Ultrazvukový snímač

Ultrazvukový snímač alebo ultrazvukový senzor je zariadenie využívajúce pre meranie a detekciu vysielanie a odraz (ozvenu) ultrazvukových vĺn.

Princíp a využitie v praxi

Ultrazvukový snímač vyvoláva vysokofrekvenčné zvukové vlny a zachytáva echo, ktoré je získane odrazom od prekážky. Vyhodnocovacia elektronika senzora vypočíta časový interval medzi vysielaným a prijímaným signálom čím vie určiť vzdialenosť od objektu. Táto technológia sa dá využiť pre meranie: rýchlosti a smeru vetra (Anemometer), plnosti nádrže, rýchlosti prúdiaceho vzduchu alebo vody. Na meranie rýchlosti a smeru prístroj používa viac detektorov a vypočítava rýchlosť od relatívnej vzdialenosť častíc vo vzduchu alebo vode. Ak chceme zmerať množstvo kvapaliny v nádrži, snímač určí vzdialenosť k povrchu kvapaliny. Iné aplikácie sú: hladinomer do studní, zvlhčovač vzduchu, sonar, ultrasonograf, poplašné zariadenia proti krádeži, parkovací (cúvací) senzor a nedeštruktívne skúšanie materiálov.

Systémy obvykle používajú snímače, ktoré vytvárajú zvukové vlny v rozsahu ultrazvuku - nad 20000 Hz, premenou elektrického signálu na zvuk, potom po získaní echa zase zvukové vlny premení na elektrický signál, ktorý sa dá merať, vyhodnocovať a zobrazovať.

Táto technológia je obmedzená tým, že plocha od ktorej sa ultrazvuk odráža a prostredie v ktorom sa šíri nie je konzistentná. Napr. pena na povrchu kvapaliny v nádrži môže narušiť odčítanie. Taktiež teplota má výrazný vplyv na rýchlosť šírenia zvuku v prostredí. Pri náhlej zmene teploty sa aj stacionárna hladina vody javí ako kolísavá. Ultrazvukové snímače nie je možné používať vo vákuových nádržiach, nakoľko je meranie nemožné, keďže sa vo vákuu nemôže zvuk šíriť. Dôležitým parametrom ultrazvukových senzorov je aj detekčná charakteristika, čo definuje šírku lúča vĺn. Vyššia detekčná charakteristika reprezentuje širší lúč, čo môže byť nevýhoda najmä pri umiestnení senzora do stiesnených priestorov, nakoľko sa v takomto prípade lúč odráža aj od stien studne / nádrže a meranie je výrazne skreslené, alebo nemožné.

Prevodníky

Ultrazvukový snímač je zariadenie, ktorý premieňa signál, najčastejšie elektrický, na ultrazvukové vlny. Na tento účel sa používajú hlavne zariadenia využívajúce piezoelektrický jav. Piezoelektrické kryštály vytvárajú na svojom povrchu polarizované elektrické napätie ak sú mechanicky namáhané a opačne, ak je na ich povrch privedené polarizované napätie menia svoj rozmer. Ak sa na ich budenie používa vysokofrekvenčné striedavé napätie a povrch kryštálu je mechanicky spojený s akustickou membránou tak táto produkuje zvukové vlny o vysokej frekvencii. Podobne opačne kmity membrány vyvolávajú mechanické napätie v piezoelektrickom kryštáli, čo vytvára na jeho povrchu vysokofrekvenčné napätie. Niektoré piezoelektrické snímače sú vyrobené ako kombinovaný prijímač / vysielač, niektoré sa vyrábajú samostatne. Alternatívne metódy pre vytváranie a snímanie ultrazvuku sú magnetostrikčné a kapacitné meniče.

Fyzické prevedenie ultrazvukových senzorov

• Najčastejšie vo 3 alebo 4-vývodovom vyhotovení (Napájanie + signály pre prepojenie s mikrokontrolérom)
• Samostatné signály Trigger pre vyslanie vlny a Echo pre príjem odrazenej vlny - 4-vývodové vyhotovenie
• Kombinovaný signál Trigger a Echo do jedného fyzického vývodu, ktorý sa prepína striedavo na výstup --> vstup

Využitie v lekárstve

Zdravotnícke ultrazvukové snímače (sondy) sa používajú pre vytvorenie snímok alebo dynamického obrazu rôznych vnútorných častí tela. Snímače sa používajú na povrchu tela, alebo sa vložia do telesných otvorov. Známe je napr. ultrazvukové vyšetrenie plodu v matkinom tele, alebo ultrazvukové vyšetrenie srdca.

Externé odkazy

• Hladinomer - projekt merania výšky hladiny vody v studni IoT ultrazvukovými snímačmi s následnou vizualizáciou dát vo webovom rozhraní