Circuitos de Transductores Ultrasónicos de Precisión para Detección Precisa de Objetos

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

Este artículo presenta los circuitos de transductores ultrasónicos, permitiéndote entender sus capacidades. ¡Así que comencemos!

¿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 fuerza de la señal. También se basa en ondas ultrasónicas para medir parámetros específicos. Además, su rango de frecuencia de onda ultrasónica es superior a 20 kHz, lo que lo hace ideal para medir distancias.

Un transductor ultrasónico de 40kHz.

Fuente: Wikimedia Commons

En general, este tipo de transductor detecta diversos materiales, incluyendo metal, no metal, transparentes y objetos de color. También identificará líquidos, sólidos y sustancias finas.

La estructura interna de un sensor ultrasónico.

Fuente: Wikimedia Commons

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

Además, el transductor tiene un receptor, transmisor, fuente de alimentación y mecanismo de control. Mientras tanto, el transmisor tiene un vibrador cerámico de 15mm. Estos sensores funcionan de manera idéntica a un altavoz y micrófono ultrasónicos, generando y recibiendo ondas de sonido de alta frecuencia.

Este transductor funciona a baja temperatura para fines diagnósticos debido al alto punto de Curie de los materiales piezoeléctricos, consumiendo energía mínima. También puede operar durante un tiempo prolongado sin afectar el circuito. Mientras tanto, los transductores médicos operan a altas temperaturas. Estos típicamente dependen de 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 de sonido. Las ondas de sonido luego reflejan la señal de eco del transductor después de detectar interferencia. También vibra dentro de un rango de frecuencia específico. Como resultado, el eco se convierte en una señal eléctrica.

Después, el dispositivo mide cuánto tiempo toma entregar la onda de sonido y recibir el eco. El pulso ultrasónico se liberará al aire cuando el sensor opere con una frecuencia de 40 kHz.

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

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

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 de Transductor Ultrasónico

Diagrama de circuito transmisor ultrasónico

Componentes requeridos:

• IC 555 – 1x
• Transistor 2N2222 – 1x
• Transductor ultrasónico – 1x
• Resistencia 1k – 2x
• Resistencia 2k – 1x
• Resistencia 5k – 1x
• Capacitor 0.01fuF – 1x
• Capacitor 3.3nF – 1x

Principio de funcionamiento:

Muchos circuitos transmisores ultrasónicos cuentan con un temporizador IC 555.

Fuente: Wikimedia Commons

Generalmente, el IC 555, que opera en modo multivibrador astable, sirve como oscilador. Esto genera pulsos de onda cuadrada seriales constantes que alcanzan 40 kHz. Mientras tanto, la ecuación F= 1..44/((R2+2R1)C2 establece el valor de 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 a 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, forzándolos a generar ondas de sonido de alta frecuencia.

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

Tipos de Transductores Ultrasónicos

Existen tipos variables de transductores ultrasónicos en el mercado hoy. Estos contienen parámetros esenciales, incluyendo frecuencia, huella y la disposición del cristal piezoeléctrico. Encontrarás los tipos más eficientes a continuación:

• Tipo lineal: Este tipo de transductor presenta un cristal piezoeléctrico con una disposición lineal.
  
• Array Faseado (Phased Array): Con una huella reducida, el array faseado soporta frecuencias bajas que van desde 2MHz a 7MHz.
  
• Estándar: También llamado transductor ultrasónico convexo o transductor ultrasónico normal, este tipo contiene un cristal piezoeléctrico curvo. Verás estos implementados en aplicaciones de pruebas extensivas.

Adicionalmente, puedes utilizar transductores de línea de retardo, transductores de contacto, transductores de doble elemento, 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 aplicaciones variables en una amplia gama de campos. Listamos algunos a continuación.

• Pruebas diagnósticas, tratamientos de cáncer, chequeos de corazón y ojos, y pruebas de órganos internos en el campo médico.
• 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

• Mediciones de nivel y flujo
• Biomédico
• Energía
• Control y monitoreo de nivel de líquido
• Gestión de línea de productos
• Detección de rotura de alambre

Ventajas y Desventajas

Ventajas:

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

• Capaz de detectar todos los tipos de sustancias y medir diversos materiales.
• La temperatura, el polvo y el agua no afectan el rendimiento.
• Opera en cualquier entorno con condiciones adecuadas.
• Comúnmente utilizado para proporcionar mediciones de intervalo de detección altas.

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

Desventajas:

Las fluctuaciones de alta temperatura pueden afectar el transductor.

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

Resumen

Extremadamente útiles y bien construidos, los transductores ultrasónicos hacen que la evasión de objetos sea mucho más fácil para robots de navegación. También presenta propósitos variables en otras aplicaciones. En este caso, esto ayuda a establecer su papel en la detección de objetos y mediciones de distancia. En general, factores ambientales variables no afectarán negativamente su rendimiento general. Como resultado, el polvo, la luz solar y el agua no impedirán que los pulsos ultrasónicos lleguen a su destino y regresen. Así que este componente puede operar consistentemente por cualquier tiempo.

¿Tienes alguna pregunta sobre el transductor ultrasónico? ¡Siéntete libre de contactarnos!