico oferece excelentes recursos de supressão de ruído. No entanto, flutuações de alta temperatura causarão interferência na detecção de objetos.

Este dispositivo também conta com ondas ultrassônicas para calcular a distância com a fórmula abaixo:

D =½ * T * C

Neste caso, D representa a distância e T refere-se ao intervalo de tempo para transmissão e recepção de ondas ultrassônicas. Enquanto isso, C representa a velocidade do som.

Circuito do transdutor ultrassônico

Diagrama do circuito do transmissor ultrassônico

Componentes necessários:

• 555 IC – 1x
• Transistor 2N2222 – 1x
• Transdutor ultrassônico – 1x
• 1k resistor – 2x
• Resistor de 2k – 1x
• Resistor de 5k – 1x
• condensador de 0,01fuF – 1x
• Capacitor de 3,3nF – 1x

Princípio de funcionamento:

Muitos circuitos transmissores ultrassônicos possuem um temporizador de 555 IC.

Fonte:Wikimedia Commons

Geralmente, o IC 555, que opera no modo multivibrador astável, serve como oscilador. Isso gera pulsos de onda quadrada serial constante que atingem 40 kHz. Enquanto isso, a equação F=1..44/((R2+2R1)C2 define o valor da frequência de saída. Ao mesmo tempo, os componentes eletrônicos R1, R2 e R3 fornecem 40 KHz para a saída.

Ele também possui um transdutor ultrassônico que transforma um pulso de entrada em ondas ultrassônicas em frequências correspondentes. Estes contêm cristais piezoelétricos que podem mudar de tamanho quando recebem tensão. Os cristais oscilarão após receber um sinal de entrada, forçando-os a gerar ondas sonoras de alta frequência.

Ao mesmo tempo, o transistor 2N2222 aciona o transdutor. Você pode implementar osciladores cercados por cristais em vez de um 555 para oscilação estável.

Tipos de transdutor ultrassônico

Existem diversos tipos de transdutores ultrassônicos no mercado hoje. Estes contêm parâmetros essenciais, incluindo frequência, pegada e arranjo do cristal piezoelétrico. Você encontrará os tipos mais eficientes abaixo:

• Tipo linear:Este tipo de transdutor apresenta um cristal piezoelétrico com uma matriz linear.
  
• Phased Array:Com um espaço reduzido, o Phased Array suporta baixas frequências que variam de 2 MHz a 7 MHz.
  
• Padrão:Também chamado de transdutor ultrassônico convexo ou transdutor ultrassônico normal, este tipo contém um cristal piezoelétrico curvo. Você verá isso implementado em aplicativos de teste extensivos.

Além disso, você pode utilizar transdutores de linha de atraso, transdutores de contato, transdutores de elemento duplo, transdutores de imersão e transdutores de feixe angular. Claro, esses diferentes tipos têm aplicações de testes não destrutivos.

Aplicativos

Uma sonda ultrassônica contém o transdutor ultrassônico.

O transdutor de ultrassom tem aplicações variadas em uma ampla gama de campos. Listamos alguns abaixo.

• Testes de diagnóstico, tratamentos de câncer, exames cardíacos e oftalmológicos e exames de órgãos internos na área médica.
• Detecção de objetos
• Medir distâncias entre um alvo e o objeto

Esta imagem mostra como um sensor de ultrassom pode detectar objetos e sua distância.

Fonte:Wikimedia Commons

• Automação
• Controle de estoque
• Identificando pequenas falhas

Um transdutor ultrassônico pode detectar pequenas falhas.

Fonte:Wikimedia Commons

• Medições de nível e vazão
• Biomédico
• Poder
• Controle e monitoramento do nível de líquido
• Gerenciamento da linha de produtos
• Detecção de quebra de fio

Prós e contras

Prós:

Os transdutores ultrassônicos podem detectar sólidos, líquidos ou gases. Listamos as vantagens de um transdutor ultrassônico abaixo: 

• Capaz de detectar todos os tipos de substâncias e medir vários materiais.
• Temperatura, poeira e água não afetarão o desempenho.
• Opera em qualquer ambiente com condições adequadas.
• Comumente utilizado para fornecer medições de intervalo de detecção alto.

A seguir lista os contras associados aos transdutores ultrassônicos:

Contras:




As flutuações de alta temperatura podem afetar o transdutor.

• As alterações de detecção ocorrem como resultado da imprevisibilidade da conversão de temperatura.
• Extremamente sensível a flutuações de alta temperatura.
• Não é possível detectar reflexos de alvos pequenos devido às suas qualidades suaves e finas.

Resumo

Extremamente úteis e bem construídos, os transdutores ultrassônicos tornam muito mais fácil evitar objetos para robôs de navegação. Também apresenta finalidades variadas em outras aplicações. Nesse caso, isso ajuda a estabelecer seu papel na detecção de objetos e nas medições de distância. De um modo geral, fatores ambientais variados não afetarão negativamente seu desempenho geral. Como resultado, poeira, luz solar e água não impedirão que os pulsos ultrassônicos cheguem ao seu destino e retornem. Portanto, este componente pode operar consistentemente a qualquer momento.

Você tem alguma dúvida sobre o transdutor ultrassônico? Sinta-se livre para nos contatar!