Circuitos transductores ultrasónicos:un dispositivo de detección de objetos

¿Alguna vez ha querido medir la distancia de un objeto a un objetivo específico? Puede utilizar un transmisor ultrasónico, que cuenta con un sensor ultrasónico, para ese propósito. Los circuitos electrónicos generalmente contarán con este componente para generar ondas de sonido ultrasónicas. Como resultado, puede medir la proximidad de un objeto. Por lo tanto, estas capacidades los hacen extremadamente útiles para fines de navegación robótica. No solo eso, sino que este tipo de transductor también tiene varias aplicaciones en muchos campos, incluidos el industrial, el médico, la automatización y mucho más.

Este artículo presenta los circuitos transductores ultrasónicos, lo que le permite comprender sus capacidades. ¡Así que empecemos!

¿Qué es un transductor ultrasónico?

Un transductor ultrasónico

Un transductor ultrasónico sirve como un sensor relacionado con el sonido que transforma un tipo de energía en energía ultrasónica. Este dispositivo transmite señales eléctricas a un objeto y luego las envía de vuelta al transductor. Mientras eso sucede, mide la distancia del objeto en lugar de la intensidad de la señal. También se basa en ondas ultrasónicas para medir parámetros específicos. Además, su rango de frecuencia de ondas ultrasónicas es superior a 20 kHz, lo que lo hace ideal para medir distancias.

Un transductor ultrasónico de 40 kHz.

Fuente:Wikimedia Commons

En general, este tipo de transductor detecta varios materiales, incluidos objetos metálicos, no metálicos, transparentes y de colores. También identificará líquidos, sólidos y sustancias finas.

La estructura interna de un sensor ultrasónico.

Fuente:Wikimedia Commons

El dispositivo presenta un respaldo, una placa de desgaste y un elemento activo. En este caso, el cristal o piezoeléctrico, que actúa como elemento activo, convierte la energía eléctrica en energía ultrasónica. Como resultado, el dispositivo absorbe energía ultrasónica y la transforma en energía eléctrica. Por supuesto, también invierte ese proceso de transformación.

Además, el transductor tiene un receptor, un transmisor, una fuente de alimentación y un mecanismo de control. Por su parte, el transmisor cuenta con un vibrador cerámico de 15mm. Estos sensores funcionan de manera idéntica a un altavoz ultrasónico y un micrófono, generando y recibiendo ondas sonoras de alta frecuencia.

Este transductor funciona a baja temperatura con fines de diagnóstico debido al alto punto de Curie de los materiales piezoeléctricos, con un consumo mínimo de energía. También puede operar por un tiempo prolongado sin afectar el circuito. Mientras tanto, los transductores médicos funcionan a altas temperaturas. Por lo general, se basan en equipos de enfriamiento que ayudan a prevenir daños.

Principio de funcionamiento del transductor ultrasónico

La sonda ultrasónica puede detectar defectos o imperfecciones en una placa de acero.

Aplicar una señal eléctrica al transductor ultrasónico hará que genere ondas sonoras. Las ondas de sonido luego reflejan la señal de eco del transductor después de detectar la interferencia. También vibra dentro de un rango de frecuencia específico. Como resultado, el eco se convierte en una señal eléctrica.

Posteriormente, el dispositivo mide cuánto tiempo tarda en emitir la onda de sonido y recibir el eco. El pulso ultrasónico se liberará en el aire cuando el sensor funcione con una frecuencia de 40 kHz.

Las luces fluorescentes no pueden afectar la capacidad del transductor para detectar objetos.

En general, los materiales negros, el humo, la luz solar, los tubos fluorescentes y el polvo no pueden afectar el rendimiento del transductor. Por lo tanto, tiene una clara ventaja sobre los sensores infrarrojos. Además, un sensor ultrasónico proporciona excelentes capacidades de supresión de ruido. Sin embargo, las fluctuaciones de alta temperatura causarán interferencias en la detección de objetos.

Este dispositivo también se basa en ondas ultrasónicas para calcular la distancia con la siguiente fórmula:

D =½ * T * C

En este caso, D representa la distancia y T se refiere al intervalo de tiempo para transmitir y recibir ondas ultrasónicas. Mientras tanto, C representa la velocidad del sonido.

Circuito transductor ultrasónico

Diagrama del circuito del transmisor ultrasónico

Componentes necesarios:

• 555 CI:1x
• Transistor 2N2222:1x
• Transductor ultrasónico:1x
• Resistencia de 1k – 2x
• Resistencia de 2k – 1x
• Resistencia de 5k – 1x
• Condensador de 0.01fuF - 1x
• Condensador de 3,3 nF:1x

Principio de funcionamiento:

Muchos circuitos transmisores ultrasónicos cuentan con un temporizador 555 IC.

Fuente:Wikimedia Commons

Generalmente, el IC 555, que opera en el modo de multivibrador astable, sirve como oscilador. Esto genera pulsos de onda cuadrada en serie constantes que alcanzan los 40 kHz. Mientras tanto, la ecuación F=1..44/((R2+2R1)C2 establece el valor de la frecuencia de salida. Al mismo tiempo, los componentes electrónicos R1, R2 y R3 entregan 40 KHz a la salida.

También cuenta con un transductor ultrasónico que transforma un pulso de entrada en ondas ultrasónicas en frecuencias coincidentes. Estos contienen cristales piezoeléctricos que pueden cambiar de tamaño una vez que reciben voltaje. Los cristales oscilarán después de recibir una señal de entrada, obligándolos a generar ondas de sonido de alta frecuencia.

Al mismo tiempo, el transistor 2N2222 impulsa el transductor. Puede implementar osciladores rodeados de cristales en lugar de un 555 para una oscilación estable.

Tipos de transductores ultrasónicos

Actualmente existen en el mercado varios tipos de transductores ultrasónicos. Estos contienen parámetros esenciales, incluida la frecuencia, la huella y la disposición del cristal piezoeléctrico. Encontrará los tipos más eficientes a continuación:

• Tipo lineal:este tipo de transductor presenta un cristal piezoeléctrico con una matriz lineal.
  
• Phased Array:Con un espacio reducido, el Phased Array admite frecuencias bajas que van desde 2 MHz a 7 MHz.
  
• Estándar:también llamado transductor ultrasónico convexo o transductor ultrasónico normal, este tipo contiene un cristal piezoeléctrico curvo. Los verá implementados en extensas aplicaciones de prueba.

Además, puede utilizar transductores de línea de retardo, transductores de contacto, transductores de elementos duales, transductores de inmersión y transductores de haz angular. Por supuesto, estos diferentes tipos tienen aplicaciones de pruebas no destructivas.

Aplicaciones

Una sonda ultrasónica contiene el transductor ultrasónico.

El transductor de ultrasonido tiene diversas aplicaciones en una amplia gama de campos. A continuación enumeramos algunos.

• Pruebas de diagnóstico, tratamientos contra el cáncer, chequeos cardíacos y oculares y pruebas de órganos internos en el campo de la medicina.
• Detección de objetos
• Medición de distancias entre un objetivo y el objeto

Esta imagen muestra cómo un sensor de ultrasonido puede detectar objetos y su distancia.

Fuente:Wikimedia Commons

• Automatización
• Control de inventario
• Identificación de pequeñas fallas

Un transductor ultrasónico puede detectar fallas menores.

Fuente:Wikimedia Commons

• Medidas de nivel y caudal
• Biomédica
• Poder
• Control y monitoreo del nivel de líquido
• Gestión de línea de productos
• Detección de rotura de cable

Pros y contras

Ventajas:

Los transductores ultrasónicos pueden detectar sólidos, líquidos o gases. A continuación enumeramos las ventajas de un transductor ultrasónico: 

• Capaz de detectar todo tipo de sustancias y medir varios materiales.
• La temperatura, el polvo y el agua no afectarán el rendimiento.
• Funciona en cualquier entorno con las condiciones adecuadas.
• Usado comúnmente para proporcionar mediciones de intervalos de detección altos.

A continuación se enumeran las desventajas asociadas con los transductores ultrasónicos:

Desventajas:

Las fluctuaciones de alta temperatura pueden afectar al transductor.

• Los cambios de detección ocurren como resultado de la imprevisibilidad de la conversión de temperatura.
• Extremadamente sensible a las fluctuaciones de alta temperatura.
• No se pueden detectar los reflejos de objetivos pequeños debido a sus cualidades suaves y delgadas.

Resumen

Los transductores ultrasónicos, extremadamente útiles y bien construidos, hacen que la evasión de objetos sea mucho más fácil para los robots de navegación. También presenta diferentes propósitos en otras aplicaciones. En este caso, esto ayuda a establecer su papel en la detección de objetos y mediciones de distancia. En términos generales, la variación de los factores ambientales no tendrá un impacto negativo en su desempeño general. Como resultado, el polvo, la luz solar y el agua no impedirán que los pulsos ultrasónicos lleguen a su destino y regresen. Por lo tanto, este componente puede funcionar de manera constante en cualquier momento.

¿Tiene alguna pregunta sobre el transductor ultrasónico? ¡No dude en contactarnos!