الكشف بالموجات فوق الصوتية - الأساسيات والتطبيق

جرب أداة القضاء على المشاكل





يشيع استخدام الكشف بالموجات فوق الصوتية في التطبيقات الصناعية لاكتشاف المسارات الخفية ، والانقطاعات في المعادن ، والمركبات ، والبلاستيك ، والسيراميك ، وكشف مستوى المياه. لهذا الغرض ، تم استخدام قوانين الفيزياء التي تشير إلى انتشار الموجات الصوتية من خلال المواد الصلبة منذ أجهزة الاستشعار فوق الصوتية التي تستخدم الصوت بدلاً من الضوء للكشف.

ما هو مبدأ الكشف بالموجات فوق الصوتية؟

تعريف الموجة الصوتية




الصوت عبارة عن موجة ميكانيكية تنتقل عبر الوسائط ، والتي قد تكون صلبة أو سائلة أو غازية. يمكن أن تنتقل الموجات الصوتية عبر الوسائط بسرعة معينة تعتمد على وسيط الانتشار. تنعكس الموجات الصوتية ذات التردد العالي من الحدود وتنتج أنماط صدى مميزة.

قوانين فيزياء الموجات الصوتية



الموجات الصوتية لها ترددات محددة أو عدد من التذبذبات في الثانية. يمكن للبشر اكتشاف الأصوات في نطاق تردد من حوالي 20 هرتز إلى 20 كيلو هرتز. ومع ذلك ، فإن نطاق التردد المستخدم عادة في الكشف بالموجات فوق الصوتية هو 100 كيلو هرتز إلى 50 ميجا هرتز. سرعة الموجات فوق الصوتية في وقت معين ودرجة الحرارة ثابتة في الوسط.

W = C / F (أو) W = CT


حيث W = طول الموجة

C = سرعة الصوت في الوسط

F = تردد الموجة

T = الفترة الزمنية

تستخدم أكثر طرق الفحص بالموجات فوق الصوتية شيوعًا إما الموجات الطولية أو موجات القص. الموجة الطولية هي موجة انضغاطية تكون فيها حركة الجسيم في نفس اتجاه موجة الانتشار. موجة القص هي حركة موجية تكون فيها حركة الجسيمات متعامدة مع اتجاه الانتشار. يقدم الكشف بالموجات فوق الصوتية موجات صوتية عالية التردد إلى كائن اختبار للحصول على معلومات حول الكائن دون تغييره أو إتلافه بأي شكل من الأشكال. يتم قياس قيمتين في الكشف بالموجات فوق الصوتية.

مقدار الوقت الذي يستغرقه الصوت للانتقال عبر وسط وسعة الإشارة المستقبلة. بناءً على السرعة والسماكة الزمنية يمكن حسابها.

سمك المادة = سرعة صوت المادة X زمن القتال

محولات الطاقة لانتشار الموجات وكشف الجسيمات

لإرسال موجات صوتية واستقبال صدى ، سيتم استخدام مستشعرات فوق صوتية ، تسمى عادةً أجهزة الإرسال والاستقبال أو محولات الطاقة. إنهم يعملون على مبدأ مشابه للرادار يقوم بتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية على شكل صوت ، والعكس صحيح.

المحولات شائعة الاستخدام هي محولات الطاقة التلامسية ، محولات الطاقة ذات الحزمة الزاوية ، محولات خط التأخير ، محولات الطاقة الغاطسة ، ومحولات الطاقة ثنائية العناصر. تُستخدم محولات الطاقة التلامسية عادةً لتحديد الفراغات والشقوق على السطح الخارجي للجزء وكذلك قياس السماكة. تستخدم محولات شعاع الزاوية مبدأ الانعكاس وتحويل الوضع لإنتاج القص المنكسر أو الموجات الطولية في مادة الاختبار.

محولات خط التأخير هي محولات طاقة طولية ذات عنصر واحد تستخدم جنبًا إلى جنب مع خط تأخير قابل للاستبدال. أحد أسباب اختيار محول خط التأخير هو أنه يمكن تحسين الدقة القريبة من السطح. يسمح التأخير للعنصر بالتوقف عن الاهتزاز قبل استقبال إشارة عودة من العاكس.

المزايا الرئيسية التي تقدمها محولات الطاقة الغاطسة على محولات الطاقة التلامسية هي اقتران موحد يقلل من اختلافات الحساسية ويقلل من وقت المسح ويزيد من الحساسية للعاكسات الصغيرة.

تشغيل أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية:

عندما يتم تطبيق نبضة كهربائية ذات جهد عالٍ على محول الطاقة فوق الصوتي ، فإنه يهتز عبر طيف معين من الترددات ويولد موجة من الموجات الصوتية. عندما يأتي أي عائق أمام جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية ، فإن الموجات الصوتية ستنعكس على شكل صدى وتولد نبضًا كهربائيًا. يحسب الوقت المستغرق بين إرسال الموجات الصوتية واستقبال الصدى. ستتم مقارنة أنماط الصدى بأنماط الموجات الصوتية لتحديد حالة الإشارة المكتشفة.

3 تطبيقات تتضمن الكشف بالموجات فوق الصوتية:

ترتبط مسافة العائق أو الانقطاعات في المعادن بسرعة الموجات الصوتية في وسط تمر من خلاله الموجات والوقت الذي يستغرقه استقبال الصدى. ومن ثم يمكن استخدام الكشف بالموجات فوق الصوتية لإيجاد المسافات بين الجسيمات ، لاكتشاف الانقطاعات في المعادن ولإشارة مستوى السائل.

  • قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية

تستخدم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لتطبيقات قياس المسافة. تنقل هذه الأدوات بانتظام دفعة قصيرة من الصوت فوق الصوتي إلى الهدف ، مما يعكس الصوت مرة أخرى إلى المستشعر. ثم يقيس النظام وقت عودة الصدى إلى المستشعر ويحسب المسافة إلى الهدف باستخدام سرعة الصوت داخل الوسط.

يتم استخدام أنواع مختلفة من محولات الطاقة داخل أجهزة التنظيف بالموجات فوق الصوتية التي يمكن الوصول إليها صناعيًا. يتم تثبيت محول طاقة فوق صوتي على وعاء من الفولاذ المقاوم للصدأ مملوء بمذيب ويتم تطبيق موجة مربعة عليه ، مما يمنح طاقة اهتزاز على السائل.

جهاز استشعار المسافة بالموجات فوق الصوتية

جهاز استشعار المسافة بالموجات فوق الصوتية

تقيس مستشعرات المسافة بالموجات فوق الصوتية المسافة باستخدام السونار ، ويتم إرسال نبضة فوق صوتية (أعلى بكثير من سمع الإنسان) من الوحدة ويتم تحديد المسافة إلى الهدف عن طريق قياس الوقت المطلوب لعودة الصدى. الإخراج من جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية هو إيقاع متغير العرض يقارن بالمسافة إلى الهدف.

8 ميزات لجهاز استشعار المسافة بالموجات فوق الصوتية:

  1. امدادات التيار الكهربائي: 5V (DC).
  2. تيار العرض: 15mA.
  3. تردد التحوير: 40 هرتز.
  4. الخرج: 0-5 فولت (خرج مرتفع عند اكتشاف عقبة في النطاق).
  5. زاوية الشعاع: 15 درجة كحد أقصى.
  6. المسافة: ٢ سم - ٤٠٠ سم.
  7. الدقة: 0.3 سم.
  8. التواصل: نبض إيجابي TTL.

تشغيل جهاز استشعار المسافة بالموجات فوق الصوتية:

تتكون وحدة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية من جهاز إرسال وجهاز استقبال واحد. يمكن لجهاز الإرسال تقديم صوت فوق صوتي 40 كيلو هرتز بينما تم تصميم جهاز الاستقبال الأقصى لقبول الموجات الصوتية 40 كيلو هرتز فقط. يجب أن يكون مستشعر الموجات فوق الصوتية للمستقبل الذي يتم الاحتفاظ به بجوار جهاز الإرسال قادرًا على استقبال 40 كيلو هرتز المنعكس ، بمجرد مواجهة الوحدة لأي عقبة في المقدمة. وبالتالي كلما ظهرت أي عوائق أمام وحدة الموجات فوق الصوتية فإنها تحسب الوقت المستغرق من إرسال الإشارات إلى استقبالها حيث أن الوقت والمسافة مرتبطان بالموجات الصوتية التي تمر عبر وسط الهواء بسرعة 343.2 م / ثانية. عند تلقي برنامج MC للإشارة أثناء تنفيذه ، يعرض البيانات ، أي المسافة المقاسة على شاشة LCD الموصولة بوحدة التحكم الدقيقة في سم.

دائرة استشعار المسافة بالموجات فوق الصوتية

دائرة استشعار المسافة بالموجات فوق الصوتية

بشكل مميز ، تحظى تطبيقات الروبوتات بشعبية كبيرة ولكنك ستجد أيضًا أن هذا المنتج مفيد في أنظمة الأمان أو كبديل للأشعة تحت الحمراء إذا رغبت في ذلك.

  • محول بالموجات فوق الصوتية للكشف عن مستوى المياه
كشف بالموجات فوق الصوتية

كشف بالموجات فوق الصوتية

مخطط كتلة لوحدة تحكم مستوى السائل اللاتلامسي

تحكم في مستوى السائل بدون تلامس

تحكم في مستوى السائل بدون تلامس

يوضح مخطط الدائرة أعلاه تحكم في مستوى السائل بدون تلامس في هذا الرسم البياني ، يتم ربط وحدة المستشعر بالموجات فوق الصوتية بالمتحكم الدقيق. عندما تنخفض مسافة المستوى المقاسة بالسنتيمتر إلى ما دون نقطة محددة ، تبدأ المضخة باستشعار الإشارة الخارجة واستقبال المستوى القادم إلى محول الطاقة فوق الصوتي الذي يتم تغذيته إلى المتحكم الدقيق. عندما يستقبل المتحكم الدقيق الإشارة من محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية ، فإنه ينشط التتابع من خلال MOSFET الذي يقوم بتشغيل المضخة أو إيقاف تشغيلها.

  • كشف العوائق بالموجات فوق الصوتية

تستخدم أجهزة الاستشعار بالموجات فوق الصوتية لاكتشاف وجود الأهداف وقياس المسافة إلى الأهداف في العديد من مصانع المعالجة الآلية ومصانع المعالجة. تتوفر المستشعرات ذات الإخراج الرقمي ON أو OFF لاكتشاف وجود الكائنات وأجهزة الاستشعار مع الإخراج التناظري الذي يتغير بالنسبة للمستشعر لاستهداف مسافة الفصل المتاحة تجارياً.

بالموجات فوق الصوتية

يتكون مستشعر العوائق بالموجات فوق الصوتية من مجموعة من جهاز استقبال وجهاز إرسال بالموجات فوق الصوتية يعملان على نفس التردد. تتفاقم النقطة عندما يتحرك شيء ما في المنطقة المؤمنة للإزاحة الدقيقة للدائرة ويتم تشغيل الجرس / التنبيه.

جهاز استشعار عقبة بالموجات فوق الصوتية

جهاز استشعار عقبة بالموجات فوق الصوتية

سمات:

  • استهلاك الطاقة 20mA
  • نبض داخل / خارج الاتصالات
  • زاوية قبول ضيقة
  • يوفر تقديرات دقيقة وغير ملامسة للفصل في حدود 2 سم إلى 3 م
  • يظهر مؤشر LED لنقطة الانفجار تقديرات في التقدم
  • موصل 3-pin يجعل من السهل الاتصال باستخدام ارتباط تطوير مؤازر

تحديد:

  • مزود الطاقة: 5V DC
  • تيار هادئ:<15mA
  • زاوية التأثير:<15°
  • تتراوح المسافة: 2 سم - 350 سم
  • القرار: 0.3 سم
  • دورة الإخراج: 50 مللي ثانية

يكتشف المستشعر الأشياء عن طريق إصدار دفقة موجات فوق صوتية قصيرة ثم الاستماع إلى الوضع الاقتصادي. تحت سيطرة متحكم مضيف ، يصدر المستشعر انفجارًا قصيرًا 40 كيلو هرتز. هذا الانفجار يغامر أو ينتقل عبر الهواء يصطدم بمقال وبعد ذلك يرتد مرة أخرى إلى المستشعر.

يوفر المستشعر نبضًا ناتجًا للمضيف الذي سينتهي عند اكتشاف الصدى ومن ثم يتم أخذ عرض نبضة واحدة إلى الأخرى في الحساب بواسطة برنامج لتوفير نتائج في مسافة من الجسم.

الآن لقد فهمت التطبيقات والمفهوم الأساسي للكشف بالموجات فوق الصوتية إذا كان هناك أي استفسارات حول هذا الموضوع أو حول الكهرباء و تحكم في مستوى السائل بدون تلامس اترك قسم التعليقات أدناه.